顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔模式及工程实践

林海飞，季鹏飞，孔祥国，李树刚，窦桂东，李 可

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.煤炭行业西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心，陕西 西安 710054；4.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 710054)

我国大部分矿区煤层瓦斯含量较高，瓦斯灾害防控压力大，制约了矿井安全生产。钻孔预抽煤层瓦斯技术是降低煤层瓦斯含量，预防瓦斯事故发生，实现煤炭安全开采的根本措施。其中，顺层钻孔预抽煤层瓦斯技术在矿井瓦斯治理方面应用效果显著。针对煤层瓦斯赋存的区域性特点，关键是精准确定顺层钻孔布置参数，实现煤层瓦斯定时定点预抽达标，对防治矿井瓦斯灾害具有重要意义。

顺层钻孔预抽煤层瓦斯时的影响因素众多，目前多集中于研究煤层瓦斯压力、抽采负压等单因素对其影响，而实际上各因素间存在交互作用。鉴于此，笔者针对彬长矿区煤层瓦斯赋存特点，采用响应面法设计顺层钻孔参数优化方案，建立含瓦斯煤体流固耦合理论模型，利用COMSOL软件建立三维钻孔预抽模型，研究不同煤层瓦斯赋存条件下布孔参数单因素及交互因素对瓦斯抽采效果的影响规律，并对布孔参数进行优化设计，以期实现煤层瓦斯精准预抽，并形成一套灵活、简单、多选择并且适用于彬长矿区煤层瓦斯赋存特点的顺层预抽钻孔参数选择方法。

1 含瓦斯煤体流固耦合抽采模型

1.1 基本假设

根据煤层瓦斯赋存特点，提出如下假设：① 煤体均质且各向同性；② 煤体骨架变形、孔隙压力及吸附解吸效应引起的变形远小于煤体自身尺度；③ 视煤体为理想线弹性体，应力应变满足广义胡克定律；④ 瓦斯扩散服从Fick定律，渗流服从Darcy定律；⑤ 预抽过程忽略煤体中水分、灰分和赋存温度变化的影响。

1.2 含瓦斯煤体渗透率动态演化方程

渗透率是研究煤体瓦斯运移规律的关键参数之一。瓦斯抽采过程中，煤层原始应力状态被破坏，引起煤体变形，导致孔隙率发生改变。而渗透率与孔隙率相关，任意时刻煤体渗透率可通过Kozeny-Carman方程与孔隙率建立联系。另外，外部应力、孔隙压力和吸附解吸效应均对煤体孔隙产生影响，考虑以上3个因素建立了含瓦斯煤体渗透率动态演化模型：

(1)

式中，为任意时刻煤体渗透率，m；为煤体初始渗透率，m；为任意时刻煤体孔隙率，%；为煤体初始孔隙率，%；为有效应力系数；0为煤体初始体应变；为初始瓦斯压力，MPa；为煤基质体积模量，MPa；为煤体初始吸附应变；为任意时刻煤体的体应变；为任意时刻瓦斯平衡压力，MPa；为任意时刻煤体吸附应变。

1.3 煤体瓦斯扩散渗流控制方程

原始状态煤层瓦斯处于吸附-解吸动态平衡状态，吸附态瓦斯在任意平衡压力时的含量，可由广义Langmuir方程表述为

(2)

式中，为平衡压力时的吸附态瓦斯含量，kg/m；为标况下的瓦斯密度，kg/m；为煤体密度，kg/m；,为Langmuir体积/压力常数，m/kg,MPa。

钻孔预抽煤层瓦斯时原始平衡状态被打破，吸附态瓦斯解吸到煤体微孔隙并在浓度梯度作用下以Fick扩散为主的方式运移到裂隙中；而煤体裂隙中游离态瓦斯在压力梯度作用下以Darcy渗流的方式在裂隙中运移。综合考虑瓦斯扩散与渗流过程，构建了煤体瓦斯运移方程:

(3)

式中，为任意时刻吸附态瓦斯含量，kg/m；为瓦斯扩散系数，m/s；为解吸扩散系数，反映吸附态瓦斯解吸并向裂隙扩散的难易程度，s；为瓦斯摩尔质量，g/mol；为摩尔气体常数，J/(mol·K)；为煤体温度，K；为瓦斯动力黏性系数，Pa·s。

