焦彥召，展華南

（河南義煤集團(tuán)伊川區(qū)域煤業(yè)公司，河南 伊川471300）

孟津礦位于新安煤田，屬煤與瓦斯突出礦井，主采二2和二1煤層，1988年投產(chǎn)，斜井開拓，設(shè)計生產(chǎn)能力1.5 Mt／a，核定生產(chǎn)能力1.20Mt／a。

目前礦井采掘區(qū)處于突出危險區(qū)，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》應(yīng)采取多種不同形式的區(qū)域突出防突措施相結(jié)合的綜合性區(qū)域防突措施。

孟津礦結(jié)合實際情況，采用大直徑順層長鉆孔卸壓增透預(yù)抽煤巷條帶瓦斯區(qū)域消突技術(shù)措施，此項技術(shù)措施其核心是確定合理的抽放半徑參數(shù)。但在實際應(yīng)用中，抽放半徑參數(shù)的確定還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，并帶有一定的主觀經(jīng)驗性。為了降低成本，達(dá)到瓦斯抽放無盲區(qū)，消除采掘工作面的突出危險性，瓦斯抽放半徑參數(shù)確定尤為重要。

1 瓦斯抽放半徑的數(shù)值模擬

1.1 計算模型及參數(shù)確定

以義煤集團(tuán)孟津礦二2煤層的煤體條件為例，該礦試驗地點二2煤層平均厚度約為1.2m，建立二維模型，長度為6.0m，寬度為1.2m，在煤層中部布置抽放鉆孔。鉆孔建立完畢后，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖1）。

圖1 計算模型及網(wǎng)格劃分

假定煤層頂?shù)装逋笟庑詷O小，為不透氣邊界。煤層的初始瓦斯壓力為1.29MPa，抽放負(fù)壓為15kPa。

1.2 不同孔徑鉆孔的抽放半徑

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》將瓦斯壓力0.74MPa作為區(qū)域防突措施效果檢驗臨界值，為此，本文將瓦斯壓力降低為0.74MPa的區(qū)域認(rèn)為是有效抽放半徑的影響范圍。

采用 軟件，選取 模式系數(shù)型，對建立的流固耦合模型進(jìn)行求解，模擬不同孔徑鉆孔抽放時間為10d的抽放半徑，結(jié)果顯示在抽放時間為10d的條件下，75mm鉆孔的抽放半徑為0.77m，94mm鉆孔的抽放半徑為0.9m，113mm鉆孔的抽放半徑為1.05m，133mm鉆孔的抽放半徑為1.15m。由此可得鉆孔孔徑和抽放半徑的關(guān)系（見圖2）。

圖2 不同孔徑10d時的抽放半徑

從圖2可以看出，在相同抽放時間下，鉆孔孔徑和抽放半徑有如下關(guān)系：R抽＝0.0067r0＋0.2748，隨著鉆孔孔徑的增大，在同一抽放時間的抽放半徑也逐漸增大。

1.3 不同瓦斯壓力鉆孔的抽放半徑

初始瓦斯壓力越高，瓦斯壓力降低到0.74MPa以下的時間越長，鉆孔的瓦斯抽放半徑越小。采用COMSOLMultiphysics軟件，選取PDE模式系數(shù)型，對建立的流固耦合模型進(jìn)行求解，模擬孔徑為113mm鉆孔，抽放時間為10d，不同初始壓力條件下鉆孔的抽放半徑。模擬結(jié)果為在抽放時間為10d和初始孔徑為113mm的條件下，初始瓦斯壓力為1.0MPa鉆孔的抽放半徑為1.4m，初始瓦斯壓力為1.2MPa鉆孔的抽放半徑為1.22m，初始瓦斯壓力為1.4MPa鉆孔的抽放半徑為1.05m，初始瓦斯壓力為1.6MPa鉆孔的抽放半徑為0.9m。由此可得鉆孔孔徑和抽放半徑的關(guān)系（見圖3）。

圖3 不同初始瓦斯壓力10d時的抽放半徑

從圖3可以看出，在相同抽放時間下，初始瓦斯壓力和抽放半徑有如下關(guān)系：R抽＝－0.835P0＋2.228，隨著初始瓦斯壓力的增大，在同一抽放時間的抽放半徑逐漸減小。

1.4 不同抽放時間鉆孔的抽放半徑

采用COMSOL－Multiphysics軟件，選取PDE模式系數(shù)型，對建立的流固耦合模型進(jìn)行求解，模擬孔徑為113 mm鉆孔，初始瓦斯壓力為1.4MPa，不同抽放時間鉆孔的抽放半徑。模擬結(jié)果見圖4。

圖4 113mm鉆孔不同抽放時間的瓦斯壓力分布

從圖4可以看出，在相同的抽放孔徑和初始瓦斯壓力條件下，抽放時間為4d時的抽放半徑為0.78m，8d時抽放半徑為0.95m，12d時抽放半徑為1.2m，16d時抽放半徑為1.32m，20d時抽放半徑為1.45m。

