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基于瓦斯压力分布规律的有效抽采半径考察研究 王 亮 （ 山西晋煤集团泽州天安海天煤业有限公司， 山西 晋城市 ０ ４ ８ ０ ０ ０） 摘 要 针对海天煤业有限公司瓦斯抽采过程中有效抽采半径确定不合理的问题， 在分析 钻孔周围瓦斯压力分布规律基础上， 建立了钻孔周围瓦斯压力模型， 分析了影响抽采半径 的因素， 根据现场试验结果， 确定了瓦斯抽采有效半径为３ｍ。实践表明 考察后的有效 抽采半径可以有效治理瓦斯， 保证安全开采。 关键词 瓦斯压力； 有效抽采半径； 压降法； 顺层钻孔 ０ 引 言 瓦斯问题一直困扰着我国煤矿的安全高效回 采， 经过多年的发展， 瓦斯抽采技术取得长足进步， 在煤矿瓦斯治理工作中得到广泛应用。瓦斯抽采效 果的好坏与抽采参数的选择紧密联系， 而瓦斯抽采 设计的关键是瓦斯抽采钻孔间距的确定， 钻孔间距 的确定与钻孔有效抽采半径密切相关［ １－２］， 由此可 见， 抽采半径是瓦斯抽采设计中的一项重要参数。 若钻孔间距过大， 可能出现抽采空白带， 间距过小， 则 工程量增加， 势必造成人力、 物力、 财力上的浪费［ ３］。 国内外学者对合理的瓦斯抽采有效半径进行了 深入的研究， 目前主要有２种方法， 即实测法和理论 计算法［ ４－７］。实测法测试周期相对较长， 理论计算不 太准确， 也有学者采用数学模拟软件对不同抽采条 件下的有效抽采半径进行了模拟研究［ ８］， 以节省测 定的时间， 但是可靠性仍有待考量。因此， 确定海天 煤业３ ＃煤层的抽采半径具有重要的意义， 用较小的 投入获得较好的抽采效果。 １ 瓦斯抽采测试与影响因素 钻孔瓦斯抽采半径按其影响范围的大小程度分 为抽采影响半径和有效抽采半径［ ９］， 如图１所示。 图１ 钻孔抽采半径 （１）抽采影响半径 是指在一定的时间内， 煤层 原始瓦斯压力（ Ｐ） 或瓦斯含量（Ｗ） 受到影响后逐渐 降低时， 测试点和钻孔中心间的距离。 （２）有效抽采半径， 指在一定的时间内煤层原 始瓦斯压力（Ｐ） 、 瓦斯含量（ Ｗ） 降低至安全阈值以 内时， 测试点和钻孔中心间的距离。 １．１ 瓦斯压力降低法测试原理 （ １）钻孔布置。测试孔和抽采孔相对位置布置 见图２ 。 图２ 测试钻孔布置 （２）钻孔施工结束后立即封孔， 避免漏气。 （ ３ ）测定１ ＃、 ２ ＃， ， ｎ＃孔的原始煤层瓦斯压 力， 直至各钻孔瓦斯压力稳定。 （ ４）瓦斯压力稳定后， 施工抽采孔， 并对抽采孔 进行联网抽采， 连续观测１ ＃、 ２ ＃， ， ｎ＃孔瓦斯压 力， 生成各钻孔瓦斯压力变化曲线。 （ ５）如果在规定时间内ｉ ＃钻孔测定的瓦斯压 力降低到指定指标， 表明该测试孔处于抽采有效半 径范围内， 测试孔距抽采钻孔的最远距离ｄ１＋ｄ２＋ ＋ｄｉ， 即为抽放钻孔的有效半径。综上所述， 确定 钻孔有效抽采半径的指标为 瓦斯压力降至 ０．７ ４ ＭＰ ａ以下或比较煤层原始瓦斯压力下降５ １％以上。 １．