李 普，張小東，覃木廣

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.鄭煤集團(tuán)公司，河南 鄭州 450042； 3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000； 4.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 5.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著我國(guó)煤礦采掘深度的不斷延伸、高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井?dāng)?shù)量的增加，瓦斯制約煤礦安全生產(chǎn)的程度越來(lái)越大。在煤礦井下瓦斯治理中，抽采鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)被廣泛應(yīng)用[1]，瓦斯抽采效果主要和抽采鉆孔的布孔方式有關(guān)，因而在瓦斯抽采前合理地布置抽采鉆孔顯得至關(guān)重要[2-4]。在考察鉆孔布置參數(shù)對(duì)瓦斯抽采效果的影響方面，取得了較多的研究成果。周厚權(quán)等[5-9]從瓦斯抽采鉆孔漏氣類型、鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)等角度進(jìn)行了大量的對(duì)比研究，提出了高效封孔技術(shù)，通過(guò)加強(qiáng)瓦斯抽采過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化管控，達(dá)到了提高瓦斯抽采效果的目的；王維忠等[10-13]研究了鉆孔抽采時(shí)間、鉆孔間距與瓦斯抽采有效影響半徑之間的關(guān)系，表明抽采鉆孔布置間距減小到一定合理范圍內(nèi)可消除抽采盲區(qū)空白帶，同時(shí)對(duì)開(kāi)采期間煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性也有一定緩解作用。但是在具體實(shí)施過(guò)程中由于井下煤層范圍較廣，鉆孔間距減小后，鉆孔布置工作量會(huì)大幅度增加，因而需要進(jìn)行對(duì)比分析選擇合適的布孔方式。徐青偉等[14-16]在一定對(duì)比基礎(chǔ)上提出了新的鉆孔布置方式，這種模式下相應(yīng)的盲區(qū)空白帶被有效地消除，且對(duì)應(yīng)的抽采鉆孔的孔數(shù)也沒(méi)有明顯增加，可更好地滿足抽采效率要求。

綜上可知，目前研究方向主要集中在優(yōu)化確定抽采鉆孔時(shí)間效應(yīng)、鉆孔位置等抽采參數(shù)，對(duì)鉆孔的抽放時(shí)間、抽放位置相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行模擬分析并優(yōu)化參數(shù)。很少研究不同布孔方式下鉆孔的有效控制面積、有效抽采面積利用率，而這又是影響瓦斯抽采效率的關(guān)鍵因素。鑒于此，筆者對(duì)典型布孔方式進(jìn)行分析，定量地比較分析典型布孔方式下鉆孔的有效控制面積、重復(fù)抽采區(qū)域面積，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，以期篩選出最優(yōu)的布孔方式。

1 典型布孔方式分析

利用底板巖巷施工穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的措施是多數(shù)不具備保護(hù)層開(kāi)采的煤礦治理瓦斯的主要手段，而穿層鉆孔的布置方式又是影響瓦斯抽采效果的重要因素之一。通過(guò)對(duì)典型穿層鉆孔布孔方式進(jìn)行分析，從而確定最優(yōu)的鉆孔布置方式。

1.1 正方形布孔方式

煤礦井下最為常用的穿層鉆孔布孔方式為正方形布孔方式，也稱作“方格”布孔方式。假設(shè)鉆孔有效抽采半徑為R，同排孔與孔間距(A、B)和排間距(A、D)均設(shè)置為2R，相鄰四孔A、B、C、D的有效控制面積為4R2。此種布孔方式在煤層中會(huì)形成抽采盲區(qū)空白帶。“方格”布孔方式如圖1所示。

“方格”布孔方式空白帶面積為：

(1)

1.2 三花眼布孔方式

可通過(guò)不同的方式消除“方格”布孔方式瓦斯抽采盲區(qū)空白帶，目前應(yīng)用比例較高的為三花眼布孔方式。這種方式就是在“方格”布孔方式的盲區(qū)空白帶的中心施工一個(gè)抽采鉆孔，進(jìn)而對(duì)此區(qū)域的瓦斯進(jìn)行抽采。三花眼布孔方式如圖2所示。

圖2 三花眼布孔方式

三花眼布孔方式相鄰四孔AEFD有效控制面積為：

SAEFD=(S三角形AHE+S三角形DGF+S正方形DGEH)

(2)

相鄰四孔控制面積中重復(fù)抽采區(qū)域面積為：

S重復(fù)=2(S扇形HDG+S扇形HEG-S正方形HDGE)

(3)

三花眼布孔方式可有效地消除瓦斯抽采盲區(qū)空白帶，但是也會(huì)導(dǎo)致重復(fù)抽采問(wèn)題，同時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆孔工程量也明顯增大，單個(gè)鉆孔的瓦斯抽采濃度都有一定幅度下降，瓦斯抽采效率會(huì)受到影響。

1.3 優(yōu)化后的正方形布孔方式

圖3 優(yōu)化后正方形布孔方式

經(jīng)計(jì)算，圖3中陰影部分即重復(fù)抽采區(qū)域面積為：

S重復(fù)=4S扇形AEF-S正方形ABCD

(4)

