基于瓦斯流量和瓦斯压力的有效抽采半径分析

胡焕良，徐作卢

（国投新集能源股份有限公司 新集一矿，安徽 淮南 232170）

钻孔预抽瓦斯是重要的消突措施之一〔1〕，有效抽采半径是保证高抽采率和布置钻孔的依据，若抽采半径过大，则会造成煤层残余瓦斯含量和瓦斯压力较大，会在煤层中存在盲区，导致生产中瓦斯超限，给安全生产带来隐患；若抽采半径过小，虽然可以提高抽采率，增大瓦斯抽采量，但是会造成抽采区域存在压茬现象，在经济上不合理。

因此，合理的抽采钻孔间距是布置抽采钻孔的依据和保证高效抽采瓦斯的前提，准确确定有效抽采半径是保证瓦斯高效抽采，实现消突的基础。目前，有效抽采半径的确定方法主要有两类：理论计算〔2-6〕和现场测定〔7〕。理论计算方法虽然可以方便、快速地确定有效抽采半径，但计算公式中参数的选取往往具有经验性〔8〕，不便于在现场工程中应用。现场测试瓦斯含量由于现场条件和测试手段等因素的制约，往往导致测量结果误差较大，且容易受取样孔瓦斯排放的影响。因此，寻求一种有效、可靠、快速的方法来准确确定钻孔有效抽采半径十分必要。在前人研究的基础上，本文基于钻孔瓦斯流量和瓦斯压力确定有效抽采半径，并根据具体的工程地质条件采用多物理场分析软件COMSOL Multiphysics进行验证，以期得到合理的抽采半径，为钻孔合理间距的确定和高效抽采瓦斯提供一定的依据。

1 有效抽采半径确定依据

钻孔有效抽采半径〔5〕是指在规定的时间内对煤层瓦斯进行抽采，以抽采钻孔为中心，该半径范围内的瓦斯压力或含量降到安全规定允许值的范围。由于不同规定对消突指标的确定存在一些分歧，导致煤层的有效抽采半径的确定标准有所不同。《防治煤与瓦斯突出规定》中有效抽采半径的消突指标是煤层残余瓦斯压力小于0.74 MPa或残余瓦斯含量小于8m3／t，此种情况下该区域为无突出危险区，而《煤矿安全规程》中有效抽采半径的消突指标是煤层瓦斯的抽采率大于30%。抽采率与残余瓦斯压力和残余瓦斯含量的关系可按下式计算〔9〕：

式中：η为瓦斯抽采率，%；pc为残余瓦斯压力，MPa；p为原始瓦斯压力，MPa；Wc为残余瓦斯含量，m3／t；W 为原始瓦斯含量，m3／t。取pc=0.74 MPa，p=0.74～5 MPa 时，计算η，并作原始瓦斯压力与抽采率的对应关系（见图1）。

图1 煤层原始瓦斯压力与抽采率曲线

由图1可知，p＜1.5 MPa时，以残余瓦斯压力小于0.74 MPa为指标时的抽采率小于30%；p＞1.5 MPa 时，随原始瓦斯压力p的增大，抽采量逐渐增大。为满足《防治煤与瓦斯突出规定》中残余瓦斯压力的消突指标要求，必须不断提高煤层瓦斯抽采率。因此，根据上述分析，本文结合《防治煤与瓦斯突出规定》与《煤矿安全规程》消突指标的规定，取煤层内残余瓦斯压力小于0.74 MPa 且抽采率大于30%的标准共同作为消突指标，以此来确定抽采钻孔的有效抽采半径。

2 有效抽采半径确定方法

已有研究表明〔9〕，有效抽采半径可表示为煤层瓦斯含量、抽采时间、原始瓦斯压力、残余瓦斯压力、煤层透气性系数、抽采负压等影响因素的函数。在一定的煤层赋存条件下，煤层瓦斯含量、透气性系数、原始瓦斯压力等为定值。在长时间抽采瓦斯的情况下，抽采负压对抽采半径的影响较小，可以忽略，因此，有效抽采半径主要与抽采时间相关。

已有研究和生产实践表明钻孔抽采瓦斯量的衰减规律符合负指数关系〔10〕。为避免不同钻孔长度和半径影响，将测量结果换算为百米钻孔抽采量，并进行回归分析，如下式：

式中：qt为百米钻孔抽采时间t时钻孔瓦斯抽采量，m3／（hm·min）；q0为百米钻孔瓦斯初始抽采量，m3／（hm·min）；β为抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数。