２ 瓦斯抽采半径的影响因素分析 影响瓦斯抽采半径因素较多， 主要有钻孔半径、 封孔技术、 抽采时间等参数。 Ｉ Ｓ Ｓ Ｎ １ ６ ７ １－２ ９ ０ ０ Ｃ Ｎ ４ ３－１ ３ ４ ７／Ｔ Ｄ 采矿技术 第１ ９卷 第１期 Ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｖ ｏ ｌ ． １ ９，Ｎ ｏ ．１ ２ ０ １ ９年１月 Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ９ ChaoXing （ １）钻孔孔径。在抽采时间相同的条件下， 有 效抽采半径随着抽采钻孔直径的增加而增加， 主要 是因为钻孔施工扰动了钻孔周围煤体， 使应力重新 分布， 并在钻孔周围形成塑性区， 而塑性区的大小随 着钻孔直径的增大而增大。因此， 考察孔与抽采孔 的孔径不宜过大和过小， 尤其是在含水的泥岩中施 工钻孔容易塌孔， 而且孔径愈大施工愈难， 孔径愈小 愈不利于瓦斯抽采， 因此要选择合理的孔径。 （ ２）封孔技术。封孔质量的高低直接关系着瓦 斯压力能否准确测定， 因此必须严封孔， 现有封孔技 术逐渐成熟， 水泥砂浆封孔法、 “ 两堵一注” 囊袋式注 浆封孔方法等广泛使用， 本次测定压力采用囊袋式 注浆封孔方法。 （ ３）抽采负压与时间。从理论上而言， 抽采负 压越大， 抽采影响的范围也就越大， 但是随着负压的 提高， 容易通过裂隙将巷道空气抽到抽采管路中， 故 抽采负压不是越大越好。随着抽采时间的增加， 抽 采影响范围也相应增加， 测定时间要选择合理， 为抽 采时间提供依据。 ２ 现场试验布置方案 通过现场调研分析， 根据天安海天煤业有限公 司的实际生产情况， 确定在３ ６ ２ １上分层运输顺槽距 切眼１ ０ ０～１ ６ ０ｍ处施工顺层钻孔进行测试研究。 ２．１ 钻孔施工设计及观测要求 首先施工直径９ ４ｍｍ的垂直于煤壁的测压孔， 成孔后采用“ 两堵一注” 的封孔方式进行封孔， 压力 测定采用４分无缝钢管， 每个钻孔的封孔长度为４ ５ ｍ， 待测出相对瓦斯压力后， 施工抽采钻孔， 测压孔 与抽采孔的孔口及孔底间距在空间内不能交叉， 必 须保持平行。钻孔参数见表１， 钻孔布置见图３。 表１ ３ ６ ２ １上分层运输顺槽钻孔参数 钻孔 编号 类型 考察 半径 倾角 ／ （） 方位角 ／ （） 终孔深 度／ｍ 封孔深 度／ｍ ０＃ 抽采孔 ＋２ １ ３ ５ ５ ５ ４ ５ １＃ 测压孔 １＋２ １ ３ ５ ５ ５ ４ ５ ２＃ 测压孔 ２＋２ １ ３ ５ ５ ５ ４ ５ ３＃ 测压孔 ３＋２ １ ３ ５ ５ ５ ４ ５ ４＃ 测压孔 ４＋２ １ ３ ５ ５ ５ ４ ５ ５＃ 测压孔 ５＋２ １ ３ ５ ５ ５ ４ ５ ６＃ 测压孔６＋２ １ ３ ５ ５ ５ ４ ５ 待所有钻孔施工完毕后， 测定每个测压孔的压 力， 每天观测一次压力变化情况， 直至压力值稳定后 施工抽采孔， 并与抽采系统连接对抽采孔进行抽采， 同时测定每个压力孔的压力变化， 做好数据记录。 