馬國(guó)強(qiáng)，陳久福

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.重慶能投渝新能源有限公司，重慶 400061）

松藻煤礦開(kāi)采K1、K2b、K3b煤層均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，以K2b煤層作為保護(hù)層優(yōu)先開(kāi)采。K2b煤層厚度平均0.45 m，屬薄煤層開(kāi)采，煤層原始瓦斯含量為12.45 m3/t，瓦斯壓力0.96 MPa，煤層透氣性差，屬難抽煤層。K2b突出薄煤層工作面采用單排順層平行鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯消突。預(yù)抽鉆孔布置參數(shù)不合理一方面造成煤層抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，影響礦井采掘接替，另一方面會(huì)造成鉆孔工程量的極大浪費(fèi)[1-4]。為了弄清松藻煤礦K2b突出薄煤層工作面順層瓦斯預(yù)抽鉆孔布置參數(shù)與抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間關(guān)系，以根據(jù)采掘接替要求合理布置順層瓦斯預(yù)抽鉆孔，避免鉆孔工程量浪費(fèi)，開(kāi)展突出薄煤層順層瓦斯預(yù)抽鉆孔合理布置研究，對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤層抽采達(dá)標(biāo)，保障礦井抽、掘、采的有序銜接具有重要意義。

1 鉆孔布置參數(shù)對(duì)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的影響

1.1 抽采過(guò)程煤層瓦斯流動(dòng)特征

根據(jù)煤層瓦斯流動(dòng)理論[5]，瓦斯在煤層中的流動(dòng)主要集中在孔徑＞1 μm的孔隙和裂隙中，并以符合達(dá)西定律的層流滲透為主，其瓦斯流動(dòng)過(guò)程符合以下公式：

從式（1）可以得出：瓦斯流動(dòng)速度與煤層和鉆孔間的瓦斯壓力梯度、煤層孔隙和裂隙大小及其連通性（以滲透率表征）成正比。在滲透率與抽采負(fù)壓變化不大時(shí)，鉆孔徑向較近處煤體內(nèi)瓦斯首先被抽出，瓦斯壓力降低，進(jìn)而促進(jìn)較遠(yuǎn)處煤體內(nèi)的高壓瓦斯向鉆孔方向流動(dòng)并產(chǎn)生吸附瓦斯降壓解吸。但鉆孔徑向較遠(yuǎn)處煤體至鉆孔的瓦斯運(yùn)移路徑長(zhǎng)、瓦斯流動(dòng)阻力大，為了抽采鉆孔徑向較遠(yuǎn)處煤體瓦斯，需要增大運(yùn)移路徑兩端氣體壓力差。然而，抽采負(fù)壓極限為0.1 MPa，這就意味著，在運(yùn)移路徑兩端氣體壓差存在極限值，鉆孔徑向也必然存在極限抽采影響半徑，無(wú)論怎樣延長(zhǎng)抽采時(shí)間，極限抽采影響半徑以外的煤層瓦斯不會(huì)受到影響。

同時(shí)，隨著抽采進(jìn)行，鉆孔瓦斯流量呈負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律[6]，即：

式中：qt為百米抽采鉆孔t時(shí)排放的瓦斯流量，m3/（min·hm）；q0為百米鉆孔初始排放的瓦斯流量，m3/（min·hm）；t為鉆孔瓦斯涌出時(shí)間，d；β為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1。

因此，抽采鉆孔布置既要考慮極限抽采影響半徑大小，又要考慮瓦斯流量隨時(shí)間衰減規(guī)律，避免過(guò)分延長(zhǎng)抽采時(shí)間造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

1.2 鉆孔間距對(duì)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的影響

順層抽采鉆孔布孔間距存在3種形式[7]，具體鉆孔布置形式如圖1。

圖1 順層抽采鉆孔布置形式

根據(jù)鉆孔瓦斯抽采影響范圍隨時(shí)間增大并趨于定值的特點(diǎn)可知，增大鉆孔間距會(huì)延長(zhǎng)抽采時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中為實(shí)現(xiàn)抽、采有序銜接，要求抽采期內(nèi)將煤層殘余瓦斯含量值降至允許程度。若孔間距超過(guò)有效抽采半徑R的2倍（圖1（a）），則抽采期內(nèi)煤層抽采率低甚至存在抽采空白帶，影響抽、采銜接；若間距過(guò)?。▓D1（b））則鉆孔工程量加大，鉆孔過(guò)于密集甚至串孔降低抽采效果；圖1（c）最為合理，抽采期后鉆孔間煤體全部卸壓，殘余瓦斯含量滿足達(dá)標(biāo)要求。因此，鉆孔間距過(guò)大會(huì)造成煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間延長(zhǎng)，鉆孔間距過(guò)小會(huì)造成鉆孔工程量的浪費(fèi)，需要根據(jù)采掘銜接合理布置鉆孔間距。

