瓦斯抽放鉆孔布置間距的優(yōu)化方法

瓦斯抽放（Gas drainage）也稱可燃?xì)獬榉?，是一種常見的工業(yè)活動(dòng)。多采用專用設(shè)備把煤層、巖層和采空區(qū)中的瓦斯抽出或排出，以提升作業(yè)安全。瓦斯抽放需要鉆孔進(jìn)行，過多的鉆孔不利于保證經(jīng)濟(jì)性和工作效率，鉆孔過少則無法保證抽放效率，設(shè)法在現(xiàn)有基礎(chǔ)上優(yōu)化瓦斯抽放鉆孔的布置間距十分必要。
　　1 常見瓦斯抽放鉆孔布置間距優(yōu)化方法
　　1.1 衰減分析法
　　此前各地每款進(jìn)行瓦斯抽放時(shí)，精細(xì)化程度不高，為保證安全性往往進(jìn)行多孔抽放，降低了經(jīng)濟(jì)性。以衰減分析法為支持，強(qiáng)調(diào)根據(jù)若干鉆孔中的信息判斷地下瓦斯分布態(tài)勢，根據(jù)其衰減規(guī)律，獲取理想的鉆孔方案。因瓦斯在地下一般處于緩慢移動(dòng)狀態(tài)，衰減分析法雖有誤差，但差異不大，科學(xué)性和客觀性均比較理想[1]。以A表達(dá)目標(biāo)孔內(nèi)的瓦斯流量，以B表達(dá)瓦斯流量的初始數(shù)值，以x表達(dá)衰減系數(shù)，可獲取衰減分析的基本公式：
　　A=xB
　　實(shí)際工作中，還應(yīng)考慮瓦斯在階段時(shí)間內(nèi)的抽取量，以C表達(dá)抽取量，以Q表達(dá)鉆孔的深度，以m表達(dá)抽放時(shí)間，可進(jìn)一步獲取衰減分析的計(jì)算公式：
　　C=（1440/100）Q*Am
　　式中的1440/100均為分析常數(shù)，可不予更換。該方式下，C值越大，鉆孔間距應(yīng)對應(yīng)減少，以N表達(dá)鉆孔間距，可代入實(shí)測值，結(jié)合瓦斯?jié)舛鹊木唧w信息，獲取鉆孔基數(shù)，C每增加10%，鉆孔間距縮小4%-5%。
　　1.2 對比測試法
　　對比測試法，是較早應(yīng)用于瓦斯抽放鉆孔布置間距優(yōu)化的方法之一，要求設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)孔、若干測試孔，標(biāo)準(zhǔn)孔與測試孔的基礎(chǔ)距離為3m，所有測試孔圍繞標(biāo)準(zhǔn)孔圓弧狀布置。每一個(gè)測試孔處放置一個(gè)氣壓儀，同步完成鉆孔后，同時(shí)開放瓦斯抽放作業(yè)，根據(jù)氣壓儀數(shù)值，判斷最佳布置間距。該方法的優(yōu)勢在于原理簡單，且廣泛適用于所有測試地點(diǎn)，但存在一定的人為誤差，而且所選的測試孔無法保證測試結(jié)果為最佳，如地下瓦斯?jié)舛却?，可能所選測試孔獲取的壓力值均較高，此時(shí)仍需要進(jìn)行二次甚至多次測試。以A代表標(biāo)準(zhǔn)孔，以1、2、3代表三個(gè)測試孔，間隔分別為3.0m、3.5m、4.0m。在一般情況下，三組氣壓將呈現(xiàn)階梯狀分布，即1號孔氣壓最大、其次為2號孔，三號孔氣壓最小，可根據(jù)抽取標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，選取與理想值最接近的距離，作為瓦斯抽放鉆孔布置間距。
　　1.3 虛擬參數(shù)分析法
　　虛擬參數(shù)分析法是一種借助計(jì)算機(jī)建模分析的技術(shù)，利用數(shù)學(xué)分析軟件進(jìn)行工作，常用軟件為MATLAB[2]。依托該軟件進(jìn)行工作的基礎(chǔ)，是獲取一部分標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵參數(shù)，包括煤層厚度、瓦斯流動(dòng)速度、某一測試孔處瓦斯的抽放信息等，這些參數(shù)經(jīng)核準(zhǔn)后，可將其代入MATLAB中，軟件首先默認(rèn)瓦斯抽排效率具有線性特點(diǎn)，即隨著時(shí)間推移，抽排總量將出現(xiàn)下降，且為規(guī)律性下降，同時(shí)瓦斯流速也將呈現(xiàn)線性變化特點(diǎn)，是隨著殘余量減少，流速會(huì)出現(xiàn)增加。利用上述兩個(gè)線性數(shù)據(jù)之間的差異，可獲取單位時(shí)間抽取瓦斯的數(shù)目，推算目標(biāo)地點(diǎn)剩余瓦斯的數(shù)目，應(yīng)瓦斯總量在階段時(shí)間內(nèi)幾乎是不變的，推算所獲結(jié)果也往往較為客觀和準(zhǔn)確，之后根據(jù)推算結(jié)果和瓦斯抽放要求，確定瓦斯抽放鉆孔布置間距。該技術(shù)對操作、參數(shù)收集的要求比較高，如果測試地點(diǎn)地形、地下情況復(fù)雜，可能難以獲取全面的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
　　2 實(shí)例分析
　　西南某地區(qū)進(jìn)行煤層開采作業(yè)，開采作業(yè)前勘測發(fā)現(xiàn)煤層內(nèi)存在瓦斯氣體，擬通過鉆孔抽樣保證作業(yè)安全，同時(shí)提升瓦斯的利用效益。煤層平均厚度為14.3m，工作面地質(zhì)條件較為復(fù)雜，存在喀斯特地貌。為保證作業(yè)安全，擬優(yōu)化鉆孔布置間距。技術(shù)人員分別就衰減分析法、對比測試法、虛擬參數(shù)分析法進(jìn)行分析。為避免浪費(fèi)資源和人力，共設(shè)置三處測試孔。
　　將所獲參數(shù)用于虛擬參數(shù)分析法中，結(jié)果上看，不同測試孔的參數(shù)相似，但因選取的區(qū)域不同，虛擬參數(shù)分析法給出的最佳間距為2.4m、5.8m和4.3m，差異十分顯著。改行對比測試法，1號和2號測試孔所獲數(shù)據(jù)相近，計(jì)算獲取最佳間距為3.3m、3.4m。另以衰減分析法進(jìn)行測試，從衰減效率上看，不同測試孔存在區(qū)別，計(jì)算獲取的最佳間距分別為3.4m、3.6m和3.5m。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)所選測試孔地下形式復(fù)雜，影響瓦斯的流動(dòng)，對比測試法的精度不足，而虛擬參數(shù)分析法過于重視目標(biāo)孔自身參數(shù)信息，不適用于當(dāng)?shù)氐孛?，最終選用衰減分析法。確定瓦斯抽放鉆孔布置間距為3.5m。瓦斯抽放作業(yè)完成后，對煤層瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行探測，結(jié)果滿足開采安全標(biāo)準(zhǔn)。
　　3 總結(jié)
　　綜上，瓦斯抽放鉆孔布置間距的優(yōu)化，即要求保證經(jīng)濟(jì)性，也要求保證安全性。目前多見方法包括衰減分析法、對比測試法、虛擬參數(shù)分析法等。不同方法的適用性存在差異，在實(shí)例分析中，三種方法所獲結(jié)果存在少許差異，考慮到開采地點(diǎn)的特殊性，最終選用衰減分析法，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽放鉆孔布置的優(yōu)化。