测试时间不少于８ ０ｄ， 每天测试次数不低于１次， 抽 放期间要保证抽放负压基本维持稳定。 图３ 钻孔布置 ２．２ 钻孔瓦斯压力下降法观测数据统计 钻孔瓦斯压力下降法抽采半径考察孔于２ ０ １ ８ 年２月１ ＃开始施工， １ ＃ ～６ ＃测压钻孔在封孔完成， 观测１ ０ｄ以后， 待测压孔瓦斯压力稳定， 施工抽采 孔并与预抽管路连接进行瓦斯抽采， 孔口负压保持 在１ ５ｋ Ｐ ａ左右， 同时对６个测压钻孔的压力变化进 行记录， 共收集６组数据并绘制压力变化曲线，６个 钻孔瓦斯压力曲线如图４～图９所示， 压力下降幅 度统计如表２所示。 图４ １ ＃钻孔瓦斯压力曲线 图５ ２ ＃钻孔瓦斯压力曲线 图６ ３ ＃钻孔瓦斯压力曲线 ３２ 王 亮 基于瓦斯压力分布规律的有效抽采半径考察研究 ChaoXing 图７ ４ ＃钻孔瓦斯压力曲线 图８ ５ ＃钻孔瓦斯压力曲线 图９ ６ ＃钻孔瓦斯压力曲线 ２．３ 抽采半径考察 对天安海天煤业有限公司３ ６ ２ １上分层运输顺 槽各个测压钻孔压力值数据进行统计， 分别对测压 钻孔抽采４ ０，６ ０，８ ０ｄ的数据进行分析， 统计数据 分析（ 见表２） 。 当抽采时间为８ ０ｄ时， 根据瓦斯抽采影响半径 和有效半径的确定指标， 当抽采半径为１～３ｍ 时， １ ＃ ～３ ＃钻孔瓦斯压力下降均在５ １％以上， 平均达 到７ １％， 满足 煤矿安全规程 、 煤矿瓦斯抽采基本 指标 等要求煤层瓦斯预抽率一般大于３ ０％的要 求， 均处于瓦斯抽采半径以内。 当抽采半径为４ｍ 时，４ ＃钻孔瓦斯压力最终下 降幅度为３ ５％， 超过１ ９％， 从瓦斯压力下降的情况 来看， 满足瓦斯抽采影响半径的确定指标， 处于瓦斯 抽采影响半径范围以内， 但是不满足 煤矿安全规 程 、 煤矿瓦斯抽采基本指标 的抽采达标要求， 不 能作为抽采设计中钻孔布置的依据。 ５ ＃和６＃钻孔瓦斯压力下降幅度均小于１ ９％， 处于瓦斯抽放半径影响范围以外。 综上所述， 本矿瓦斯抽采有效半径应为３ｍ。 ３ 结论及建议 （ １）预抽钻孔的瓦斯抽采半径受多因素控制， 在不同因素的组合下确定的钻孔瓦斯抽采半径也是 不同的， 所以在考察抽采半径的过程中需要确定这 些因素对抽采效果的影响。 （ ２）根据钻孔瓦斯压力下降法指标和相关规 定， 得出本矿瓦斯抽采有效半径为３ｍ。 （ ３）由于钻孔瓦斯抽采半径的考察影响因素较 多， 在不同的地质区域、 不同的煤质条件和不同的钻 孔参数的条件下， 需要重新考察瓦斯抽采半径。建 议矿井在上述条件发生变化的时候， 重新考察钻孔 瓦斯抽采半径， 从而保证矿井的安全生产。 表２ 测压钻孔瓦斯压力统计分析 观察时间 ／ｄ １＃ 压力 ／ＭＰ ａ 下降幅度 ／％ ２＃ 压力 ／ＭＰ ａ 下降幅度 ／％ ３＃ 压力 ／ＭＰ ａ 下降幅度 ／％ ４＃ 压力 ／ＭＰ ａ 下降幅度 ／％ ５＃ 压力 ／ＭＰ ａ 下降幅度 ／％ ６＃ 压力 ／ＭＰ ａ 下降幅度 ／％ 初始压力０．２ ３ ０．２ １ ０．２ ５ ０．２ ０ ０．２ １ ０．２ ７ ４ ０ ０．０ ７ ７ ０ ０．０ ７ ６ ７ ０．