2 瓦斯抽放半徑的現(xiàn)場實測

2.1 試驗地點概況

項目的試驗地點定為孟津礦11061工作面掘進(jìn)巷道。

11061 工作面標(biāo)高－258m～－225.4m，地表標(biāo)高＋377.3m～＋368m，主采二1煤層，煤厚2～5m，平均3 m，煤厚變化較大，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不穩(wěn)定煤層中含F(xiàn)eS結(jié)核，Ad＝21.42%，Sd＝2.23%；根據(jù)FD001工作面測得二1煤層瓦斯的相關(guān)參數(shù)，預(yù)計該區(qū)域煤層瓦斯含量為6.96m3／t，瓦斯壓力0.45MPa，煤體堅固性系數(shù)f為0.14，瓦斯放散初速度ΔP為31，從區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律和現(xiàn)場參數(shù)測試情況來看，該工作面突出危險性較弱。

11061 膠帶順槽沿二1煤層頂板走向掘進(jìn)，巷道斷面為頂噴錨網(wǎng)＋工字鋼梯形棚，采用工鋼梯形棚支護(hù)，鋼棚規(guī)格：梁長4.2m，腿長3m，凈斷面12.8m2。

2.2 瓦斯抽放半徑測定

（1）測定方法。抽放半徑測定可采用絕對壓力法或相對壓力法測定，本次測定采用相對壓力法，測定過程如下：

①巷道側(cè)幫施工4個觀測孔和3個抽放孔，觀測孔深度30m、直徑89mm，鉆孔布置見圖5。

圖5 抽放半徑測定鉆孔布置示意

②首先施工1＃、2＃、3＃和4＃觀測孔，終孔一個封一個，施工完畢后立即注漿封孔，封孔深度20m，封孔管管徑為13mm鍍鋅管，施工鉆孔過程中確保各個鉆孔方向及角度相同，并記錄每個鉆孔的開孔時間、終孔時間、開始封孔時間和封孔完成時間。

③1＃、2＃、3＃和4＃觀測孔封孔完畢后，立即連接U型水銀壓差計，并記錄各觀測孔壓力變化情況。

④施工1＃、2＃和3＃抽放孔，抽放孔徑為133mm，施工完畢后立即注漿封孔，封孔深度20m，封孔管為直徑13 mm鍍鋅管。

⑤抽放孔封孔完畢后，立即接入抽放系統(tǒng)進(jìn)行抽放，每班觀測記錄1次1＃、2＃和3＃觀測孔的U型水銀壓差計讀數(shù)，并繪出各觀測孔的瓦斯壓力變化曲線。

⑥如果某一個鉆孔測定的瓦斯壓力都比預(yù)抽前降低10%以上，表明該測試孔處于抽放鉆孔的有效半徑之內(nèi)，符合該條件的測試孔距抽放鉆孔最遠(yuǎn)距離即為抽放鉆孔的有效半徑。

（2）測定結(jié)果

①抽放半徑考察。在抽放鉆孔距考察孔為1.5m時，2天后瓦斯壓力由60mmHg降為0mmHg，并將為負(fù)值，反映了在1.5m間距時，考察孔處于抽放鉆孔的有效影響范圍內(nèi)。

在抽放鉆孔距考察孔為2.0m時，6天內(nèi)瓦斯壓力由150mmHg降為135mmHg，6天降幅達(dá)到10%，9天達(dá)到12%，反映了在2.0m間距時，在6天內(nèi)考察孔處于抽放鉆孔的有效影響范圍內(nèi)。

在抽放鉆孔距考察孔為2.5m時，6天內(nèi)瓦斯壓力由88mmHg降為78mmHg，6天降幅達(dá)到11.4%，9天達(dá)到17%，反映了在2.5m間距時，在6天內(nèi)考察孔處于抽放鉆孔的有效影響范圍內(nèi)。

在抽放鉆孔距考察孔為3.0m時，5天內(nèi)瓦斯壓力由37mmHg降為33mmHg，5天降幅達(dá)到10.8%，在后續(xù)抽放過程中，瓦斯壓力沒有變化。

從以上分析可以得出，對于133mm的抽放鉆孔，在6天內(nèi)抽放半徑為2.5m。

②卸壓效果考察。在施工考察孔和抽放鉆孔的過程中，記錄鉆孔排風(fēng)量。其中施工89mm鉆孔，鉆孔深度為30m，鉆孔排粉量為795kg。義安礦煤的視密度為1.43t／m3，按照排粉量相當(dāng)于形成一個直徑為150mm的孔洞。

在施工133mm鉆孔，鉆孔深度為30m，鉆孔排粉量為1500kg，按照理論計算相當(dāng)于形成一個210mm孔洞。

3 瓦斯抽放半徑確定

從模擬和實測得出，孟津礦在初始瓦斯壓力為1.4 MPa的條件下，94mm鉆孔在抽放時間為13d的情況下，有效抽放半徑為1.0～1.5m。在實際應(yīng)用中，使礦井瓦斯抽放無盲區(qū)，有效消除采掘工作面的瓦斯突出危險性，加快了采掘速度，確保礦井安全高效生產(chǎn)。