消除鉆孔瓦斯抽采盲區空白帶的布孔方式研究

李 普，張小東，覃木廣

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000； 2.鄭煤集團公司，河南 鄭州 450042； 3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454000； 4.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 5.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著我國煤礦采掘深度的不斷延伸、高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井數量的增加，瓦斯制約煤礦安全生產的程度越來越大。在煤礦井下瓦斯治理中，抽采鉆孔預抽煤層瓦斯技術被廣泛應用[1]，瓦斯抽采效果主要和抽采鉆孔的布孔方式有關，因而在瓦斯抽采前合理地布置抽采鉆孔顯得至關重要[2-4]。在考察鉆孔布置參數對瓦斯抽采效果的影響方面，取得了較多的研究成果。周厚權等[5-9]從瓦斯抽采鉆孔漏氣類型、鉆孔參數設計等角度進行了大量的對比研究，提出了高效封孔技術，通過加強瓦斯抽采過程標準化管控，達到了提高瓦斯抽采效果的目的；王維忠等[10-13]研究了鉆孔抽采時間、鉆孔間距與瓦斯抽采有效影響半徑之間的關系，表明抽采鉆孔布置間距減小到一定合理范圍內可消除抽采盲區空白帶，同時對開采期間煤與瓦斯突出危險性也有一定緩解作用。但是在具體實施過程中由于井下煤層范圍較廣，鉆孔間距減小后，鉆孔布置工作量會大幅度增加，因而需要進行對比分析選擇合適的布孔方式。徐青偉等[14-16]在一定對比基礎上提出了新的鉆孔布置方式，這種模式下相應的盲區空白帶被有效地消除，且對應的抽采鉆孔的孔數也沒有明顯增加，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化確定抽采鉆孔時間效應、鉆孔位置等抽采參數，對鉆孔的抽放時間、抽放位置相關的參數進行模擬分析并優化參數。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鍵因素。鑒于此，筆者對典型布孔方式進行分析，定量地比較分析典型布孔方式下鉆孔的有效控制面積、重復抽采區域面積，并通過現場驗證，以期篩選出最優的布孔方式。

1 典型布孔方式分析

利用底板巖巷施工穿層鉆孔預抽煤層瓦斯的措施是多數不具備保護層開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。通過對典型穿層鉆孔布孔方式進行分析，從而確定最優的鉆孔布置方式。

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形成抽采盲區空白帶?！胺礁瘛辈伎追绞饺鐖D1所示。

“方格”布孔方式空白帶面積為：

(1)

1.2 三花眼布孔方式

可通過不同的方式消除“方格”布孔方式瓦斯抽采盲區空白帶，目前應用比例較高的為三花眼布孔方式。這種方式就是在“方格”布孔方式的盲區空白帶的中心施工一個抽采鉆孔，進而對此區域的瓦斯進行抽采。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抽采區域面積為：

S重復=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空白帶，但是也會導致重復抽采問題，同時對應的鉆孔工程量也明顯增大，單個鉆孔的瓦斯抽采濃度都有一定幅度下降，瓦斯抽采效率會受到影響。

1.3 優化后的正方形布孔方式

圖3 優化后正方形布孔方式

經計算，圖3中陰影部分即重復抽采區域面積為：

S重復=4S扇形AEF-S正方形ABCD

(4)

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

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抽采區域面積明顯減少，但依然存在面積較小的抽采盲區空白帶。

經計算，圖4中相鄰四孔重復抽采區域面積為：

S重復=4(S扇形AHG-S三角形AEG)

(5)

相鄰四孔重復抽采區域的面積也可表示為：

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

(6)

相鄰四孔控制區域中抽采盲區空白帶的面積為：

(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空白帶，且重復抽采區域的面積較小，能滿足現場瓦斯治理需要。

圖5中相鄰四孔A、B、C、D控制區域中重復抽采區域面積為：

S重復=12SEFG=12(S扇形EDG-S三角形EDF)

(9)

由此可得：

S重復=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、重復抽采區域面積，以及抽采盲區空白帶面積計算結果如表1所示。

表1 典型布孔方式下鉆孔有效控制面積、重復抽采區域面積及抽采盲區空白帶面積計算結果

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空白帶，不符合《防治煤與瓦斯突出細則》要求，存在安全隱患，不適合現場使用；三花眼布孔方式、優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空白帶的問題，能夠滿足瓦斯治理要求。