对（3）式在抽采时间t内积分可得百米钻孔抽采瓦斯总量如下：

然后依据瓦斯抽采率计算公式：

式中：Q 为钻孔有效半径范围内煤层瓦斯含量，m3。

结合（1）式即可确定有效抽采半径〔11〕：

式中：r为有效抽采半径，m；ρ为煤的密度，t／m3。

3 有效抽采半径算例分析

62110工作面位于六水平二采区，设计走向长710m，倾斜长180m。B10煤层为突出煤层，煤厚1.0～1.7m，倾角20°～28°，最大瓦斯压力为2.0MPa，瓦斯含量7～9m3／t。

采用COMSOL Multiphysics的多孔介质模块对不同抽采时间下钻孔有效抽采半径及钻孔周围煤层瓦斯压力变化规律进行模拟，模拟采用的基本参数见表1所示，数值模拟结果见图2、图3。

表1 基本参数

图2 不同抽采时间瓦斯压力曲线

图3 抽采时间与有效抽采半径的关系

由图2可知，随着抽采时间的增加，距钻孔一定距离处煤层内瓦斯压力逐渐降低；预抽时间小于30d时，钻孔周围煤层内瓦斯压力降低幅度较大，距钻孔5m 范围内煤层瓦斯压力基本降至0.74 MPa以下，随着抽采时间的增加，瓦斯压力降低幅度逐渐减小，当抽采时间大于120d时，煤层内瓦斯压力趋于一稳定值。

由图3可知，随着抽采时间的增加，有效抽采半径逐渐增大，预抽时间在0～60d内有效抽采半径增大较快，预抽时间30d时，有效抽采半径为1.86m，预抽时间为60d时，有效抽采半径为2.42m，预抽时间为90d时，有效抽采半径为2.62m，预抽时间为120d时，有效抽采半径为2.72m，可见，当预抽时间大于60d后，有效抽采半径增幅很小，当预抽时间大于120d时，有效抽采半径基本不变，稳定在2.75m。

由上述分析可知，预抽时间约60d时，距钻孔约5m范围内煤层瓦斯压力小于0.74 MPa，有效抽采半径在2.5 m 左右，之后随着抽采时间的增加，瓦斯压力减小值很小，有效抽采半径增大值也很小。

62110工作面抽采结果显示，单孔瓦斯抽采流量平均值与抽采时间符合负指数关系，距钻孔5m 处的考察孔，在抽采时间55d时，瓦斯压力小于0.74 MPa。最大原始瓦斯压力p=2 MPa时，按式（1）计算，抽采率为39.2%，煤层瓦斯含量为8m3／t，密度为1.4t／m3，由式（6）分析不同抽采时间的有效抽采半径如表2所示。

表2 不同抽采时间的有效抽采半径

由表2可知，基于钻孔瓦斯流量和瓦斯压力计算的有效抽采半径与数值模拟得到的有效抽采半径基本一致。

4 结语

结合《防治煤与瓦斯突出规定》与《煤矿安全规程》消突指标的规定，把抽采影响范围内煤层残余瓦斯压力小于0.74 MPa且抽采率大于30%作为标准来确定有效抽采半径，建立了基于钻孔瓦斯流量和瓦斯压力的有效抽采半径计算公式。根据62110工作面的地质条件，采用数值模拟软件对有效抽采半径进行了模拟分析，模拟结果与基于钻孔瓦斯流量计算的有效抽采半径基本一致，验证了确定有效抽采半径的合理性，从而为合理布置抽采钻孔实现高效抽采瓦斯提供一定的指导依据。

〔1〕国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定〔S〕.2009.

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〔3〕徐三民.确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨〔J〕.煤炭工程师，1996，（3）：43-45.

〔4〕卢 平，李 平，周德永，等.石门揭煤防突抽放瓦斯钻孔合理布置参数的研究〔J〕.煤炭学报，2002，27（3）：242-248.

〔5〕王兆丰，周少华，李志强.瓦斯抽采钻孔有效抽采半径的数值计算方法〔J〕.煤炭工程，2011，（6）：82-84.

〔6〕马 耕，苏现波，魏庆喜.基于瓦斯流态的抽放半径确定方法〔J〕.煤炭学报，2009，34（4）：501-504.

〔7〕刘三钧，马 耕，卢 杰，等.基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术〔J〕.煤炭学报，2011，36（10）：1715-1719.

〔8〕汪有刚，刘建军，杨景贺，等.煤层瓦斯流固耦合渗流的数值模拟〔J〕.煤炭学报，2001，26（3）：285-289.

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〔10〕于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册〔M〕.北京：煤炭工业出版社，2005.

〔11〕余 陶，卢 平，孙金华，等.基于钻孔瓦斯流量和压力测定有效抽采半径〔J〕.采矿与安全工程学报，2012，29（4）：596-600.