瓦斯抽采半径确定方法的研究与应用*

张盈盈，郭　巍，邢纪伟

（1.吕梁学院 矿业工程系，山西吕梁033001；2.太原理工大学 矿业工程学院，太原030024）

瓦斯抽采半径确定方法的研究与应用*

张盈盈1，郭巍1，邢纪伟2

（1.吕梁学院 矿业工程系，山西吕梁033001；2.太原理工大学 矿业工程学院，太原030024）

摘要：矿井瓦斯抽采设计过程中，抽采半径是其中的主要技术指标之一。针对抽采半径难以准确确定的难题，对抽采半径的确定方法进行了详细分析，明确了不同方法的理论依据、操作步骤与注意事项。以具体矿井为研究与应用基础，通过现场试验测定和数值模拟相结合的方法，准确确定出了矿井的抽采影响半径和有效抽采半径，为矿井的抽采设计和现场操作提供了可靠的依据。

关键词：瓦斯抽采；抽采半径；压降指标法；试验测定；数值模拟

瓦斯灾害是影响矿井正常生产的重要灾害之一，而瓦斯抽采则是最有效的矿井瓦斯治理手段之一，能够有效降低瓦斯涌出量，减小瓦斯爆炸可能，防治煤与瓦斯突出［1］。瓦斯抽采钻孔之间的间距，也就是瓦斯钻孔抽采半径，是瓦斯抽采时的重要参数。如抽采半径偏大，则会有抽采盲区形成，反之如抽采半径偏小，则抽采时的经济效益偏低，造成资源的浪费。因此，根据现场的实际情况合理选择抽采方式及确定最佳的抽采钻孔半径，能够形成最佳的经济效益以及抽采效果，对于矿井的瓦斯抽采工作有重大的现实意义［2］。

1　钻孔抽采半径的定义

根据瓦斯的抽采程度，钻孔抽采半径可以分为有效抽采半径和抽采影响半径，见图1。

图1　钻孔抽采半径示意图

1.1瓦斯抽采有效半径

在抽采过程中，以抽采钻孔为中心，在一定的半径范围内，经过规定的时间，瓦斯的含量或者压力降低到了规定许可值的范围，则该半径就称为瓦斯抽采有效半径。瓦斯抽采有效半径受多种因素的影响，主要包括煤层的透气性系数、瓦斯压力、吸附性能以及钻孔的抽采负压、抽采时间等［3-4］。

1.2瓦斯抽采影响半径

在抽采过程中，规定时间内煤层内的瓦斯压力开始下降的位置到瓦斯抽采钻孔中心位置的距离称为瓦斯抽采影响半径。

2　瓦斯抽采钻孔半径测定方法及界定指标

钻孔抽采半径的测定目前尚无规范的标准，一般采用直接测定法和间接计算法两种方式［5-6］。而目前主流的钻孔测试法及计算机模拟法则分别对应直接测定法和间接计算法。

在钻孔抽采半径的界定上，钻孔测试法国内外采用的界定指标主要有以下几种：瓦斯压力指标［7］、压降指标、瓦斯含量指标［8-9］、钻屑解吸指标。计算机模拟法［10-13］采用的界定指标主要有瓦斯压力指标和相对瓦斯压力指标。

1）钻孔测试法：以瓦斯抽采影响半径为中心，从中心至外围，瓦斯压力及瓦斯含量是不断减少的，同时瓦斯涌出量也是不断减少的。在抽采钻孔周边不同距离布置测试钻孔，通过测定测试钻孔内瓦斯压力、瓦斯涌出量或打钻过程中钻屑解吸指标值的变化，即可确定钻孔的有效抽采半径。

2）计算机模拟法：基于瓦斯渗流基本定律-达西定律，利用数值模拟软件建立了钻孔瓦斯流动模型，设立了一个求解程序，模拟了钻孔内瓦斯流动规律和瓦斯气体压力分布规律，通过分析孔周煤体瓦斯压力的变化，进而确定钻孔有效抽采半径。

