局部高瓦斯煤层抽采钻孔合理间距研究

许慎，郭立稳，张嘉勇

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

我国是煤矿开采和消费大国，然而矿井瓦斯灾害问题严重制约着我国煤矿安全高效生产。目前，矿井多采用钻孔瓦斯抽采降低煤体中的瓦斯含量，以减少煤层瓦斯向采掘空间的涌出量，从而达到防治瓦斯灾害的目的。煤层瓦斯抽采钻孔有效影响半径是瓦斯抽采关键参数之一，科学合理地确定瓦斯有效抽采半径以及抽采钻孔间距对防治矿井瓦斯灾害具有重要的意义[1-3]。目前确定瓦斯抽采半径主要包括数值模拟和现场测试的方法[4-6]，现场测试法主要包括压力降低法和示踪气体法，压力降低法主要是在抽采孔周围布置测压孔，通过抽采孔抽采瓦斯观察测压孔的瓦斯压力变化，进而确定出有效抽采半径[7]；示踪气体法主要是监测气体在不同抽采时间下的相关数据，处理分析进而得到有效抽采半径[8]。该项研究采用数值模拟结合井下现场实测的方法，共同确定主采煤层瓦斯抽采钻孔有效影响半径以及钻孔合理布置间距，为低瓦斯矿井局部高瓦斯煤层瓦斯抽采钻孔间距的合理快速确定，提供了一种较为简单可行的方法。

1 有效抽采半径和钻孔间距

钻孔的有效抽采半径受煤质、煤层透气性系数、瓦斯压力和瓦斯含量等多种因素的影响，钻孔的有效半径的确定会影响钻孔的间距分布，一般而言抽采钻孔越密集，钻孔间距越小，抽采效果越好。在矿井瓦斯抽采中，盲目增加抽采钻孔数量，减小钻孔间距，会增加施工的工程量和施工成本，确定出合理的钻孔有效半径和钻孔间距，既可以节约成本又可以取得良好的抽采效果，提高矿井的经济效益。当抽采半径固定时，钻孔间距之间的关系可以分为3类，见图1。

图1 不同钻孔间距的抽采效果

从图1可以看出图1(a)钻孔间距过大，留有大量的未抽采区域，抽采效果不理想；图1(b)中钻孔间距刚好为抽采半径的2倍，抽采效果强于图1(a)，但在相交的上下处仍留有灰色未抽采区域；图1(c)中的2个抽采区域相互叠加，有效地减少了灰色未抽采的区域，但同时也减小了钻孔间距。实际应用中采取图1(b)还是图1(c)进行瓦斯抽采，要充分结合矿井的地质条件和煤体相关指标来确定。

2 有效抽采半径确定

2.1 有效抽采半径测定原理

煤层中瓦斯压力由于受抽采钻孔负压的影响，钻孔周围瓦斯压力逐渐降低，距离抽采钻孔越远，瓦斯压力下降越少，每个抽采钻孔都有极限影响区域，即为抽采钻孔有效半径。《煤矿安全规程》明确规定[9]：预抽煤层瓦斯后，必须对预抽瓦斯防治突出效果进行检验，其检验的指标之一是煤层瓦斯预抽率大于30%，即抽采后的瓦斯含量小于抽采前的30%以上。在保证工业应用误差允许前提下，瓦斯压力和瓦斯含量存在着一个抛物线关系。用抛物线方程来近似取代煤层瓦斯含量曲线，即：

(1)

式中：X—煤层瓦斯含量，m3/t；

α—煤层瓦斯含量系数，m3·t-1·MPa-0.5；

P—煤层瓦斯压力，MPa。

因此，以满足煤层预抽率30%为基础，原始瓦斯压力应下降量为51%，即瓦斯抽采钻孔有效影响半径为瓦斯压力值下降51%的区域。综上所述可知，数值模拟过程中，以原始煤层瓦斯压力值的49%为模拟瓦斯压力目标。

承德平安矿位于承德兴隆县，属于改造托管型矿井，生产能力为每年60万吨，井田内2#、4#煤层为矿井主采煤层。矿井总体瓦斯涌出量较小，由于煤层地质条件较为复杂，在2#、4#煤层局部区域瓦斯浓度较大，对矿井安全生产造成一定影响。该矿主采煤层的相关瓦斯参数见下表1。

表1 该矿主采煤层瓦斯基础参数

2.2 数值建模

数值模拟采用RFPA2D-GasFlow软件进行，模型中煤层大小为10 m×10 m，单元格划分200×200，上下设置各煤层对应的应力边界条件，左右设置位移边界条件，设置值为0。如图2所示。