1.3 鉆孔直徑對(duì)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的影響

鉆孔進(jìn)入煤體后打破了煤體應(yīng)力場(chǎng)平衡狀態(tài)，在孔壁徑向周?chē)后w內(nèi)形成破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)[8]。由于鉆孔長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑，將孔壁周?chē)后w的受力看做平面應(yīng)變問(wèn)題，建立的孔壁受力三區(qū)分布模型如圖2。

圖2 孔壁受力分布模型

塑性區(qū)的產(chǎn)生是由于孔壁周?chē)后w應(yīng)力超過(guò)了其屈服應(yīng)力，在雙向等壓條件下，認(rèn)為切向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，徑向應(yīng)力為最小主應(yīng)力，則孔壁煤體塑性區(qū)半徑Rp計(jì)算公式[9]為：

式中：Ra為鉆孔半徑，m；p0為圍巖初始應(yīng)力，Pa；pi為鉆孔內(nèi)壓力，為內(nèi)摩擦角，（°）；kp為鉆孔內(nèi)壓力c為黏聚力，N。

從式（3）可以得出，在其它參數(shù)不變條件下，鉆孔周?chē)后w塑性區(qū)半徑隨著鉆孔半徑的增大而增大。鉆孔直徑對(duì)煤層瓦斯抽采的影響主要表現(xiàn)在鉆孔內(nèi)壁暴露表面積與卸壓圈（塑性區(qū)）大小?？讖皆酱?，抽采初期煤層卸壓范圍越大，單位時(shí)間內(nèi)解吸的瓦斯量就越多，但抽采后期瓦斯流量基本上受鉆孔直徑影響程度很小，不同孔徑鉆孔抽采的瓦斯總量基本相同[10]。

因此，在鉆孔間距不大時(shí)，可以采取增大鉆孔直徑的辦法擴(kuò)大卸壓圈，以提高抽采初期瓦斯流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的目的，但鉆孔直徑越大對(duì)鉆進(jìn)工藝要求高且施工時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。

1.4 不同鉆孔布置參數(shù)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間考察方案

鉆孔間距與鉆孔直徑均對(duì)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間有影響，增大鉆孔直徑可提高抽采初期瓦斯流量，而縮小鉆孔間距可顯著縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，但鉆孔工程量會(huì)顯著增加。為了考察不同鉆孔布置參數(shù)條件下煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，以便指導(dǎo)不同預(yù)抽期條件下抽采鉆孔合理布置，減少鉆孔工程量，設(shè)計(jì)了2種鉆孔布置參數(shù)考察方法：鉆孔直徑不變的條件下縮小鉆孔間距，以及同時(shí)增大鉆孔直徑與鉆孔間距，以考察不同鉆孔布置參數(shù)條件下煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間變化特征，得出不同鉆孔布置參數(shù)條件下煤層殘余瓦斯含量與抽采時(shí)間的理論關(guān)系式，用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)抽采工程實(shí)踐。

2 不同鉆孔參數(shù)條件抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)考察

2.1 試驗(yàn)工作面概況

試驗(yàn)地點(diǎn)選在松藻煤礦K2b煤層的2215-2采煤工作面。該工作面煤層埋深429.3～457.6 m，傾角20°～21°，平均厚度0.45 m，原始瓦斯含量為12.45 m3/t，瓦斯壓力0.96 MPa。該面走向長(zhǎng)度646 m，傾斜長(zhǎng)度124～130 m，走向長(zhǎng)壁法采煤，全部垮落法管理頂板。為消除工作面突出危險(xiǎn)，在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷分別施工上向、下向順層鉆孔抽采區(qū)域煤層瓦斯，消除煤層突出危險(xiǎn)，保障工作面安全回采。

