胡煥良，徐作盧

（國投新集能源股份有限公司 新集一礦，安徽 淮南 232170）

鉆孔預(yù)抽瓦斯是重要的消突措施之一〔1〕，有效抽采半徑是保證高抽采率和布置鉆孔的依據(jù)，若抽采半徑過大，則會造成煤層殘余瓦斯含量和瓦斯壓力較大，會在煤層中存在盲區(qū)，導(dǎo)致生產(chǎn)中瓦斯超限，給安全生產(chǎn)帶來隱患；若抽采半徑過小，雖然可以提高抽采率，增大瓦斯抽采量，但是會造成抽采區(qū)域存在壓茬現(xiàn)象，在經(jīng)濟(jì)上不合理。

因此，合理的抽采鉆孔間距是布置抽采鉆孔的依據(jù)和保證高效抽采瓦斯的前提，準(zhǔn)確確定有效抽采半徑是保證瓦斯高效抽采，實(shí)現(xiàn)消突的基礎(chǔ)。目前，有效抽采半徑的確定方法主要有兩類：理論計算〔2-6〕和現(xiàn)場測定〔7〕。理論計算方法雖然可以方便、快速地確定有效抽采半徑，但計算公式中參數(shù)的選取往往具有經(jīng)驗(yàn)性〔8〕，不便于在現(xiàn)場工程中應(yīng)用?，F(xiàn)場測試瓦斯含量由于現(xiàn)場條件和測試手段等因素的制約，往往導(dǎo)致測量結(jié)果誤差較大，且容易受取樣孔瓦斯排放的影響。因此，尋求一種有效、可靠、快速的方法來準(zhǔn)確確定鉆孔有效抽采半徑十分必要。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文基于鉆孔瓦斯流量和瓦斯壓力確定有效抽采半徑，并根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件采用多物理場分析軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行驗(yàn)證，以期得到合理的抽采半徑，為鉆孔合理間距的確定和高效抽采瓦斯提供一定的依據(jù)。

1 有效抽采半徑確定依據(jù)

鉆孔有效抽采半徑〔5〕是指在規(guī)定的時間內(nèi)對煤層瓦斯進(jìn)行抽采，以抽采鉆孔為中心，該半徑范圍內(nèi)的瓦斯壓力或含量降到安全規(guī)定允許值的范圍。由于不同規(guī)定對消突指標(biāo)的確定存在一些分歧，導(dǎo)致煤層的有效抽采半徑的確定標(biāo)準(zhǔn)有所不同?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》中有效抽采半徑的消突指標(biāo)是煤層殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa或殘余瓦斯含量小于8m3／t，此種情況下該區(qū)域?yàn)闊o突出危險區(qū)，而《煤礦安全規(guī)程》中有效抽采半徑的消突指標(biāo)是煤層瓦斯的抽采率大于30%。抽采率與殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量的關(guān)系可按下式計算〔9〕：

式中：η為瓦斯抽采率，%；pc為殘余瓦斯壓力，MPa；p為原始瓦斯壓力，MPa；Wc為殘余瓦斯含量，m3／t；W 為原始瓦斯含量，m3／t。取pc=0.74 MPa，p=0.74～5 MPa 時，計算η，并作原始瓦斯壓力與抽采率的對應(yīng)關(guān)系（見圖1）。

圖1 煤層原始瓦斯壓力與抽采率曲線

由圖1可知，p＜1.5 MPa時，以殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa為指標(biāo)時的抽采率小于30%；p＞1.5 MPa 時，隨原始瓦斯壓力p的增大，抽采量逐漸增大。為滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中殘余瓦斯壓力的消突指標(biāo)要求，必須不斷提高煤層瓦斯抽采率。因此，根據(jù)上述分析，本文結(jié)合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》與《煤礦安全規(guī)程》消突指標(biāo)的規(guī)定，取煤層內(nèi)殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa 且抽采率大于30%的標(biāo)準(zhǔn)共同作為消突指標(biāo)，以此來確定抽采鉆孔的有效抽采半徑。

2 有效抽采半徑確定方法

已有研究表明〔9〕，有效抽采半徑可表示為煤層瓦斯含量、抽采時間、原始瓦斯壓力、殘余瓦斯壓力、煤層透氣性系數(shù)、抽采負(fù)壓等影響因素的函數(shù)。在一定的煤層賦存條件下，煤層瓦斯含量、透氣性系數(shù)、原始瓦斯壓力等為定值。在長時間抽采瓦斯的情況下，抽采負(fù)壓對抽采半徑的影響較小，可以忽略，因此，有效抽采半徑主要與抽采時間相關(guān)。

已有研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明鉆孔抽采瓦斯量的衰減規(guī)律符合負(fù)指數(shù)關(guān)系〔10〕。為避免不同鉆孔長度和半徑影響，將測量結(jié)果換算為百米鉆孔抽采量，并進(jìn)行回歸分析，如下式：