图2 数值模型

结合该矿煤层瓦斯抽采钻孔施工情况，钻孔直径选取100 mm，抽采负压一般在30 ～40 kPa之间，选取抽采负压为0.04 MPa，模拟迭代1步代表1 d，抽采时间为30 d。各煤层数值模拟的基本主要参数见表2。

表2 数值模拟主要参数

2.3 数值模拟结果分析

数值模拟结果主要以抽采钻孔影响的压力指纹图以及抽采钻孔中心A-A'剖面瓦斯流量统计图呈现。该矿各煤层的模拟结果见图3～图6。

图3 2#煤层抽采钻孔瓦斯压力指纹图 图4 2#煤层钻孔瓦斯流量统计图

图5 4#煤层抽采钻孔瓦斯压力指纹图 图6 4#煤层钻孔瓦斯流量统计图

根据瓦斯压力指纹图中瓦斯压力下降区域占整个模型的尺寸，确定抽采钻孔有效影响半径；通过瓦斯抽采钻孔流量统计图，寻找钻孔瓦斯流量与临界流量的交点，由模型尺寸的划分可知，图中横轴每一小格代表0.05 m，计算钻孔与交点的距离即可得到抽采有效半径，例如，根据2#煤层抽采钻孔瓦斯压力指纹图(见图3)可得该煤层抽采钻孔有效半径为1.6 m；根据煤层钻孔瓦斯流量统计图(见图4)中孔瓦斯流量与临界流量的交点为66，交点距钻孔中心为100-66=34，抽采钻孔有效半径即为34×0.05 m=1.7 m。同理可得，4#煤层抽采钻孔有效影响半径为2.1 m。统计数据表格如表3所示。

表3 2#和4#煤层瓦斯抽采钻孔有效半径模拟结果

3 现场实测

为了检验数值模拟结果的准确性，在矿井下合适区域分别对2#煤层与4#煤层采用压力指标法进行井下实测。测试钻孔施工如图7和图8所示。

图7 2#煤层测试钻孔分布示意图 图8 4#煤层测试钻孔分布示意图

测试钻孔施工参数及观测数据如表4所示。

表4 测试钻孔参数统计表

在40 kPa稳定抽采负压作用下，经过30 d的持续抽采，测试钻孔瓦斯压力均出现较明显的下降。其中观测孔1、观测孔2、观测孔4和观测孔5的瓦斯压力下降最为明显，均超过原始瓦斯压力值的51%以上，观测孔3和观测孔6瓦斯压力值随有一定下降，但是下降幅度不足50%。由前文所述可知，观测孔1、观测孔2、观测孔4和观测孔5均在抽采钻孔有效影响半径之内，观测孔3和观测孔6未处于抽采钻孔有效影响半径区域。由以上所述可知，此次抽采钻孔有效半径数值模拟分析结果与实际测试相符合，测得数据准确可靠。

综上所述，该矿主采2#、4#煤层瓦斯抽采钻孔有效半径分别为1.7 m、2.1 m。

4 抽采钻孔合理间距

抽采钻孔间距是影响煤层瓦斯抽采效果与经济指标的关键参数之一，如若以抽采钻孔有效半径的2倍确定，将会在相邻抽采钻孔之间形成瓦斯抽采空白带，如图9中CD灰色区域所示。图中R代表当前抽采钻孔有效影响半径，AB代表当前钻孔间距，E为CD中点，AE、BE长度为L。

图9 合理抽采钻孔间距

根据勾股定理可知，在瓦斯抽采过程，施工抽采钻孔时，应避免瓦斯抽采钻孔区域形成抽采空白带。因此，抽采钻孔合理钻孔间距应把AE的长度L作为抽采钻孔合理间距。综上所述，该矿主采2#和4#煤层，瓦斯抽采钻孔合理间距分别为2.4 m和3.0 m。

5 结论

(1)瓦斯抽采钻孔有效半径和钻孔间距的关系可以分为3种情况：相离、相切和相交。科学合理确定瓦斯抽采有效半径以及抽采钻孔间距，可以有效地提高煤层瓦斯抽采效率，增加经济效益，减少瓦斯灾害发生，对于矿井瓦斯防治具有重要现实意义。

(2)采用RFPA2D-GasFlow软件分析，依据煤层抽采钻孔瓦斯压力指纹图和瓦斯流量统计图，得到该矿出2#和6#煤层的瓦斯抽采有效半径模拟结果。为了进一步验证数值模拟分析结果的可靠性，采用井下现场实测，最终确定该矿2#和4#煤层瓦斯抽采有效半径分别为1.7 m和2.1 m。

(3)通过分析瓦斯抽采有效半径和钻孔间距的关系，为消除瓦斯抽采的空白带，计算确定该矿2#和4#煤层瓦斯抽采钻孔合理布置间距分别为2.4 m和3.0 m。