2.2 抽采鉆孔設(shè)計(jì)與施工

為考察不同鉆孔布置參數(shù)條件下工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，根據(jù)不同鉆孔布置參數(shù)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間考察方案，在2215-2工作面運(yùn)輸巷按照3、5 m間距設(shè)計(jì)了孔徑φ65 mm的鉆孔各15個(gè)，考察相同鉆孔直徑、不同鉆孔間距條件下抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間變化特征；同時(shí)設(shè)計(jì)了8 m間距、孔徑φ87 mm的鉆孔15個(gè)，與5 m間距、孔徑φ65 mm的鉆孔進(jìn)行對(duì)比，分析同時(shí)增大鉆孔直徑與間距對(duì)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的影響。所有鉆孔設(shè)計(jì)深度70 m。抽采考察鉆孔布置示意圖如圖3。

圖3 抽采考察鉆孔布置示意圖

鉆進(jìn)機(jī)具為MYZ150鉆機(jī)，φ65 mm的鉆孔采用φ50 mm的光鉆桿施工，壓風(fēng)排粉；φ87 mm的鉆孔采用φ87 mm的螺旋鉆桿施工，螺旋加壓風(fēng)排粉。由于煤層厚度僅0.45 m，所有鉆孔都未達(dá)到設(shè)計(jì)深度，鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔施工參數(shù)表

鉆孔利用“兩堵一注”封孔方式，為確保鉆孔不漏氣，封孔深度定為8 m。

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

鉆孔施工完成后同時(shí)掛網(wǎng)抽采，相同孔徑和間距的鉆孔設(shè)為1組評(píng)價(jià)單元，定期測(cè)試抽采濃度、流量和負(fù)壓，共跟蹤測(cè)試85 d的抽采數(shù)據(jù)。不同鉆孔間距的鉆孔長(zhǎng)度基本相同，分析結(jié)果忽略鉆孔長(zhǎng)度影響。

2.3.1 不同鉆孔布置參數(shù)抽采濃度及純量對(duì)比

不同孔徑和間距的鉆孔抽采濃度、純量隨時(shí)間變化情況如圖4、圖5。

圖4 抽采濃度隨時(shí)間變化

圖5 抽采純量隨時(shí)間變化

從圖4、圖5中可以得出：

1）相同孔徑時(shí)，抽采濃度、純量隨著鉆孔間距的縮小而增大?？讖綖棣?5 mm，鉆孔間距由5 m縮小至3 m時(shí)，鉆孔初始抽采濃度由17%提高至21%，提高了23.53%，平均提高26.13%；鉆孔初始抽采純量由 0.13 m3/min提高至 0.17 m3/min，提高了30.77%，平均提高40.18%。

2）同步增大鉆孔直徑和鉆孔間距也會(huì)提高抽采濃度和純量，但效果不如縮小鉆孔間距明顯?？讖接搔?5 mm提高至φ87 mm、鉆孔間距由5 m提高至8 m時(shí)，鉆孔初始抽采濃度由17%提高至20%，提高了17.65%，平均提高21.13%；鉆孔初始抽采純量由 0.13 m3/min提高至 0.15 m3/min，提高了15.38%，平均提高26.79%。同步增大孔徑和孔間距與縮小孔間距相比，抽采濃度和抽采純量的提高程度較低。

2.3.2 不同鉆孔布置參數(shù)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間對(duì)比

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》（安監(jiān)總煤裝〔2011〕163號(hào)）相關(guān)要求，將鉆孔布置參數(shù)分別為3 m、φ65 mm，5 m、φ65 mm，8 m、φ87 mm 的抽采區(qū)域劃分為3個(gè)評(píng)價(jià)單元，評(píng)價(jià)單元內(nèi)預(yù)抽防突效果達(dá)標(biāo)評(píng)判指標(biāo)為煤層殘余瓦斯含量小于8 m3/t。跟蹤測(cè)定了不同評(píng)價(jià)單元內(nèi)累計(jì)瓦斯抽采純量Q隨抽采時(shí)間變化數(shù)據(jù)（表2）。計(jì)算并繪制了評(píng)價(jià)單元內(nèi)煤層殘余瓦斯含量隨抽采時(shí)間變化曲線（圖6）。