2.1瓦斯压力指标法

利用瓦斯压力指标法测定瓦斯有效抽采半径的具体操作方法如下：

在井下选取合适的位置，在煤层中打一排测压钻孔，对这些钻孔进行压力测定，具体的布置方式见图2，编号2、3、…、n均为测压钻孔，相邻钻孔之间的距离分别用d2、d3、…、dn来表示。在操作过程中，首先对测压孔进行封孔测压，待压力稳定后在测压孔2的一侧打抽采孔1，利用抽采孔1进行瓦斯抽采，在抽采的过程中观测测压孔压力的变化。在钻孔1进行抽采的过程中，部分测压孔的瓦斯压力会逐渐降低，如果某个测压孔a以及该孔之前的与抽采孔1更近的所有测压孔的瓦斯压力均小于规定的预抽瓦斯的有效性指标，那么此钻孔与抽采钻孔1之间的距离就是钻孔瓦斯抽采有效半径d，d=d1+d2+d3+…+da-1。

图2 钻孔布置图

2.2压降指标法

2.2.1压降指标法原理

利用抽采钻孔进行瓦斯预抽采时，煤体内的瓦斯受抽采负压和瓦斯压力的作用，由煤层向钻孔运移，形成了一个以抽采钻孔为中心的近似圆形的抽采影响圈，计算出来的抽采影响圈的半径就是所求的钻孔影响半径。在规定的时间内进行瓦斯抽采，钻孔抽采瓦斯的有效影响范围就是瓦斯抽采的有效半径。利用瓦斯抽采钻孔进行抽采的过程中，随着抽采时间的延长，抽采影响半径会逐渐增大，直至钻孔抽采负压和煤层瓦斯压力不足以克服瓦斯运移的阻力为止。随着抽采时间的延长，在钻孔的抽采影响圈的范围内，瓦斯压力会逐渐减低，在影响圈内打一些测压钻孔，记录下影响圈内的测压钻孔的压力变化，通过压力变化得到钻孔有效抽采半径。

2.2.2压降指标法确定抽采半径的相关界定值

我国的《煤矿安全规程》第一百九十条对瓦斯抽采进行了相关规定：煤层进行瓦斯预抽采之后，瓦斯的预抽采率必须大于30%，即煤层的瓦斯含量预抽采后与预抽采前相比至少降低30%。

在对煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间的关系进行研究的工程实践中，瓦斯压力不是很大的情况下，煤层的瓦斯含量和瓦斯压力满足以下抛物线模型关系。

式中：X为煤层的瓦斯含量，m3/t；α为煤层瓦斯含量系数，m3/（t·M1/2Pa1/2）；p为煤层的瓦斯压力，MPa。

2.2.3压降指标法确定钻孔抽采影响半径

利用抽采钻孔进行瓦斯预抽采的过程中，在抽采影响圈的范围内，煤层内的瓦斯不断向钻孔涌出，煤层内的瓦斯含量相应地降低。人们规定，当钻孔周围的瓦斯含量降低10%时，则表明该位置处于抽采钻孔的影响范围内，根据式（1）中瓦斯含量与瓦斯压力之间的抛物线关系，此时煤层的瓦斯压力下降了19%。在工程实例中，瓦斯抽采影响半径的确定方法如下：对测压孔进行封孔测压，待压力稳定后利用抽采钻孔进行瓦斯抽采，在抽采过程中，将测压孔压力降低19%以上的所有钻孔视为抽采影响范围内的钻孔，距离抽采孔最远的抽采影响范围内的测压钻孔中心线到抽采孔中心线的距离即为抽采影响半径。

2.2.4压降指标法确定钻孔的有效抽采半径

根据上文对煤层瓦斯的预抽采率必须大于30%的要求，对于钻孔有效抽采半径定义为在该半径范围内，煤层的瓦斯含量降低30%以上，即煤层残存瓦斯含量降低到原来的70%以下。依据式（1）给出的瓦斯含量与瓦斯压力的抛物线关系，在有效抽采半径内，煤层的瓦斯压力至少下降51%。因此，在工程实践中，确定有效抽采半径的具体方法如下：对测压孔进行封孔测压，待压力稳定后利用抽采钻孔进行瓦斯抽采，在抽采过程中，将测压孔压力降低51%以上的所有钻孔视为有效抽采半径内的钻孔，距离抽采孔最远的有效抽采半径内的测压钻孔中心线到抽采孔中心线的距离即为有效抽采半径。

