顺层瓦斯预抽钻孔布置参数及抽采效果分析焦振营【期刊名称】《《中州煤炭》》【年(卷),期】2019(041)011【总页数】4页(P40-42,46)【关键词】顺层瓦斯预抽钻孔; 钻孔布置间距; 钻孔极限抽采; 有效抽采半径; 预抽率【作者】焦振营【作者单位】平顶山天安煤业股份有限公司一矿河南平顶山467000【正文语种】中文【中图分类】TD712.60 引言随着我国煤矿开采逐渐向深部发展，瓦斯灾害越来越严重，目前瓦斯抽采是我国治理瓦斯事故的根本措施。
钻孔抽采瓦斯一方面使钻孔周围煤体产生破碎或裂隙引起煤体卸压；另一方面可以降低煤层瓦斯压力。
国内外学者对顺层瓦斯预抽钻孔布置参数及抽采效果进行了很多研究，陈富贵[1]对朱仙庄煤矿工作面顺层瓦斯抽采方案优化进行了研究，在地质条件和瓦斯赋存的基础上，设计了工作面顺层瓦斯抽采钻孔相关参数，然后对不同的封孔材料、布置方式、钻孔孔径、钻孔间距的瓦斯抽采数据进行了分析；王凯[2]研究了顺层瓦斯抽采钻孔孔内负压分布规律，通过数值模拟、现场试验、理论分析验证了新型抽采工艺的优越性。
本文采用理论分析和现场测试，对顺层瓦斯预抽钻孔布置参数及抽采效果进行了分析，研究为工作面瓦斯抽采钻孔提供了理论依据。
1 工作面概况某煤矿为煤与瓦斯突出煤矿，研究工作面煤层埋深340～360 m，平均埋深350 m，煤层赋存稳定，平均厚5.9 m，煤层倾角5°～10°，瓦斯压力0.1～0.4 MPa，煤层透气性系数0.07 m2/(MPa2·d)，煤的坚固性系数为0.6。
基本顶为粉砂岩或中粒砂岩，直接顶为砂质泥岩，直接顶为泥岩。
本煤层瓦斯抽采，钻孔直径为113 mm，孔深100～110 m，采用聚氨酯和水泥沙进行封孔，抽采负压为-10 kPa，封孔长度大于12 m，预抽时间不少于3个月。
2 顺层瓦斯预抽钻孔布置参数2.1 顺层钻孔布置间距(1)多孔抽采效果叠加现象。
对于现场瓦斯抽采来说，瓦斯抽采是按照一定距离和时间进行抽采，相邻的瓦斯抽采钻孔会出现抽采效果叠加的现象。
为了便于得到多钻孔瓦斯抽采变化规律，研究了多钻孔抽采瓦斯时，煤层瓦斯含量分布规律[3-4](图1)。
图1 多钻孔抽采瓦斯时煤层瓦斯含量分布规律Fig.1 Distribution law of gas content in coal seam during multi-borehole gas drainage由图1可知，在6个月的瓦斯抽采下，距离相邻两钻孔的位置处，瓦斯含量为3.35 m3/t，比单钻孔的抽采下降了13%。
表明顺层多钻孔抽采瓦斯时，由于抽采叠加效应，距离钻孔不同位置处，煤层瓦斯含量降低的幅度大于单钻孔的瓦斯抽采。
因此，在进行多钻孔抽采瓦斯时，钻孔间距可适当大于2倍的有效抽采半径。
(2)钻孔间距与抽采半径的关系。
根据大量的试验研究，得出布孔间距和单钻孔抽采半径的关系：(1)式中，R影响为单钻孔瓦斯抽采时，瓦斯含量降至85%的影响半径；L为布孔间距；r有效为单钻孔有效抽采半径。
(3)现场试验验证。
为了验证钻孔间距与抽采半径的关系，设计施工1组钻孔用来测量多钻孔瓦斯抽采时煤层瓦斯压力变化情况，钻孔布置及参数如图2所示。
图2 钻孔布置及参数Fig.2 Borehole layout and parameters对钻孔进行90 d的瓦斯抽采，然后观测煤层瓦斯压力变化情况，2号和3号观测孔瓦斯压力变化情况如图3所示。
图3 2号和3号观测孔瓦斯压力变化情况Fig.3 Gas pressure changes of No.2 and No.3 observation holes由图3可知，随着瓦斯抽采时间的增加，瓦斯压力呈现下降趋势。
当抽采40 d时，瓦斯压力下降至0.11 MPa，降幅为51%；当抽采90 d时，瓦斯压力下降至0.08 MPa，降幅为64%。
因此，根据式(1)设计得到的布孔间距为3.3 m时，当进行90 d的瓦斯抽采时，抽采率达到了30%的要求，也验证了式(1)的正确性。
2.2 钻孔极限抽采时间研究当顺层钻孔进行瓦斯抽采时，钻孔周围的瓦斯压力梯度会随着时间的增长而扩张，当该瓦斯压力梯度不能进行瓦斯抽采时，此时的时间视为钻孔极限抽采时间。
钻孔极限抽采时间计算公式[5-6]：K抽=Qf/Qi =1-e-βtmax(2)式中，β为钻孔瓦斯流量衰减系数；tmax为极限抽采时间；Qi为极限瓦斯抽采量；Qf为钻孔累计抽采瓦斯量；K抽为钻孔瓦斯抽采有效系数。
取K抽为95%时，推导出：tmax=3/β(3)采用钻孔瓦斯流量衰减系数的测定方法，得出瓦斯流量衰减系数。
钻孔瓦斯抽采量观测数据见表1。
表1 钻孔瓦斯抽采量观测数据Tab.1 Observation data of borehole gas extraction m3/min测量天数/d1号抽采孔抽采纯量流量2号抽采孔抽采纯量流量3号抽采孔抽采纯量流量10.240.570.271.450.140.55300.711.990.261.430.181.33600.170.200.050.550. 010.55900.170.230.020.080.021.80由表1计算出该煤矿的瓦斯流量衰减系数平均为0.032 d-1，代入式(3)得出，极限抽采时间约95 d。
由于瓦斯抽采受到瓦斯压力、煤层透气性、地质条件和抽采负压的影响，瓦斯流量会出现较大变化。
因此，该抽采时间只能表征研究的煤层。
3 抽采效果分析为研究抽采效果，本文在回风巷1 000～1 400 m位置处布置走向顺层钻孔，钻孔孔深为100 m，钻孔间距为3 m，顺层钻孔预抽时间为3个月，钻孔封孔长度为12 m，钻孔抽采负压为-18 kPa。
