寺家庄矿回采工作面预抽钻孔抽采半径考察研究

于宝种

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，454003)



寺家庄矿回采工作面预抽钻孔抽采半径考察研究

于宝种

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，454003)

寺家庄矿通过在回采工作面制定多组不同间距的抽采钻孔试验方案，考察了预抽钻孔的抽采半径，得出在钻孔有效抽采时间内，当抽采时间相同时，钻孔间距越小，预抽率越高；预抽率随时间延长有整体增加的趋势，但增加的速度逐渐减小；对于一定间距的钻孔而言，当抽采时间达到某一值时，抽采率的变化与抽采时间的延长无关，即存在一个合理预抽时间的概念；根据允许预抽时间的长短，由相关公式可得出合适的抽采半径，为科学布置预抽钻孔提供依据，保障矿井采、掘、抽平衡。

瓦斯抽采 抽采半径 预抽率 抽采时间

矿井瓦斯灾害严重威胁煤矿安全生产，而瓦斯又是洁净高效能源和优质化工原料，瓦斯抽采不仅可以降低矿井瓦斯涌出量，防止瓦斯突出和瓦斯爆炸灾害，而且抽出的瓦斯可作为洁净能源加以利用，减少环境污染。抽采半径是瓦斯抽采的重要参数，抽采半径范围的大小与煤质和瓦斯因素有关，应从实际的抽采中测定。抽采半径过大，虽节约了工程量，但所需的达标抽采时间较长，而且容易留下抽采盲区，不利于突出危险的消除；抽采半径过小，虽然缩短了抽采时间，能在较短时间内抽采达标，但是钻孔的影响范围重叠，效率不高，同时增大了工程量。因此，确定合理的抽采半径，用最小的成本做好瓦斯抽采工作，为矿井瓦斯治理提供依据。通过考察寺家庄矿回采工作面预抽钻孔的抽采半径，指导现场的实际生产。

1 回采工作面预抽钻孔抽采半径考察现场试验设计

15203工作面进风巷第3-4横贯距离为197 m，在距3横贯口20 m处开始布置顺煤层预抽钻孔，试验钻孔分3组布置，每组钻孔的单排间距分别为2 m、3 m、4 m，钻孔采用双排三花眼布置，排间距1 m，孔深100 m，组间距为5 m，钻孔有效布置范围为135 m，每组钻孔为8个，共布置钻孔24个，钻孔编号为1#～24#。

工作面的顺煤层预抽钻孔施工完毕，连接至抽采管路进行抽采。在预抽回采区域煤层瓦斯的同时考察预抽钻孔的负压、流量等抽采参数，考察的钻孔直径为94 mm，抽采钻孔参数见表1。

表1 15203工作面回采区域钻孔抽采半径考察试验参数表

2 回采工作面预抽钻孔抽采半径确定

考察不同钻孔间距条件下百米钻孔极限瓦斯抽采量与钻孔间距、瓦斯抽采量衰减系数间的关系，需要采用按钻孔间距分组测定方法，测定时，根据各组钻孔的抽采瓦斯总量、混合瓦斯浓度和组内钻孔总长，计算每100 m钻孔平均瓦斯抽采纯量qct，并结合组内钻孔的平均抽采时间t形成测定数组(t，qct)。钻孔间距2m时钻孔百米瓦斯流量随抽采时间的变化曲线如图1所示。

图1 2 m组钻孔百米瓦斯流量随抽采时间的变化曲线

通过对2m组瓦斯流量点的拟合，得出钻孔瓦斯抽采量qct和瓦斯抽采量衰减系数β符合负指数关系，即2m组：

qct=qc0e-βt=0.17781e-0.02615t

(1)

式中：qc0——100m钻孔初始瓦斯抽采量，m3/(min·hm)；

qct——抽采时间t下每100 m钻孔平均瓦斯抽采量，m3/(min·hm)；

β——钻孔瓦斯抽采量衰减系数，d-1；

t——钻孔内平均瓦斯抽采时间，d。

将钻孔间距为3 m、4 m的瓦斯抽采纯量与各时间点拟合，得出钻孔瓦斯抽采量qct和瓦斯抽采量衰减系数β符合负指数关系，即：

3m组：qct=0.20816e-0.0213t

(2)