０ ８ ６ ８ ０．１ ４ ３ ０ ０．２ ０ ５ ０．２ ７ ０ ６ ０ ０．０ ７ ７ ０ ０．０ ６ ７ １ ０．０ ７ ７ ２ ０．１ ３ ３ ５ ０．２ ０ ５ ０．２ ７ ０ ８ ０ ０．０ ７ ７ ０ ０．０ ６ ７ １ ０．０ ７ ７ ２ ０．１ ３ ３ ５ ０．１ ９ ９ ０．２ ６ ４ 参考文献 ［１］王兆丰， 李炎涛， 夏会辉， 等．基于Ｃ ＯＭＯ Ｓ Ｏ 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实践所取得的成果完全可以推广应用于其他矿山。 参考文献 ［１］朱恒银， 庞计来， 漆学忠．矿山充填孔及尾砂矿充填回采技术 的应用与探讨［Ｊ］．探矿工程（ 岩土钻掘工程） ， ２ ０ ０ ９，３ ６（Ｓ １） ３ ５ ４－３ ５ ９． ［２］古德生， 李夕兵． 现代金属矿床开采科学技术［Ｍ］． 北京 冶金 工业出版社，２ ０ ０ ６． ［３］钟义旒．金属矿床开采［Ｍ］．北京 冶金工业出版社，１ ９ ９ ８． ［４］刘志君， 龚浩源．上向水平分层充填采矿法的改进［Ｃ］ ／ ／中国 有色金属学会． 第八届国际充填采矿会议论文集． 长沙 矿 业研究与开发 编辑部，２ ０ ０ ４１ ３ ０－１ ３ ３． ［５］范殿贵．改进采矿工艺提高经济效益［Ｊ］．矿业快报，２ ０ ０ ０，１ １ （２ １） １ １－１ ２． ［６］刘志祥， 李夕兵．尾砂级配的混沌优化［Ｊ］．中南大学学报（ 自 然科学版） ，２ ０ ０ ５，３ ６（ ４） ６ ８ ３－６ ８ ８． ［７］王伟男， 徐曾和． 胶结充填体渗透性试验研究［Ｊ］． 矿业研究与 开发，２ ０ １ ８， ３ ８（７） ５ ６－６ ０． ［８］贾海波， 任凤玉， 丁航行， 何荣兴．内蒙古某矿山采空区充填 隔离挡墙设计［Ｊ］． 中国矿业， ２ ０ １ ８，２ ７（１） １ １ ５－１ １ ８． ［９］邓高岭， 郑伯坤， 李向东．井下充填挡墙构筑技术研究［Ｊ］．采 矿技术，２ ０ １ ８， １ ８（１） ２ ６－３ ０． ［１ ０］ 张爱卿， 吴爱祥， 韩 斌， 于少峰， 常宝孟， 王 虎， 武栓军． 基 于双向板理论充填挡墙配筋力学模型［Ｊ］． 中南大学学报（ 自 然科学版） ，２ ０ １ ７，４ ８（ １ １） ３ ０ ０ ６－３ ０ １ ２． ［１ １］ 彭志成， 张鹏飞， 杜雪明， 高 周． 分层充填采矿法的回采断 面优化和膏体充填柔性挡墙的制作工艺［Ｊ］． 矿业研究与开 发，２ ０ １ ７， ３ ７（９） ２ ６－３ ０． ［１ ２］ 陈 勃， 陈星明， 朱俊宁， 莫 韬．某铜矿空场嗣后充填法充 填挡墙安全分析［Ｊ］．有色金属（ 矿山部分） ， ２ ０ １ ７，６ ９（５） １ ５－ ２ ０． ［１ ３］ 张雪楣， 刘 明， 李萧翰， 刘志祥．玲珑金矿全尾砂充填工业 应用［Ｊ］．采矿技术， ２ ０ １ ７，１ ７（５） ２ ０－２ 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