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瓦斯抽采钻孔有效抽采半径测定方法研究

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：刘宜军

[导读] 摘要：瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理和资源利用的根本性措施之一，而钻孔布置是瓦斯抽采的首要工作。

        安徽省阜阳市 236221
        摘要：瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理和资源利用的根本性措施之一，而钻孔布置是瓦斯抽采的首要工作。对于顺层钻孔而言，瓦斯抽采有效半径（以下简称“有效半径”）是确定钻孔布置间距的基础参数和重要依据，其准确测定对于节省钻孔施工工程量、提高瓦斯抽采效率乃至最终实现瓦斯抽采达标至关重要。
        关键词：瓦斯抽采；有效抽采半径；
        目前，我国煤矿安全生产得到了长足发展，煤矿安全形势也进一步好转，瓦斯事故也得到了进一步抑制，但瓦斯灾害依然严重，瓦斯问题仍然是威胁煤矿安全生产的重要因素。实践证明，解决瓦斯问题最有效的方法就是预抽煤层瓦斯，瓦斯抽采钻孔的合理布置及抽采时间又是预抽煤层瓦斯的关键，这将直接影响煤层瓦斯抽采的效果，进而影响整个矿井的安全生产[1]。钻孔间距太小，则会出现“串孔”现象，降低瓦斯抽采效率，浪费大量的人力、物力；钻孔间距太大，则会在两抽采钻孔之间形成抽采盲区，无法彻底消除煤层的突出危险性。另外，抽采有效半径也是对煤层瓦斯抽采效果进行评价的必要依据，抽采时间过长，造成物力的浪费；抽采时间过短，达不到消突的目的。因此，确定钻孔瓦斯抽采有效半径对于提高瓦斯抽采效率、保证煤矿安全生产具有重要的现实意义。
        1 钻孔抽采半径的定义与界定指标
        1.1 抽采半径的定义
        抽采半径按用途可分为：抽采影响半径和有效影响半径。抽采影响半径是指在规定的时间内原始瓦斯压力开始下降的测试点到抽采钻孔中心的距离。有效抽采半径是指在规定时间内以抽采钻孔为中心，该半径范围内的瓦斯压力或含量降到安全容许值的范围。钻孔的有效抽采半径是抽采时间、瓦斯压力、煤层透气性系数的函数，另外还与煤层原始瓦斯压力、吸附性能、抽采负压有关。
        1.2 目前抽采半径的界定指标
        目前，界定瓦斯有效抽采半径常用瓦斯压力和瓦斯含量两项指标，达到安全允许值的压力和含量分别为0.74MPa和8m3/t，因此，抽采范围内最大压力（0.74MPa）和最大含量（8m3/t）点到抽采钻孔中心的距离可确定为有效抽采半径。瓦斯含量测试误差较大，且容易受取样孔瓦斯排放的影响，而瓦斯压力易于观察，且较为直观，因此，本文采用残余瓦斯压力（0.74MPa）来标定有效抽采半径。
        2 瓦斯流动的理论方程
        为了便于对瓦斯在煤层中的流动进行研究，按流场的空间流向类型把瓦斯流动状态分成三类：单向流动、径向流动、球向流动；按煤层中的瓦斯流动与时间关系分为稳定流场（瓦斯流动与时间无关）和不稳定流场（瓦斯流动与时间有关）两类。本文采用不稳定流动理论，且遵循下列假设：①煤层为均匀连续性介质；②顺层钻孔假设为单向不稳定流动；③穿层钻孔假设为径向不稳定流动；④瓦斯流场内温度变化不大，瓦斯在煤层中的流动按等温过程处理。
        通过钻孔进行瓦斯抽采时，瓦斯在煤体瓦斯压力和抽采负压共同影响下向钻孔流动。研究发现，钻孔有效抽采范围可近似认为是以钻孔为圆心的圆形区域。r1为有效抽采半径，m；r2为钻孔半径，m；L为抽采钻孔煤层段长度，m。