1.4 含瓦斯煤体变形控制方程

外力作用下煤体产生应力应变，瓦斯吸附解吸效应引起煤体膨胀/收缩变形，而孔隙压力作用于孔隙壁同样使煤体变形。根据弹性力学理论，建立考虑有效应力的平衡方程、几何方程和应力应变方程，得到含瓦斯煤体应力-应变关系式为

(4)

式中，为剪切模量，MPa；,，,为,方向位移分量；,为张量标记符号，分别取值1,2,3；为泊松比；为方向瓦斯压力，MPa；为煤体的体积模量，MPa；为方向吸附解吸应变；为方向净体力分量。

通过耦合瓦斯扩散方程、渗流方程和含瓦斯煤体变形方程(式(1)～(4))，再辅以切合实际的初始/边界条件，可得到考虑煤体渗透率动态演化的瓦斯抽采流固耦合理论模型。

2 模拟方案及模拟结果

2.1 模拟方案

..几何模型与定解条件

陕西彬长矿区位于黄陇煤田中部，主采4号煤，煤厚0.15～43.87 m，平均厚度10.64～19.39 m，埋深477.80～995.42 m，平均埋深705.00 m。本次研究共收集大佛寺等8个矿井瓦斯参数。其中，埋深瓦斯含量为1.19～8.32 m/t，透气性系数为0.04～5.34 m/(MPa·d)；瓦斯Langmuir体积、压力常数依次为19.84～23.06 m/t，0.54～0.95 MPa。

根据彬长矿区煤层瓦斯实际赋存特征、开采条件和地应力状态，建立196.0 m×50.0 m×14.0 m的瓦斯预抽三维模型，如图1所示。其中，煤层走向长50.0 m，倾向长196.0 m，煤厚14.0 m；煤层走向方向设置50.0 m×3.5 m的巷道煤壁暴露面，巷道气压设为标准大气压。模拟区域上覆岩层平均容重为24.5 kN/m，依据垂直地应力等于上覆岩层平均容重与煤层埋深之积，计算得煤层垂直地应力为17.28 MPa，即模型顶部施加均布载荷17.28 MPa，模拟上覆岩层应力；模型底部为固定边界，四周为滑动边界，巷道煤壁暴露面为自由边界。煤层布置平行双顺层钻孔(模拟最小抽采钻孔单元瓦斯预抽效果)，孔深180.0 m，封孔长度15.5 m，封孔区域设为内壁不流通边界条件。模型采用自由四面体进行非结构化网格划分，并在钻孔、巷道煤壁处做加密处理，共划分226 124～297 387个网格，网格质量0.517 3～0.535 1。瓦斯预抽模型涉及的物性参数由现场实测、实验室测试所得，具体参数见表1。

图1 煤层瓦斯预抽三维模型Fig.1 3D model of gas pre-drainage in coal seam

表1 煤层物理特性参数

煤层瓦斯含量、透气性系数、抽采负压、钻孔直径和布孔间距5个因素的取值按模拟方案依次设置。

..响应面法模拟方案

响应面分析法具有试验次数少、预测精度高等优点，在优化设计中不仅可以得到响应目标与设计变量的关系，还可得到设计变量最优组合，应用Central Composite响应面分析法，开展方案设计。研究表明，煤层瓦斯含量、透气性系数、抽采负压、钻孔直径及布孔间距5个因素对钻孔预抽煤层瓦斯效果影响较显著，依据前述彬长矿区瓦斯赋存特征和现场抽采经验等，开展5因素5水平响应面方案设计，以(0，±1，±)编码(表2)，共50组优化方案(表3)。

表2 设计因素编码与水平

..响应目标

应用响应面分析法，首先应明确响应目标，目前确定布孔参数的指标主要为有效抽采半径，该指标主要用于确定布孔间距，对于抽采负压、钻孔直径等抽采工艺参数，目前没有明确的选择方法，其参数选择多依赖于现场抽采经验。相同预抽时间下，反映了瓦斯抽采效果的好坏，值越大说明抽采效果越好，但该指标无法判别钻孔间有无抽采盲区或抽采提前达标，忽略了多钻孔联合抽采时的抽采叠加效应，对钻孔间煤层瓦斯抽采情况判断不够精准。