2.3瓦斯含量指标法

用瓦斯含量指标测定钻孔抽采半径的具体方法是：首先在煤层打一排测压孔，见图2，封孔测压，同时按煤层破坏结构分层采取一定的新鲜煤样，并进行煤的工业分析和吸附常数测定。当压力稳定后在2号孔一侧打抽采钻孔，为1号孔，并在1号孔进行抽采，定期观察测压孔的瓦斯压力，同时根据每个测压孔的煤样参数以及对应的瓦斯压力，用计算公式得出该点的煤岩的瓦斯含量量X2、X3、…、Xn。

如果a（a=2、3、…、n）号孔及其之前的测压孔的瓦斯含量与原始含量相比下降30%以上，而a号孔之后的测压孔的瓦斯含量比原始含量下降30%以下，那么d=d1+d2+d3+…+da-1，就是钻孔的有效抽采半径。

2.4钻屑解吸指标法

如前所述，在瓦斯钻孔抽采影响圈范围内，煤层的瓦斯压力和瓦斯含量会逐渐降低，对应的钻屑瓦斯解吸指标值也会有所下降。在抽采钻孔周围不同距离布置测试钻孔，通过测定分析测试钻孔打钻过程中钻屑解吸指标值的变化，即可确定钻孔抽采半径。

3　工程应用

3.1矿井概况

常村煤矿是山西潞安集团所属的大型矿井，以往该矿开采区域煤层瓦斯含量及瓦斯压力较低，随着回采工作面的推进，在井田范围内逐步出现了高瓦斯区域。为了实现经济、高效抽采瓦斯，提高抽采钻孔设计和施工的合理性与准确性以及准确测定有效抽采半径是一项重要的基础工作。本文对常村煤矿3号煤层抽采半径进行现场实测及数值模拟研究，以便为矿井本煤层预抽瓦斯钻孔的合理设计提供理论依据，并为矿井瓦斯抽采提供可靠的技术保障，从而为瓦斯治理提供一种切实有效的方法。

3.2压降指标法现场实测

此次采用压降指标法测量抽采半径，钻孔的具体布置方式见图3。首先布置1号和2号测压钻孔，二者之间的距离为2.7 m，对二者进行封孔测压，最后1号和2号测压孔的压力最终稳定在了0.62 M P a和0.50M P a。待1、2号测压钻孔压力稳定后，在二者之间施工一个孔深40 m，钻孔直径φ94 mm的1号抽采孔，与1、2号测压孔平行布置，距离二者的距离分别为1.2m和1.5 m。

图3　压降指标法确定抽采半径钻孔布置示意图

1号钻孔施工完成后，接入抽采系统，在抽采负压为9 kPa～10 kPa的情况下，进行瓦斯抽采，抽采过程中1号和2号测压钻孔的瓦斯压力变化见图4和图5。

1号抽采孔在抽采负压为9 kPa～10 kPa的情况下，抽采30 d，由图4和图5中1号和2号测压孔的瓦斯压力的变化曲线可以看出：经过30 d的抽采，1号测压孔的瓦斯压力由最初稳定时的0.62 M P a下降到最终的0.45M P a，2号测压孔的瓦斯压力由最初稳定时的0.50 MPa下降到最终的0.45 M P a，下降的比例分别为最初稳定时的25%和10%。由上面提到的瓦斯抽采影响半径确定的指标，1号测压孔在抽采影响半径内，2号测压孔不在抽采影响半径内，则抽采影响半径R的取值为：1.2 m＜R＜1.5 m。

图4　1号孔抽采过程中1号测压孔瓦斯压力变化

图5　1号孔抽采过程中2号孔瓦斯压力变化

通过抽采影响半径范围进而确定有效抽采半径大小。1号钻孔的瓦斯压力下降了25%，2号与1号钻孔的距离为1.2m，则有效抽采半径r＜1.2 m。将1号钻孔进行密闭，在1号测压孔的水平左侧约1m处施工孔深40m，钻孔直径φ94mm的2号抽放孔。施工图见图6。