式中：qt為百米鉆孔抽采時間t時鉆孔瓦斯抽采量，m3／（hm·min）；q0為百米鉆孔瓦斯初始抽采量，m3／（hm·min）；β為抽采鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)。

對（3）式在抽采時間t內(nèi)積分可得百米鉆孔抽采瓦斯總量如下：

然后依據(jù)瓦斯抽采率計算公式：

式中：Q 為鉆孔有效半徑范圍內(nèi)煤層瓦斯含量，m3。

結(jié)合（1）式即可確定有效抽采半徑〔11〕：

式中：r為有效抽采半徑，m；ρ為煤的密度，t／m3。

3 有效抽采半徑算例分析

62110工作面位于六水平二采區(qū)，設(shè)計走向長710m，傾斜長180m。B10煤層為突出煤層，煤厚1.0～1.7m，傾角20°～28°，最大瓦斯壓力為2.0MPa，瓦斯含量7～9m3／t。

采用COMSOL Multiphysics的多孔介質(zhì)模塊對不同抽采時間下鉆孔有效抽采半徑及鉆孔周圍煤層瓦斯壓力變化規(guī)律進(jìn)行模擬，模擬采用的基本參數(shù)見表1所示，數(shù)值模擬結(jié)果見圖2、圖3。

表1 基本參數(shù)

圖2 不同抽采時間瓦斯壓力曲線

圖3 抽采時間與有效抽采半徑的關(guān)系

由圖2可知，隨著抽采時間的增加，距鉆孔一定距離處煤層內(nèi)瓦斯壓力逐漸降低；預(yù)抽時間小于30d時，鉆孔周圍煤層內(nèi)瓦斯壓力降低幅度較大，距鉆孔5m 范圍內(nèi)煤層瓦斯壓力基本降至0.74 MPa以下，隨著抽采時間的增加，瓦斯壓力降低幅度逐漸減小，當(dāng)抽采時間大于120d時，煤層內(nèi)瓦斯壓力趨于一穩(wěn)定值。

由圖3可知，隨著抽采時間的增加，有效抽采半徑逐漸增大，預(yù)抽時間在0～60d內(nèi)有效抽采半徑增大較快，預(yù)抽時間30d時，有效抽采半徑為1.86m，預(yù)抽時間為60d時，有效抽采半徑為2.42m，預(yù)抽時間為90d時，有效抽采半徑為2.62m，預(yù)抽時間為120d時，有效抽采半徑為2.72m，可見，當(dāng)預(yù)抽時間大于60d后，有效抽采半徑增幅很小，當(dāng)預(yù)抽時間大于120d時，有效抽采半徑基本不變，穩(wěn)定在2.75m。

由上述分析可知，預(yù)抽時間約60d時，距鉆孔約5m范圍內(nèi)煤層瓦斯壓力小于0.74 MPa，有效抽采半徑在2.5 m 左右，之后隨著抽采時間的增加，瓦斯壓力減小值很小，有效抽采半徑增大值也很小。

62110工作面抽采結(jié)果顯示，單孔瓦斯抽采流量平均值與抽采時間符合負(fù)指數(shù)關(guān)系，距鉆孔5m 處的考察孔，在抽采時間55d時，瓦斯壓力小于0.74 MPa。最大原始瓦斯壓力p=2 MPa時，按式（1）計算，抽采率為39.2%，煤層瓦斯含量為8m3／t，密度為1.4t／m3，由式（6）分析不同抽采時間的有效抽采半徑如表2所示。

表2 不同抽采時間的有效抽采半徑

由表2可知，基于鉆孔瓦斯流量和瓦斯壓力計算的有效抽采半徑與數(shù)值模擬得到的有效抽采半徑基本一致。

4 結(jié)語

結(jié)合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》與《煤礦安全規(guī)程》消突指標(biāo)的規(guī)定，把抽采影響范圍內(nèi)煤層殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa且抽采率大于30%作為標(biāo)準(zhǔn)來確定有效抽采半徑，建立了基于鉆孔瓦斯流量和瓦斯壓力的有效抽采半徑計算公式。根據(jù)62110工作面的地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件對有效抽采半徑進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果與基于鉆孔瓦斯流量計算的有效抽采半徑基本一致，驗(yàn)證了確定有效抽采半徑的合理性，從而為合理布置抽采鉆孔實(shí)現(xiàn)高效抽采瓦斯提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

〔1〕國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定〔S〕.2009.

〔2〕孫培德.煤層抽放瓦斯鉆孔合理布置探討〔J〕.阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1989，8（3）：44-50.

〔3〕徐三民.確定瓦斯有效抽放半徑的方法探討〔J〕.煤炭工程師，1996，（3）：43-45.

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〔5〕王兆豐，周少華，李志強(qiáng).瓦斯抽采鉆孔有效抽采半徑的數(shù)值計算方法〔J〕.煤炭工程，2011，（6）：82-84.

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