/不仅考虑了抽采负压、钻孔直径、布孔间距等布孔参数对煤层瓦斯抽采效果的影响，同时考虑了多钻孔联合抽采的叠加效应，可判断钻孔间有无抽采盲区或抽采提前达标。在抽采叠加效应作用下，最优布孔间距应略大于2，为保证钻孔间煤层瓦斯预抽达标(预抽结束时钻孔间最大瓦斯压力≤预抽达标时煤层残余瓦斯压力)，将/作为响应目标。/<1，表明达标时长小于预期时长，可提前预抽达标；/=1，表明达标时长等于预期时长，规定时间内恰好预抽达标；/>1，表明达标时长大于预期时长，若要预抽达标需相应延长预抽时间(图2)。此外，/还能反映布孔参数组合的可靠性、合理性，/≤1且越接近1，表明布孔方案越合理。笔者对/进行显著性、交互作用分析，并优化确定适用于不同煤层瓦斯赋存特征的布孔参数，以期提高瓦斯抽采效率，实现煤层瓦斯精准预抽目标，详细流程如图3所示。

表3 试验方案与响应结果

确定/时，需判定煤层瓦斯抽采达标情况，假设中煤体为各向同性均质体，忽略煤层的层理/节理对抽采的影响，因此/均在两钻孔水平方向进行判定，但受相邻钻孔相互扰动产生抽采叠加效应的影响，最大瓦斯压力不一定出现在两钻孔中心线中点这一固定位置，因此沿钻孔水平方向布置测线，监测两钻孔水平间距内的最大瓦斯压力。选用《煤矿安全规程》瓦斯抽采率指标作为判定依据，其判定条件为：煤层瓦斯预抽率>30%，即煤层残余瓦斯含量≤70%原始瓦斯含量。而煤层残余瓦斯压力与残余瓦斯含量间的换算关系，可由Langmuir方程表述如下

图2 布孔参数优化示意Fig.2 Schematic diagram of hole parameters optimization

图3 煤层瓦斯精准预抽流程Fig.3 Accurate pre-drainage process of coal seam gas

(5)

式中,为残余瓦斯含量，m/t；为游离态瓦斯含量，m/t；为吸附态瓦斯含量，m/t。

已知煤层瓦斯含量时，可由式(5)反算煤层残余瓦斯压力(达标瓦斯压力)，进而确定/。

根据表2给出的布孔参数模拟方案，当煤层瓦斯含量为0.243,3.000,5.000,7.000,9.757 m/t时，若预抽达标，瓦斯压力需降至0.010 2,0.138 4,0.248 5,0.377 1,0.594 4 MPa以下，并以此作为响应目标的判定标准。而煤层透气性系数可通过式(6)与渗透率建立联系，以便于开展数值模拟。

=2

(6)

式中，为透气性系数，m/(MPa·d)；为单位换算系数，包括气体压力的单位由MPa换算成Pa、瓦斯流速的单位由m/s换算成m/d两部分；为标准状况下大气压力，0.101 3 MPa。

经计算，当煤层透气性系数分别为：0.122,1.500,2.500,3.500和4.878 m/(MPa·d)时，对应的渗透率为：0.304×10,3.750×10,6.250×10,8.750×10,12.196×10m。

2.2 模拟结果

..煤层瓦斯预抽效果分析

以各影响因素中编码值为0的参数为例，分析煤层瓦斯预抽效果。不同预抽时间下煤层瓦斯压力分布如图4所示。由图4可知，预抽100 d时垂直钻孔方向的抽采达标区域以钻孔为中心呈类圆状分布，相邻钻孔间的抽采叠加效应不明显；随着预抽时间延长，抽采达标区域不再孤立存在，相邻钻孔间的抽采达标区域逐渐连通并形成复合抽采达标区；预抽400 d时抽采叠加效应越明显，复合抽采达标区域面积进一步扩大。