2)在鉆孔數量相同的情況下，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 現場應用及效果分析

在鄭州礦區告成煤礦25031開切眼底抽巷開展3種布孔方式下瓦斯抽采效果對比研究。

3.1 試驗地點及鉆孔布置

25031開切眼設計工程量240 m，平均煤厚為5.5 m，實測煤層瓦斯含量為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。本次試驗將25031開切眼分為3個試驗區，3個試驗區面積均為長×寬=80 m×64 m=5 120 m2，3個試驗區分別按照三花眼、優化后正方形和等邊三角形布孔方式布置鉆孔。為對比分析各布孔方式下的抽采效果，將孔板流量計安裝在3種布孔方式對應的瓦斯抽采支管上，在試驗過程中對瓦斯濃度和抽采流量相關參數進行檢測，然后對比分析各種布孔方式的抽采效果。

3.2 單位長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比分析，設定單位長度巷道鉆孔工程量指標來衡量鉆孔工程量，鉆孔工程量和鉆孔施工成本呈正相關關系，可通過此參數衡量鉆孔施工效益。在實際施工中，相應的鉆孔量較大，在每個試驗區均選取相鄰2列鉆孔為例，統計鉆孔施工長度如表2所示。

表2 試驗區鉆孔施工長度

由表2統計得到3種布孔方式下對應試驗區域累計鉆孔施工長度。再根據式(11)求得每掘進單位長度巷道所需的鉆孔工程量：

(10)

式中：H為每掘進1 m長度巷道所需的鉆孔工程量，m/m；lj為試驗區塊第j個鉆孔的長度，m；L為試驗區塊掩護巷道長度，m；r為試驗區塊鉆孔總數量。

不同布孔方式下所需鉆孔工程量計算結果如表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

在試驗過程中為滿足數據的對比要求，對不同區域鉆孔結束后25 d內的全部瓦斯抽采數據進行統計分析，確定出抽采瓦斯濃度(CH4體積分數)分布圖，如圖6所示。

圖6 不同布孔方式下抽采瓦斯濃度與抽采時間的關系

由圖6可知，各抽采時間下相應的抽采瓦斯濃度波動范圍為14.9%～52.0%，抽采瓦斯濃度波動與抽采負壓變化有關。增加抽采時間后，各布孔方式抽采瓦斯濃度都有一定幅度降低，其中優化后正方形布孔方式下瓦斯濃度呈現明顯的波動。對比分析可知，等邊三角形布孔方式下瓦斯濃度下降的速度最慢，且較平穩，由此可判斷這種布孔方式下鉆孔間距不會明顯影響到抽采速度。

根據不同布孔方式下的瓦斯混合流量和總孔數，代入公式計算出不同抽采時間下相應的單孔日抽采瓦斯純量均值，結果如圖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間關系

由圖7可知，延長抽采時間后，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，優化后正方形布孔方式和等邊三角形布孔方式在25 d內都未出現大幅度降低。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”，這對瓦斯抽采會產生不利的影響。在此過程中為對比分析各種布孔方式下的瓦斯抽采效果，代入監測數據確定不同布孔方式下25 d內的單孔抽采平均瓦斯濃度，具體數值如表4所示。

表4 不同布孔方式下單孔抽采25 d內的平均瓦斯數據

由表4可知，在抽采25 d期間內，優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化后正方形布孔方式，最差的為三花眼布孔方式。結合上述典型布孔方式下瓦斯抽采效果對比分析結果，以及現場試驗掩護巷道所需鉆孔工程量，最終確定在煤礦井下底抽巷中優選等邊三角形布孔方式布置穿層鉆孔。

4 結論

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的問題，能夠滿足煤礦瓦斯治理和防突的要求。

2)在鉆孔數量相同的情況下，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度鉆孔工程量最大，最小的為等邊三角形布孔方式。對比分析鉆孔瓦斯抽采25 d數據發現，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，優化后正方形布孔方式的效率最高。

4)對比分析現場試驗和典型布孔方式的相關數據，最終確定在告成煤礦25031開切眼底抽巷進行瓦斯抽采時，等邊三角形布孔方式最合適，可更好地滿足綜合要求。