從圖6可得，鉆孔直徑相同時(shí)，縮小鉆孔間距可以實(shí)現(xiàn)快速降低評(píng)價(jià)單元內(nèi)煤層殘余瓦斯含量，有效的縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。利用最小二乘法，通過(guò)抽采數(shù)據(jù)擬合得出布孔方式為3 m、φ65 mm，5 m、φ65 mm的評(píng)價(jià)單元內(nèi)煤層殘余瓦斯含量與抽采時(shí)間的理論關(guān)系式分別為：

表2 瓦斯抽采純量隨抽采時(shí)間變化數(shù)據(jù)表

圖6 煤層殘余瓦斯含量隨抽采時(shí)間變化

式中：WCY為煤層殘余瓦斯含量，m3/t；t為抽采時(shí)間，d；R2為相關(guān)性系數(shù)。

抽采85 d后，3 m、φ65 mm布孔方式評(píng)價(jià)單元內(nèi)煤層殘余瓦斯含量為0.91 m3/t，5 m、φ65 mm布孔方式評(píng)價(jià)單元內(nèi)煤層殘余瓦斯含量為7.19 m3/t。根據(jù)表1可知，3 m、φ65 mm布孔方式噸煤鉆孔量為0.51 m/t，5 m、φ65 mm布孔方式噸煤鉆孔量為0.30 m/t。根據(jù)式（4）計(jì)算得出 3 m、φ65 mm 布孔方式評(píng)價(jià)單元抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為32 d，根據(jù)式（5）計(jì)算得出5 m、φ65 mm布孔方式評(píng)價(jià)單元抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為71 d。鉆孔直徑為φ65 mm、鉆孔間距由5 m縮小至3 m時(shí)，鉆孔間距縮小40%，噸煤鉆孔量增加70%，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短39 d，降幅55%。

同步增大鉆孔直徑和鉆孔間距可以使監(jiān)測(cè)期內(nèi)累計(jì)抽采純量有所增加，但鉆孔控制范圍煤層儲(chǔ)量與瓦斯儲(chǔ)量也增加，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間也相應(yīng)增加。抽采85 d后，8 m、φ87 mm鉆孔評(píng)價(jià)單元內(nèi)煤層殘余瓦斯含量為8.39 m3/t，未達(dá)標(biāo)。利用最小二乘法得出煤層殘余瓦斯含量與抽采時(shí)間的理論關(guān)系式：

根據(jù)式（6）計(jì)算得出8 m、φ87 mm鉆孔評(píng)價(jià)單元內(nèi)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為93 d，與5 m、φ65 mm鉆孔評(píng)價(jià)單元相比，鉆孔直徑增大34%，鉆孔間距增大60%，噸煤鉆孔量減小40%，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間增加了22 d，增幅 31%。

3 結(jié)論

1）鉆孔直徑影響孔壁暴露表面積與徑向卸壓圈大小，僅在抽采初期對(duì)瓦斯抽采量影響較大；鉆孔間距是影響抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的主要因素，縮小鉆孔間距可以有效縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間；同步增大鉆孔直徑和鉆孔間距的方法將增加抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。

2）在松藻煤礦2215-2保護(hù)層工作面實(shí)際考察試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉆孔直徑φ65 mm保持不變，鉆孔間距由5 m縮小至3 m時(shí)，抽采濃度和純量均會(huì)增大，工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間由71 d降至32 d，縮短了39 d，降幅55%，但噸煤鉆孔量增加70%；鉆孔直徑增大至φ87 mm、鉆孔間距增大至8 m時(shí)，抽采濃度和純量也會(huì)增加，但鉆孔控制煤層范圍增大，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間由71 d延長(zhǎng)至93 d，增加了 22 d，增幅31%，但噸煤鉆孔量減小40%。

3）試驗(yàn)得出了不同鉆孔布置參數(shù)條件下煤層殘余瓦斯含量隨抽采時(shí)間變化特征，可用于指導(dǎo)松藻煤礦其它類(lèi)似2215-2保護(hù)層工作面的抽采鉆孔布置，在采掘接替允許的前提下可采用同時(shí)增加鉆孔直徑與間距的布孔方式，以減少鉆孔工程量。