图4 顺层钻孔预抽煤层瓦斯效果Fig.4 Effect of borehole pre-drainage of coal seam gas

..响应模型及其适用性分析

预抽模拟时长设定为400 d，周期相对较长，受篇幅限制，仅以100,175,250,325和400 d为例，详细分析单因素/交互因素对煤层瓦斯预抽效果的影响规律，并开展顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔参数的优化设计，试验结果见表3。

对5组试验结果进行多元回归拟合，通过对比各模型显著性检测和相关性检验的数据，预抽100,175,250,325和400 d时/响应模型均确定为五元二阶多项式，响应模型及方差分析见表4,5。方差分析显示：各模型无显著影响概率()均小于0.000 1，模型回归效果极显著。

表4 不同预抽时间下Pmax/Pb的响应模型

表5 Pmax/Pb响应模型的方差分析

续表

表6 响应模型误差分析

为进一步验证模型可靠性，以/的试验值和模型预测值为横/纵坐标绘制散点图，如图5所示。

由图5可知，各模型散点均位于=附近，表明模型拟合度较好，可利用该模型进行因素间交互作用分析和顺层钻孔布置参数的优化设计。

3 煤层瓦斯精准预抽影响因素分析

3.1 单因素对瓦斯精准预抽的影响

影响煤层瓦斯精准预抽的因素分为地质因素和工程因素，两者共同决定煤层瓦斯的预抽效果。5个因素中,为地质因素,～为工程因素。对比表5中5因素的值(检验结果)可知，不同预抽时间下，/对各因素敏感性均为：>>>>，对/影响最为显著，若要消除抽采空白带同时不过度抽采，合理确定顺层钻孔的布孔间距最重要，该结论恰好表明/很好地考虑到布孔间距的确定问题。

图5 响应目标Pmax/Pb试验值与预测值Fig.5 Experimental and predicted values of response target Pmax/Pb

为直观分析单因素对/的影响规律，固定各因素中编码值为0的参数，并以各自变量水平值为横轴，响应值为纵轴，拟合/随各因素变化的曲线，如图6所示。

图6 单因素对Pmax/Pb的影响Fig.6 Influence of single factor on Pmax/Pb

由图6可知，或固定不变时，随着预抽时间延长，单位时间内/的下降量逐渐减小。为5 m/t时，相邻预抽时间/下降量依次为：0.134 2,0.083 7,0.060 5,0.047 4；为2.5 m/(MPa·d)时，相邻预抽时间/下降量依次为：0.127 9,0.088 8,0.060 9,0.046 2。是因为煤层瓦斯含量一定时，预抽初期瓦斯压力与抽采负压形成的压差较大，瓦斯渗流动力充足，减小速度快，相应的/下降量越大，而的减小降低了其与抽采负压形成的压差，预抽后期瓦斯渗流动力匮乏，减小速度放缓，相应的/下降量减小。煤层瓦斯含量的高低决定了渗流动力的大小，而透气性系数的高低决定了瓦斯渗流阻力的大小，其作用原理与煤层瓦斯含量类似，在此不再赘述。预抽时间固定不变时，随着,增大，/逐渐下降，两者与/呈负相关，预抽250,325,400 d时抽采达标(/≤1)的煤层瓦斯含量范围依次为：>6.477 4,>4.881 3,>4.093 6 m/t；煤层透气性系数范围依次为：>3.418 9,>2.394 1,>2.050 9 m/(MPa·d)，即煤层瓦斯含量越高或透气性系数越大时抽采达标时间越短。

不同预抽时间下，随着,增大，/变化不明显。固定不变时，随着预抽时间延长，单位时间内/的下降量逐渐减小；当预抽时间固定不变时，/随增加而增大，但/增长速率有所放缓。是因为布孔间距设置过大时，相邻钻孔间抽采叠加效应被削弱，瓦斯渗流动力匮乏，单位时间内仅有少量瓦斯被抽出，减小速度慢，/下降量也越小；随着预抽时间延长，钻孔间抽采叠加效应逐渐增强，下降速度有所提升，/下降量逐渐增加。