優(yōu)化后正方形布孔方式同樣存在鉆孔工程量增大、真正抽采有效區(qū)域有較大的重疊、鉆孔的抽采效率較低的問(wèn)題。

1.4 等腰三角形布孔方式

圖4 等腰三角形布孔方式

由圖4可知，等腰三角形布孔方式下的重復(fù)抽采區(qū)域面積明顯減少，但依然存在面積較小的抽采盲區(qū)空白帶。

經(jīng)計(jì)算，圖4中相鄰四孔重復(fù)抽采區(qū)域面積為：

S重復(fù)=4(S扇形AHG-S三角形AEG)

(5)

相鄰四孔重復(fù)抽采區(qū)域的面積也可表示為：

S重復(fù)=4(S扇形AHG-S三角形AEG)=4(0.24R2-0.2R2)=0.16R2

(6)

相鄰四孔控制區(qū)域中抽采盲區(qū)空白帶的面積為：

(7)

由此可得：

(8)

1.5 等邊三角形布孔方式

圖5 等邊三角形布孔方式

由圖5可知，等邊三角形布孔方式不存在抽采盲區(qū)空白帶，且重復(fù)抽采區(qū)域的面積較小，能滿足現(xiàn)場(chǎng)瓦斯治理需要。

圖5中相鄰四孔A、B、C、D控制區(qū)域中重復(fù)抽采區(qū)域面積為：

S重復(fù)=12SEFG=12(S扇形EDG-S三角形EDF)

(9)

由此可得：

S重復(fù)=12(S扇形EDG-S三角形EDF)

=12(0.26R2-0.22R2)=0.48R2

(10)

2 典型布孔方式比較

典型布孔方式下相鄰四孔有效控制面積、重復(fù)抽采區(qū)域面積，以及抽采盲區(qū)空白帶面積計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 典型布孔方式下鉆孔有效控制面積、重復(fù)抽采區(qū)域面積及抽采盲區(qū)空白帶面積計(jì)算結(jié)果

由表1可知：

1)“方格”布孔方式和等腰三角形布孔方式存在抽采盲區(qū)空白帶，不符合《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求，存在安全隱患，不適合現(xiàn)場(chǎng)使用；三花眼布孔方式、優(yōu)化后的正方形布孔方式和等邊三角形布孔方式均不存在抽采盲區(qū)空白帶的問(wèn)題，能夠滿足瓦斯治理要求。

2)在鉆孔數(shù)量相同的情況下，等邊三角形布孔方式下有效控制面積是三花眼布孔方式和優(yōu)化后正方形布孔方式下有效控制面積的1.3倍；等邊三角形布孔方式下有效抽采面積利用率是三花眼布孔方式和優(yōu)化后正方形布孔方式下有效抽采面積利用率的1.9倍。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

在鄭州礦區(qū)告成煤礦25031開(kāi)切眼底抽巷開(kāi)展3種布孔方式下瓦斯抽采效果對(duì)比研究。

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及鉆孔布置

25031開(kāi)切眼設(shè)計(jì)工程量240 m，平均煤厚為5.5 m，實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量為6.29～14.94 m3/t，平均為10.44 m3/t，煤層瓦斯抽采有效半徑R為4 m。本次試驗(yàn)將25031開(kāi)切眼分為3個(gè)試驗(yàn)區(qū)，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積均為長(zhǎng)×寬=80 m×64 m=5 120 m2，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別按照三花眼、優(yōu)化后正方形和等邊三角形布孔方式布置鉆孔。為對(duì)比分析各布孔方式下的抽采效果，將孔板流量計(jì)安裝在3種布孔方式對(duì)應(yīng)的瓦斯抽采支管上，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)瓦斯?jié)舛群统椴闪髁肯嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，然后對(duì)比分析各種布孔方式的抽采效果。

3.2 單位長(zhǎng)度巷道所需鉆孔工程量分析

為便于各布孔方式下的鉆孔工程量的對(duì)比分析，設(shè)定單位長(zhǎng)度巷道鉆孔工程量指標(biāo)來(lái)衡量鉆孔工程量，鉆孔工程量和鉆孔施工成本呈正相關(guān)關(guān)系，可通過(guò)此參數(shù)衡量鉆孔施工效益。在實(shí)際施工中，相應(yīng)的鉆孔量較大，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)均選取相鄰2列鉆孔為例，統(tǒng)計(jì)鉆孔施工長(zhǎng)度如表2所示。

表2 試驗(yàn)區(qū)鉆孔施工長(zhǎng)度

由表2統(tǒng)計(jì)得到3種布孔方式下對(duì)應(yīng)試驗(yàn)區(qū)域累計(jì)鉆孔施工長(zhǎng)度。再根據(jù)式(11)求得每掘進(jìn)單位長(zhǎng)度巷道所需的鉆孔工程量：

(10)