4m组：qct=0.26272e-0.01706t

(3)

通过对以上百米钻孔瓦斯抽采量数据与时间的关系分析可知，不同长度的钻孔瓦斯抽采量与时间成负指数关系；羽状钻孔瓦斯抽采量衰减系数β在0.0170～0.0262d-1之间，钻孔长度越长的钻孔瓦斯抽采量衰减系数β越大。

2.1 抽采钻孔不同间距瓦斯抽采量与时间关系

对钻孔瓦斯流量在时间上积分可以得到不同抽采时间内的抽采总量，即对式(1)积分，可以得到任意时间t内钻孔瓦斯抽采总量Q抽。不同间距组钻孔任意时间t内钻孔瓦斯抽采总量Q抽情况如图2所示。

图2 不同间距组钻孔瓦斯抽采总量随抽采时间的变化曲线

对不同时间内钻孔抽采特征曲线进行拟合，得出一定抽采时间内瓦斯抽采的总量为：

2 m组：Q抽=qc0×(1-e-βt)

=20646(1-e-0.02821t)

(4)

3 m组：Q抽=qc0×(1-e-βt)

=28891(1-e-0.02368t)

(5)

4 m组：Q抽=qc0×(1-e-βt)

=35573(1-e-0.02136t)

(6)

式中：Q抽——t时间内瓦斯抽采总量，m3。

由图2可知，不同钻孔间距具有不同的瓦斯抽采量衰减系数和极限瓦斯抽采量，间距为2 m组钻孔的瓦斯抽采量衰减系数为0.02821 d-1，极限瓦斯抽采量为20646 m3；间距为3 m组钻孔的瓦斯抽采量衰减系数为0.02368 d-1，极限瓦斯抽采量为28891 m3；间距为4 m组钻孔的瓦斯抽采量衰减系数为0.0213 d-1，极限瓦斯抽采量为35573 m3；随着钻孔间距的增加，钻孔瓦斯抽采衰减系数随之减小。

2.2 抽采钻孔瓦斯抽采率与时间的关系

瓦斯预抽率是衡量钻孔预抽煤层瓦斯效果的主要指标，是指在一定抽采时间下某一范围内钻孔瓦斯抽出量与该范围内煤层瓦斯储量之比，计算公式为：

(7)

式中：η——钻孔瓦斯预抽率，%；

Q抽——t时间内钻孔抽出纯瓦斯量，m3；

L——钻孔控制范围，m；

l——抽采钻孔平均长度，m；

M0——平均煤厚，取5.5 m；

r——煤的密度，取1.42 t/m3；

W0——煤层原始瓦斯含量，取实测值12.66 m3/t。

通过对寺家庄矿不同钻孔间距布置情况下回采工作面瓦斯抽采率的统计，得出瓦斯抽采率与时间的变化关系，如图3所示。

不同间距钻孔瓦斯抽采率与时间的关系通过曲线拟合表述如下：

2 m组：η=37.47(1- e-0.028 t)

(8)

3 m组：η=37.38(1- e-0.023 t)

(9)

4 m组：η=27.91(1- e-0.021 t)

(10)

通过对以上抽采钻孔瓦斯抽采率与抽采时间的关系分析可知：

(1)在钻孔有效抽采时间内，当抽采时间相同时，钻孔间距越小，预抽率越高。就是说，对不同间距的钻孔而言，要达到相同的预抽率，间距大的钻孔所需时间长，间距小的钻孔所需时间短。

图3 不同间距抽采钻孔瓦斯抽采率与时间的关系曲线

(2)预抽率随时间延长有整体增加的趋势，但增加的速度逐渐减小；对于一定间距的钻孔组而言，当抽采时间达到某一值时，抽采率的变化与抽采时间的延长无关，即存在一个合理预抽时间的概念，在时间无限大的情况下，不论在何种钻孔间距下，同一煤层其极限抽采率都是相同的。