3.2 交互因素对瓦斯精准预抽的影响

..地质因素交互

/不仅受单因素影响，同时受因素间交互作用影响。,对/的影响非常显著且均属地质因素，如图7所示。由图7可知，不同预抽时间下与的响应曲面较陡、响应等值线扭曲程度大且分布较密集，两因素水平范围内的/分别位于1.10～1.50,1.00～1.40,0.90～1.40,0.80～1.30,0.80～1.20，说明地质因素对/影响非常显著，对/数值大小影响较明显并具有一定的时间效应。另外，不同预抽时间下，/的响应等值线均聚集在右下角，表明即使,处于交互作用下，,对/的影响程度仍然显著，/随,增加而减速下降，在与的交互作用下，煤层瓦斯含量越高且煤层透气性系数越大时，抽采效果越好，抽采达标时间越短。

图7 地质因素交互作用对Pmax/Pb的影响规律Fig.7 Influence of interaction between geological factors on Pmax/Pb

..工程因素交互

图8表明了工程因素交互对/的影响。由图8(a)可知，不同预抽时间下，与的响应等值线呈圆形分布，两因素水平范围内存在极值点使得/达到最小，相邻响应等值线在数值上仅差0.005，说明抽采负压与钻孔直径的交互作用不显著，两者间的交互作用对煤层瓦斯预抽效果影响较小，并与单因素分析结果相互佐证。

由图8(b),(c)可知，不同预抽时间下/均沿方向变化较明显，说明抽采负压、钻孔直径对/的影响程度小于布孔间距，在与抽采负压、钻孔直径交互作用下，布孔间距对/的影响仍然显著，这与单因素分析结果一致。工程因素之间的交互作用同样有一定时间效应，随着预抽时间延长，/不断降低。

..地质因素与工程因素交互

单因素分析发现，,对/的影响程度最低，导致,与其他因素之间的交互作用并不明显。因此，地质因素与工程因素间的交互作用着重分析与，与，如图9所示。

图8 工程因素交互作用对Pmax/Pb的影响Fig.8 Influence of interaction between engineering factors on Pmax/Pb

图9 地质因素与工程因素交互对Pmax/Pb的影响Fig.9 Influence of interaction between geological factors and engineering factors on Pmax/Pb

当布孔间距设置过大时，相邻钻孔间的抽采叠加效应被削弱，因此，相同或条件下，随着布孔间距增大，/逐渐增大。布孔间距对/的影响同样有时间效应，随着预抽时间延长，相同布孔间距条件下，不同煤层瓦斯含量的煤层所能达到的/差距逐渐增大；相同煤层瓦斯含量条件下，扩大布孔间距增大/的现象有所改善，这说明布孔间距设置过大时，应延长预抽时间以实现预抽达标。对比图9发现，在布孔间距与地质因素的交互作用下，/的响应等值线均沿布孔间距方向变化最为明显且分布相对密集，说明布孔间距对/的影响程度高于煤层瓦斯含量、煤层透气性系数，布孔间距对/影响更显著，与单因素分析结果相互佐证。

4 顺层钻孔精准布孔方法及应用

4.1 钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法

分析地质/工程因素各单因素及交互因素对煤层瓦斯预抽效果的影响发现，地质因素和预抽时间对/影响均比较大。因此，顺层钻孔布置参数的优化问题应根据煤层瓦斯赋存的区域性特点及工程因素随时间的变化规律，开展“分时分区”式布孔，而不是传统“以点代面”式布孔。

为实现煤层瓦斯的精准抽采，提高顺层预抽钻孔的瓦斯抽采效率，提出“分时分区”式顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法(图10)。

图10 顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法Fig.10 Accurate borehole placement methodfor pre-draining coal seam gas by drilling along the seam

所谓“分时分区”式顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法具体包括“分时”和“分区”两步，根据采掘进度合理安排预抽时间，实现精准的第1步“分时”，保证预抽按时达标；掌握工作面瓦斯赋存规律的前提下，对工作面瓦斯地质单元进行等级划分，形成若干个抽采目标区，并依据各目标区实际瓦斯赋存特点，优选合理抽采工艺参数，做到精准的第2步“分区”，保证各目标区预抽达标；两步结合形成适用于不同煤层瓦斯赋存特征的顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法。