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根据相关研究及大量的现场数据可知，在抽采负压稳定的条件下，抽采钻孔瓦斯流量衰减符合负指数衰减规律qT为抽采时间为T（单位为d）时百米钻孔的瓦斯抽采量，m3/（hm•min）；q0为百米钻孔瓦斯初始抽采量，m3/（hm•min）；α为抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数，d-1。抽采钻孔煤层段长度为L，Z为抽采钻孔有效抽采范围内的煤量，t；ρ为煤的密度表示EBM模型测度的最优效率得分，表明该决策单元技术有效；表示径向部分的规划参数（由CCR模型计算得出）；为决策单元的线性组合系数；为非径向部分的投入要素松弛变量；表示含有径向和非径向松弛的核心参数，表示各项投入指标的相对重要程度（满足），二者得分由数据本身的客观属性决定；表示决策单元的第个非期望产出；分别表示第t种期望产出的松弛改进部分的值和重要程度指标；分别表示第s种非期望产出的松弛改进部分的值和重要程度指标；表示投入矩阵，表示产出矩阵煤体瓦斯抽采率η为煤体中抽采的瓦斯量占煤体原始瓦斯量的比值，：Wc为煤体残余瓦斯含量，m3/t；Mz为煤体质量，
        3.有效抽采半径测定方法
        分析钻孔瓦斯有效抽采半径的表达式可知，在测定出钻孔瓦斯初始抽采量q0和钻孔瓦斯涌出衰减系数α的基础上，确定煤层瓦斯抽采率η后即可计算出不同抽采时间T内的钻孔瓦斯有效抽采半径r1。
        煤层的瓦斯抽采率是确定工作面瓦斯抽采达标的重要判断依据，《煤矿瓦斯抽采基本指标》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中提出根据工作面的瓦斯来源确定抽采达标的判定指标，其中，Q为工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；M为工作面日产量，t；Wj为煤的可解吸瓦斯量，m3/t；P0为煤层原始瓦斯压力，MPa。
        当工作面的瓦斯涌出量主要来自于邻近层或围岩时，按照判定指标，依据工作面瓦斯涌出量的大小即可判定抽采达标所要求的最低抽采率，将抽采率代入式（7），即可计算出在所要求抽采率条件下不同抽采时间所对应的有效抽采半径。
        当工作面的瓦斯涌出量主要来自于开采层时，依据工作面的产量，以煤的可解吸瓦斯量为判定指标。将工作面的设计抽采率代入公式进行不同抽采时间条件下的有效抽采半径计算，按照计算结果进行现场抽采，测定抽采后煤层的瓦斯含量，从而计算煤的可解吸瓦斯量，判定是否指标。
        4 结论
        （1）以抽采钻孔瓦斯流量衰减规律为基础，推导出了钻孔瓦斯有效抽采半径计算公式，即通过测定煤层的抽采钻孔瓦斯流量衰减规律得到百米钻孔瓦斯初始抽采量和抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数，依据抽采率计算不同抽采时间条件下的有效抽采半径。
        （2）基于行业标准和规范提出了钻孔瓦斯有效抽采半径的测定方法，当工作面瓦斯涌出量主要来自于邻近层及围岩时，以工作面的绝对瓦斯涌出量为判据确定工作面瓦斯抽采率，进而计算有效抽采半径；当工作面瓦斯涌出量主要来自于本煤层时，以设计抽采率和可解吸瓦斯量为指标进行有效抽采半径的计算和验证；当开采突出煤层时，工作面原始瓦斯压力P0大于0.74 MPa时，以为抽采率进行有效抽半径的计算，工作面原始瓦斯含量W0大于8 m3/t时，以1-8/W0为抽采率进行有效抽采半径的计算。
        参考文献：
        [1]朱南南，张浪，范喜生，等.基于瓦斯径向渗流方程的有效抽采半径求解方法研究[J].煤炭科学技术，2017，45（10）：105-110.
        [2]王兆丰，周少华，李志强.瓦斯抽采钻孔有效抽采半径的数值计算方法[J].煤炭工程，2011，43（6）：82-84.
        [3]鲁义，申宏敏，秦波涛，等.顺层钻孔瓦斯抽采半径及布孔间距研究[J].采矿与安全工程学报，2015，32（1）：156-162.