2.3 回采工作面预抽钻孔抽采半径的确定

(1)15203工作面为煤与瓦斯突出工作面，要进行生产必须达到《防治煤与瓦斯突出规定》的消除突出危险的要求。15203工作面巷道实测瓦斯含量为12.66 m3/t，要消除突出危险，必须使瓦斯含量降至8 m3/t以下，据此可确定寺家庄矿15203工作面的目标预抽率为36.8%。

通过瓦斯抽采率与时间的关系曲线可以计算出当煤体消除突出危险时2 m组、3 m组及4 m组钻孔所需要的抽采时间分别为195 d、290 d和495 d。

(2)抽采半径是影响瓦斯抽采效果的重要因素，直接关系到预抽钻孔密度和预抽时间的长短。准确地测定顺层钻孔的瓦斯抽采有效影响半径对矿井的瓦斯抽采工作起着至关重要的作用。

为了更好地指导实际的矿井生产工作，根据考察的抽采参数与抽采达标的时间确定瓦斯抽采达标时抽采半径及预抽时间之间的关系，如图4所示。

由2 m组、3 m组及4 m组钻孔抽采到目标抽采率时的时间关系可以得出寺家庄矿的抽采半径与时间为指数关系：

T=69.94×1.63r

(11)

式中：T——达到目标抽采率所需要的时间，d；

r——抽采半径，m。

图4 达标时的抽采半径与抽采时间的关系曲线

3 结论

(1)在钻孔有效抽采时间内，当抽采时间相同时，钻孔间距越小，预抽率越高。就是说，对不同间距的钻孔而言，要达到相同的预抽率，间距大的钻孔所需时间长，间距小的钻孔所需时间短。

(2)预抽率随时间延长有整体增加的趋势，但增加的速度逐渐减小；对于一定间距的钻孔而言，当抽采时间达到某一值时，抽采率的变化与抽采时间的延长无关，即存在一个合理预抽时间的概念，在时间无限大的情况下，不论在何种钻孔间距下，同一煤层的极限抽采率都是相同的。

(3)根据允许预抽时间的长短，由T=69.94×1.63r可得出合适的抽采半径，为科学布置预抽钻孔提供依据，保障矿井采掘抽平衡。这一成果对现场生产实践意义重大，可以在类似矿井进行推广应用。

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(责任编辑 张艳华)

Investigation study on drainage radius of pre-extraction boreholes at mining work face of Sijiazhuang Mine

Yu Baozhong

(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 454003, China)

Experimental schemes with different distances between drainage boreholes at mining work face in Sijiazhuang Mine inspected the drainage radius of pre-extraction boreholes and figured out that when the effective drainage time was the same, the smaller borehole distance indicated higher pre-extraction rate. The pre-extraction rate increased with time, but the rate of increase decreased gradually. For boreholes with certain distance, there was no correlation between pre-extraction rate and drainage time when drainage time reached a certain value, which means there exists the concept of reasonable pre-extraction time. According to the length of allowable pre-extraction time and related formula, suitable drainage radius could be calculated and provided guidance for scientific layout of pre-extraction boreholes, guaranteeing the balance between mining, driving and drainage.

gas drainage, drainage radius, pre-extraction rate, drainage time

国家科技重大专项(2016ZX05067001-004)，国家自然科学基金(51374236)

于宝种. 寺家庄矿回采工作面预抽钻孔抽采半径考察研究[J].中国煤炭，2017,43(7)：139-142. Yu Baozhong. Investigation study on drainage radius of pre-extraction boreholes at mining work face of Sijiazhuang Mine[J]. China Coal, 2017，43(7):139-142.

TD712

A

于宝种(1984-)，男，河北黄骅人，助理研究员，硕士，研究方向为矿井瓦斯防治。