式中：H為每掘進(jìn)1 m長(zhǎng)度巷道所需的鉆孔工程量，m/m；lj為試驗(yàn)區(qū)塊第j個(gè)鉆孔的長(zhǎng)度，m；L為試驗(yàn)區(qū)塊掩護(hù)巷道長(zhǎng)度，m；r為試驗(yàn)區(qū)塊鉆孔總數(shù)量。

不同布孔方式下所需鉆孔工程量計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 不同布孔方式下所需的鉆孔工程量

由表3可知，等邊三角形、三花眼布孔方式下的單位鉆孔工程量分別為46.4、64.5 m/m，等邊三角形明顯小于三花眼布孔方式下的單位鉆孔工程量；優(yōu)化后正方形布孔方式的單位巷道所需鉆孔工程量介于前兩者之間。對(duì)比工程量可知，等邊三角形布孔方式能較好地滿足要求。

3.3 瓦斯抽采效果

在試驗(yàn)過(guò)程中為滿足數(shù)據(jù)的對(duì)比要求，對(duì)不同區(qū)域鉆孔結(jié)束后25 d內(nèi)的全部瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定出抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù))分布圖，如圖6所示。

圖6 不同布孔方式下抽采瓦斯?jié)舛扰c抽采時(shí)間的關(guān)系

由圖6可知，各抽采時(shí)間下相應(yīng)的抽采瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)范圍為14.9%～52.0%，抽采瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)與抽采負(fù)壓變化有關(guān)。增加抽采時(shí)間后，各布孔方式抽采瓦斯?jié)舛榷加幸欢ǚ冉档?，其中?yōu)化后正方形布孔方式下瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)明顯的波動(dòng)。對(duì)比分析可知，等邊三角形布孔方式下瓦斯?jié)舛认陆档乃俣茸盥?，且較平穩(wěn)，由此可判斷這種布孔方式下鉆孔間距不會(huì)明顯影響到抽采速度。

根據(jù)不同布孔方式下的瓦斯混合流量和總孔數(shù)，代入公式計(jì)算出不同抽采時(shí)間下相應(yīng)的單孔日抽采瓦斯純量均值，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同布孔方式下平均單孔抽采瓦斯純量與抽采時(shí)間關(guān)系

由圖7可知，延長(zhǎng)抽采時(shí)間后，不同布孔方式下的單孔日均抽采瓦斯純量都有一定幅度降低，其中三花眼布孔方式下的單孔日均抽采瓦斯純量在16～19 d期間大幅度降低，優(yōu)化后正方形布孔方式和等邊三角形布孔方式在25 d內(nèi)都未出現(xiàn)大幅度降低。由此可判斷三花眼布孔方式下早期可能存在一定“孔間干擾”，這對(duì)瓦斯抽采會(huì)產(chǎn)生不利的影響。在此過(guò)程中為對(duì)比分析各種布孔方式下的瓦斯抽采效果，代入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定不同布孔方式下25 d內(nèi)的單孔抽采平均瓦斯?jié)舛?，具體數(shù)值如表4所示。

表4 不同布孔方式下單孔抽采25 d內(nèi)的平均瓦斯數(shù)據(jù)

由表4可知，在抽采25 d期間內(nèi)，優(yōu)化后正方形布孔方式下的單孔平均抽采瓦斯純量為0.013 7 m3/min，其次為等邊三角形布孔方式，最小的為三花眼布孔方式，平均抽采瓦斯純量只有0.009 4 m3/min，存在較明顯的差異。

總體分析可知，瓦斯抽采效果最好的為優(yōu)化后正方形布孔方式，最差的為三花眼布孔方式。結(jié)合上述典型布孔方式下瓦斯抽采效果對(duì)比分析結(jié)果，以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)掩護(hù)巷道所需鉆孔工程量，最終確定在煤礦井下底抽巷中優(yōu)選等邊三角形布孔方式布置穿層鉆孔。

4 結(jié)論

1)“方格”布孔方式和等腰三角形布孔方式存在抽采空白帶，不符合瓦斯防突工作要求，存在安全隱患；而三花眼布孔方式、優(yōu)化后的正方形布孔方式和等邊三角形布孔方式均不存在抽采盲區(qū)的問(wèn)題，能夠滿足煤礦瓦斯治理和防突的要求。

2)在鉆孔數(shù)量相同的情況下，等邊三角形布孔方式有效控制面積是三花眼和優(yōu)化后正方形布孔方式有效控制面積的1.3倍；等邊三角形布孔方式有效抽采面積利用率是三花眼布孔方式和優(yōu)化后正方形布孔方式有效抽采面積利用率的1.9倍。

3)三花眼布孔方式的單位長(zhǎng)度鉆孔工程量最大，最小的為等邊三角形布孔方式。對(duì)比分析鉆孔瓦斯抽采25 d數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，三花眼布孔方式的抽采效果最差，單孔平均抽采瓦斯純量也最小，優(yōu)化后正方形布孔方式的效率最高。

4)對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和典型布孔方式的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終確定在告成煤礦25031開(kāi)切眼底抽巷進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，等邊三角形布孔方式最合適，可更好地滿足綜合要求。