4.2 顺层钻孔布孔参数优化结果

利用Design-Expert软件中的优化模块，在5因素水平范围内开展布孔参数优化(表2)，依次确定不同预抽时间(100,175,250,325,400 d)下，适用于彬长矿区煤层瓦斯赋存条件的最优化布孔参数(抽采负压、钻孔直径、布孔间距)和与之对应的/。随后利用Suffer软件对不同预抽时间下适用于彬长矿区煤层瓦斯赋存条件的最优化布孔参数(抽采负压、钻孔直径、布孔间距)和与之对应的/依次进行等值线化处理，最终绘制了“分区分时”的最优布孔参数等值线分布，如图11所示。

图11依次代表了预抽100,175,250,325,400 d时适用于彬长矿区煤层瓦斯赋存条件的最优化布孔参数。以图11(a)为例，进行详细介绍。图11(a)横坐标表示了煤层瓦斯含量，纵坐标表示了煤层透气性系数，由横纵坐标圈定的范围代表了彬长矿区实际煤层瓦斯赋存情况。另外，图中黑、蓝、红3种不同颜色的等值线，依次代表了适用于彬长矿区不同煤层瓦斯赋存条件下的最优化抽采负压、钻孔直径、布孔间距。

已知区域煤层地质因素和预抽时间的前提下，便可由图11快捷、准确地确定出适用于不同煤层瓦斯赋存特点的最优化布孔参数。主要步骤包括：① 明确预抽时间；② 确定分时分区式布孔参数选择图；③ 在图11中标注试验工作面具体位置；④ 根据已标注出的具体位置，确定试验工作面的最优化布孔参数。以煤层瓦斯含量5.0 m/t，煤层透气性系数3.0 m/(MPa·d)，预抽时间100 d为例，通过以上3条信息可准确确定图11(a)中的一点“W”，根据“W”附近3种不同颜色的等值线可确定适用于该工况条件下的最优化布孔参数依次为：布孔间距3.92 m、抽采负压25.3 kPa、钻孔直径85 mm。

现场实际应用时，首先应明确试验工作面的计划预抽时间和煤层瓦斯实际赋存状况，依据煤层瓦斯实际赋存情况将工作面划分为若干个抽采目标区域；根据预抽时间确定图11中与之对应的布孔参数优化图；根据各分区煤层瓦斯含量和透气性系数在布孔参数优化图上找到与各分区瓦斯赋存特征相对应的“定点”或“定区域”，进而快捷、准确地确定适用于该分区的最优化布孔参数。

由图11可知，不同预抽时间下，随着地质因素的改变，布孔间距优选值的变化规律性最明显；当煤层瓦斯含量和透气性系数均比较小时，预抽100，175，250 d时/>1，说明相邻钻孔间存在抽采空白带，是由于试验方案中布孔间距的水平下限设定过大，此时若要提高布孔参数选取优度，避免出现抽采空白带，布孔间距应略小于3.50 m。此外，随着预抽时间延长，布孔参数选取优度逐步提高，预抽325，400 d时/均等于1，因此还可适当延长预抽时间来消除抽采空白带，以保证煤层瓦斯预抽达标。

图11 分时分区式布孔参数选择Fig.11 Time-sharing partition hole layout parameter selection

4.3 工程应用

..预抽钻孔设计

陕西彬长某矿属于高瓦斯矿井，煤层倾角2°～3°，试验工作面走向长2 108 m，倾向长196 m，回采高度14 m，煤层原始瓦斯含量为5.31～6.22 m/t，煤层透气性系数为1.54～2.05 m/(MPa·d)，工作面预留360 d开展采前预抽。由图11可知，不同预抽时间下，试验工作面布孔参数选取优度较好，其中布孔间距对瓦斯预抽效果影响最大且优选值变化规律性最明显。为此，预抽100，175，250，325和400 d时，在试验区域最优化布孔参数取值范围内沿布孔间距变化最显著方向选取～等4个点，拟合建立优选布孔参数与预抽时间函数关系，进而确定预抽360 d时的布孔参数优化方案,如图12所示(图中，，，，，，，，为拟合常数；为预抽时间，d)。