图6 2号钻孔布置示意图

将2号钻孔接入到抽采系统中，在抽采负压为9 kPa～10 kPa的情况下，抽采10 d，抽采过程中，1号测压孔的压力变化曲线见图7。1号测压孔的压力由0.45MPa下降到0.05Mpa，下降率为88.9%。

由图7可以得出，2号抽采孔在抽采时间为10天、抽采负压为9 kPa～10 kPa的情况下，钻孔有效抽采半径r＞1m。

图7　2号抽采孔抽采时1号测压孔瓦斯压力变化

由上述实验可以得出以下结果：常村煤矿在抽采钻孔孔深40m、钻孔直径φ94mm、抽采时间30 d、抽采负压9 kPa～10 kPa的参数情况下，瓦斯抽采影响半径R为：1.2m＜R＜1.5m，钻孔的有效抽采半径r为：1.0 m＜r＜1.2m。

3.3钻孔抽采半径数值模拟分析

利用FLAC3D数值模拟软件对抽采钻孔进行模拟［10］。

3.3.1数值模型的几何条件

数值模型以潞安常村矿试验区3号煤层赋存条件为基础建立，数值模型尺寸尽可能按照现场实际尺寸确定。模型共划分网格单元26 500个，节点28 250个。水平向右为X轴正方向，沿煤层走向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，整个模型范围大小为30 m×40 m×18 m。模型中钻孔直径为φ94mm。所建数值模型见图8。

图8　整体数值模型网格图

3.3.2孔周瓦斯压力分布计算结果

图9和图10分别为钻孔周围瓦斯压力分布剖面图与瓦斯压力曲线。

图9　钻孔周围瓦斯压力剖面图

图10　钻孔周围瓦斯压力曲线分布图

3.3.3数值模拟结果分析

在煤层瓦斯抽采钻孔附近的一定范围内，由于钻孔抽采负压存在，煤层内部与钻孔之间存在一定的瓦斯压力梯度，钻孔附近煤体中的瓦斯在压力梯度作用下向钻孔内涌出，形成瓦斯径向流动场，煤层中瓦斯含量逐渐减少，压力降低。计算结果表明，在距抽采钻孔中心约1.1m～1.4m处，瓦斯压力降低明显；在距抽采钻孔中心约1.1 m处，瓦斯压力由原来的0.62 MPa下降至0.31MPa以下，下降了51%以上。

4　结论

1）利用压降指标法对常村煤矿抽采半径进行现场实测，确定出抽采孔直径为φ94 mm、负压约为9 kPa～10 kPa、抽采30 d的条件下，钻孔抽采的影响半径为1.2 m＜R＜1.5 m，有效的抽采半径为1.0 m＜r＜1.2 m。

2）利用FLAC3D数值模拟软件对常村煤矿抽采半径进行模拟得出，距钻孔中心1.1m～1.4m处，瓦斯压力开始下降；在距抽采钻孔中心约1.1 m处，瓦斯压力由0.62MPa下降至0.31MPa以下。

3）通过对常村矿瓦斯抽采半径的研究，为矿井的抽采设计和现场应用提供了可靠的依据。

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（编辑：李森森）

中图分类号：TD72

文献标识码：A

文章编号：1672-5050（2016）03-005-05

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.06.002

收稿日期：2015-12-12

基金项目：吕梁学院自然科学基金（ZRXN201407）

作者简介：张盈盈（1985-），女，河南灵宝人，博士，助教，从事矿井通风安全方向的研究。

Research and App lication of Determ ining Technology of Gas Drainage Radius

ZHANG Yingying1,GUOW ei1,XING Jiwei2
（1.Departmentof Mining Engineering，Lvliang University，Lvliang 033001，China；2.College ofMining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：Drainage radius，asoneofmajor technical indicators in gas drainage design，isdifficult to be determined.Therefore，the determiningmethod was studied in details and the theoretical foundation，operating steps，and precautions were pinpointed.Taking a specific mine as the basis of research and practice，field testand numerical simulation are combined to determine themining influential radius and effective drainage radius，which could provide a reliable foundation for the drainage design and field operation.

Keywords：gas drainage；extracting radius；index method of pressure drop；test determination；numericalsimulation