3.1 顺层钻孔预抽瓦斯效果检验为了对顺层钻孔预抽瓦斯效果进行检验，每40 m布置2个测点，记录顺层钻孔预抽后瓦斯含量、残余瓦斯含量及预抽率[7-10](表2)。
表2 顺层钻孔预抽后瓦斯含量、残余瓦斯含量及预抽率Tab.2 Gas content，residual gas content and pre-extraction rate after pre-extraction of bedding borehole测点残余瓦斯含量/(m3·t-1)原始瓦斯含量/(m3·t-1)预抽率/%1号3.967.62482号4.577.88423号3.857.13464号4.227.41435号3.476.54476号3.796.89457号3.566.13428号3.645.97399号3.185.884610号3.496.1243由表2可知，经过钻孔瓦斯预抽后，工作面的原始瓦斯含量由5.88～7.88 m3/t降低至3.18～4.57 m3/t，工作面的瓦斯含量明显降低，工作面预抽率在40%以上，有效消除了工作面突出的危险性。
3.2 顺层钻孔预抽瓦斯效果分析钻孔瓦斯抽采量与抽采浓度的关系如图4所示。
由图4可知，在瓦斯抽采初期，瓦斯抽采浓度和抽采纯量呈逐渐上升趋势，但是随着抽采时间的增加，钻孔抽采量达到最大值，瓦斯抽采浓度最大值为84%，瓦斯抽采纯量最大值为0.37 m3/min。
随着不断的抽采，钻孔抽采量逐渐减小，最终达到稳定，瓦斯抽采浓度平均为33%，瓦斯抽采纯量平均为0.24 m3/min。
图4 钻孔瓦斯抽采量与抽采浓度的关系Fig.4 Relationship between gas extraction volume and extraction concentration4 结论(1)通过多钻孔瓦斯抽采叠加效应，得出在进行多钻孔抽采瓦斯时，钻孔的间距可适当大于2倍的有效抽采半径；布孔间距和单钻孔抽采半径的关系：(2)经过钻孔瓦斯预抽后，工作面预抽率也达到了40%以上，有效消除了工作面突出的危险；在工作面回采期间，回风巷风排瓦斯量和顺层钻孔抽采瓦斯量呈相反的趋势。
参考文献【相关文献】[1] 陈富贵.朱仙庄煤矿工作面顺层瓦斯抽采方案优化研究[D].淮南：安徽理工大学，2013.[2] 王凯.顺层瓦斯抽采钻孔孔内负压分布规律及应用研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2014.[3] 韩颖，张飞燕，程虹铭.基于灰关联分析的顺层钻孔瓦斯抽采有效半径主控因素研究[J].中国安全生产科学技术，2015，11(6)：44-49.Han Ying，Zhang Feiyan，Cheng Hongming.Research on main control factors of effective radius of gas extraction in bedding holes based on grey correlation analysis[J].Journal of Safety Science and Technology，2015，11(6)：44-49.[4] 李凯.顺层抽采钻孔有效防突偏移量研究[D].焦作：河南理工大学，2014.[5] 黄猛.基于吸附效应的顺层钻孔抽采瓦斯渗流规律数值模拟[D].西安：西安科技大学，2016.[6] 刘怀艳，夏宁宁.顺层钻孔抽采影响范围叠加效果模拟研究[J].能源与环保，2018，40(7)：30-34.Liu Huaiyan，Xia Ningning.Simulation study on superposition effect of influence range of bedding drilling[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(7)：30-34. [7] 王亚洲，孙锐.平舒矿顺层预抽钻孔瓦斯抽采半径考察及主要影响因素分析[J].中国煤炭，2018，44(8)：130-133.Wang Yazhou，Sun Rui.Investigation on gas extraction radius of pre-extraction drilling hole in Pingshu Mine and analysis of main influencing factors[J].China Coal，2018，44(8)：130-133.[8] 戴思航.低渗透煤层钻孔瓦斯抽采过程研究[D].焦作：河南理工大学，2015.[9] 魏风清，刘少博.新义矿顺层抽采钻孔合理封孔深度确定和应用[J].煤炭技术，2014，33(5)：46-49.Wei Fengqing，Liu Shaobo.Determination and application of reasonable sealing depth of bedding drilling hole in Xinyi Mine[J].Coal Technology，2014，33(5)：46-49.[10] 蒋静晓，李治理.基于COMSOL的钻孔有效抽采半径变化规律研究与工程应用[J].能源与环保，2018，40(7)：58-63.Jiang Jingxiao，Li Zhili.Research and engineering application of effective extraction radius of drilling hole based on COMSOL[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(7)：58-63.。