由图12知，预抽时间与优选抽采负压、钻孔直径均呈二次函数关系、与优化布孔间距符合幂函数关系；预抽360 d，工作面优选布孔参数范围为：抽采负压23.9～22.8 kPa、钻孔直径102.4～114.1 mm、布孔间距5.33～6.03 m，可以发现抽采负压、钻孔直径的优选值差距不大，对/影响较小，因此，准确设定顺层预抽钻孔的布孔间距前提下，两者可根据施工条件做出适当调整。

图12 试验工作面最优化布孔参数Fig.12 Optimal hole layout parameters of test working face

由于试验区域大部分煤层瓦斯含量为6.00 m/t，透气性系数为1.95 m/(MPa·d)，最终顺层预抽钻孔布置参数选择为：布孔间距6.0 m(与相邻已预抽工作面布孔间距一致)、抽采负压24.0 kPa、钻孔直径113 mm。另外，试验工作面采高较大，水平钻孔无法解决整个工作面的瓦斯预抽问题，但前述布孔参数优化方案已给出合理的布孔参数(已优化出最小抽采钻孔单元)，因此保证最大孔间距不超6.0 m前提下，可适当调整钻孔仰角以满足整个工作面的瓦斯预抽。最终试验区域两巷分别施工高中低3层含仰角钻孔。其中，回风巷钻孔水平间距1.50 m，垂直间距0.40 m，仰角依次为3°，5°，7°；运输巷钻孔水平间距1.50 m，仰角依次为2°，4°，6°，两巷钻孔的孔深180.0 m，封孔长度15.5 m。

..预抽效果分析

图13 试验工作面瓦斯预抽效果Fig.13 Effectiveness of pre-drainage at test working face

试验区域两巷煤层瓦斯预抽效果如图13所示，由图13可知，预抽期间回风巷/运输巷抽采瓦斯体积分数维持在2.0%～7.0%，2.0%～9.0%；两巷瓦斯抽采混合流量与瓦斯体积分数呈相反变化趋势。当预抽时间达到190 d时，运输巷瓦斯抽采混合流量出现徒增，这是由于试验工作面的部分区域开展了水力割缝、注液态CO/注氮驱替煤体瓦斯试验，一定程度上提高了抽采混合流量，相应降低了抽采瓦斯体积分数。为明确优化后的顺层钻孔预抽煤层瓦斯效果，预抽结束后，在仅开展本煤层瓦斯预抽区域测定了煤层残余瓦斯含量并计算了煤层瓦斯预抽率。经实测，仅开展煤层钻孔瓦斯预抽360 d时预抽率为33.50%左右，说明预抽已达标，一定程度上保证了试验工作面定时定点预抽达标，确保了回采工作的顺利进行。

5 结 论

(1)建立了考虑煤体渗透率动态演化、瓦斯扩散渗流及煤体变形等影响的含瓦斯煤体流固耦合抽采模型；多钻孔联合抽采时，应考虑相邻钻孔间的抽采叠加效应，随着预抽时间延长，垂直钻孔方向的抽采达标区域逐渐连通并形成复合抽采达标区域。

(2)钻孔预抽煤层瓦斯效果与地质因素、工程因素和预抽时间有关；不同预抽时间下，钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比(/)对各因素敏感性依次为布孔间距、煤层瓦斯含量、透气性系数、钻孔直径、抽采负压，其中布孔间距对/影响程度最大。

(3)不同预抽时间下，地质因素中煤层瓦斯含量和透气性系数的交互作用对/的影响非常显著，对/数值大小影响较大；工程因素中抽采负压与钻孔直径的交互作用不明显，对/数值大小影响较小；布孔间距与地质因素的交互作用下，布孔间距对/的影响仍然是显著的；各因素之间的交互作用对/影响均存在一定时间效应。

(4)综合考虑地质因素的空间分布规律及工程因素随时间变化规律，提出了煤层“分时分区”式顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法，可划分抽采目标区并精准确定各目标区布孔参数；试验工作面利用优化布孔参数布置顺层预抽钻孔，在规定时间内预抽达标，实现了煤层瓦斯精准预抽。