張盈盈，郭　巍，邢紀(jì)偉

（1.呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西呂梁033001；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024）

瓦斯抽采半徑確定方法的研究與應(yīng)用*

張盈盈1，郭巍1，邢紀(jì)偉2

（1.呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西呂梁033001；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024）

摘要：礦井瓦斯抽采設(shè)計過程中，抽采半徑是其中的主要技術(shù)指標(biāo)之一。針對抽采半徑難以準(zhǔn)確確定的難題，對抽采半徑的確定方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，明確了不同方法的理論依據(jù)、操作步驟與注意事項(xiàng)。以具體礦井為研究與應(yīng)用基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)測定和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，準(zhǔn)確確定出了礦井的抽采影響半徑和有效抽采半徑，為礦井的抽采設(shè)計和現(xiàn)場操作提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；抽采半徑；壓降指標(biāo)法；試驗(yàn)測定；數(shù)值模擬

瓦斯災(zāi)害是影響礦井正常生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一，而瓦斯抽采則是最有效的礦井瓦斯治理手段之一，能夠有效降低瓦斯涌出量，減小瓦斯爆炸可能，防治煤與瓦斯突出［1］。瓦斯抽采鉆孔之間的間距，也就是瓦斯鉆孔抽采半徑，是瓦斯抽采時的重要參數(shù)。如抽采半徑偏大，則會有抽采盲區(qū)形成，反之如抽采半徑偏小，則抽采時的經(jīng)濟(jì)效益偏低，造成資源的浪費(fèi)。因此，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況合理選擇抽采方式及確定最佳的抽采鉆孔半徑，能夠形成最佳的經(jīng)濟(jì)效益以及抽采效果，對于礦井的瓦斯抽采工作有重大的現(xiàn)實(shí)意義［2］。

1　鉆孔抽采半徑的定義

根據(jù)瓦斯的抽采程度，鉆孔抽采半徑可以分為有效抽采半徑和抽采影響半徑，見圖1。

圖1　鉆孔抽采半徑示意圖

1.1瓦斯抽采有效半徑

在抽采過程中，以抽采鉆孔為中心，在一定的半徑范圍內(nèi)，經(jīng)過規(guī)定的時間，瓦斯的含量或者壓力降低到了規(guī)定許可值的范圍，則該半徑就稱為瓦斯抽采有效半徑。瓦斯抽采有效半徑受多種因素的影響，主要包括煤層的透氣性系數(shù)、瓦斯壓力、吸附性能以及鉆孔的抽采負(fù)壓、抽采時間等［3-4］。

1.2瓦斯抽采影響半徑

在抽采過程中，規(guī)定時間內(nèi)煤層內(nèi)的瓦斯壓力開始下降的位置到瓦斯抽采鉆孔中心位置的距離稱為瓦斯抽采影響半徑。

2　瓦斯抽采鉆孔半徑測定方法及界定指標(biāo)

鉆孔抽采半徑的測定目前尚無規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，一般采用直接測定法和間接計算法兩種方式［5-6］。而目前主流的鉆孔測試法及計算機(jī)模擬法則分別對應(yīng)直接測定法和間接計算法。

在鉆孔抽采半徑的界定上，鉆孔測試法國內(nèi)外采用的界定指標(biāo)主要有以下幾種：瓦斯壓力指標(biāo)［7］、壓降指標(biāo)、瓦斯含量指標(biāo)［8-9］、鉆屑解吸指標(biāo)。計算機(jī)模擬法［10-13］采用的界定指標(biāo)主要有瓦斯壓力指標(biāo)和相對瓦斯壓力指標(biāo)。

1）鉆孔測試法：以瓦斯抽采影響半徑為中心，從中心至外圍，瓦斯壓力及瓦斯含量是不斷減少的，同時瓦斯涌出量也是不斷減少的。在抽采鉆孔周邊不同距離布置測試鉆孔，通過測定測試鉆孔內(nèi)瓦斯壓力、瓦斯涌出量或打鉆過程中鉆屑解吸指標(biāo)值的變化，即可確定鉆孔的有效抽采半徑。

2）計算機(jī)模擬法：基于瓦斯?jié)B流基本定律-達(dá)西定律，利用數(shù)值模擬軟件建立了鉆孔瓦斯流動模型，設(shè)立了一個求解程序，模擬了鉆孔內(nèi)瓦斯流動規(guī)律和瓦斯氣體壓力分布規(guī)律，通過分析孔周煤體瓦斯壓力的變化，進(jìn)而確定鉆孔有效抽采半徑。

2.1瓦斯壓力指標(biāo)法

利用瓦斯壓力指標(biāo)法測定瓦斯有效抽采半徑的具體操作方法如下：

在井下選取合適的位置，在煤層中打一排測壓鉆孔，對這些鉆孔進(jìn)行壓力測定，具體的布置方式見圖2，編號2、3、…、n均為測壓鉆孔，相鄰鉆孔之間的距離分別用d2、d3、…、dn來表示。在操作過程中，首先對測壓孔進(jìn)行封孔測壓，待壓力穩(wěn)定后在測壓孔2的一側(cè)打抽采孔1，利用抽采孔1進(jìn)行瓦斯抽采，在抽采的過程中觀測測壓孔壓力的變化。在鉆孔1進(jìn)行抽采的過程中，部分測壓孔的瓦斯壓力會逐漸降低，如果某個測壓孔a以及該孔之前的與抽采孔1更近的所有測壓孔的瓦斯壓力均小于規(guī)定的預(yù)抽瓦斯的有效性指標(biāo)，那么此鉆孔與抽采鉆孔1之間的距離就是鉆孔瓦斯抽采有效半徑d，d=d1+d2+d3+…+da-1。

圖2 鉆孔布置圖

2.2壓降指標(biāo)法

2.2.1壓降指標(biāo)法原理

利用抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采時，煤體內(nèi)的瓦斯受抽采負(fù)壓和瓦斯壓力的作用，由煤層向鉆孔運(yùn)移，形成了一個以抽采鉆孔為中心的近似圓形的抽采影響圈，計算出來的抽采影響圈的半徑就是所求的鉆孔影響半徑。在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行瓦斯抽采，鉆孔抽采瓦斯的有效影響范圍就是瓦斯抽采的有效半徑。利用瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行抽采的過程中，隨著抽采時間的延長，抽采影響半徑會逐漸增大，直至鉆孔抽采負(fù)壓和煤層瓦斯壓力不足以克服瓦斯運(yùn)移的阻力為止。隨著抽采時間的延長，在鉆孔的抽采影響圈的范圍內(nèi)，瓦斯壓力會逐漸減低，在影響圈內(nèi)打一些測壓鉆孔，記錄下影響圈內(nèi)的測壓鉆孔的壓力變化，通過壓力變化得到鉆孔有效抽采半徑。

2.2.2壓降指標(biāo)法確定抽采半徑的相關(guān)界定值

我國的《煤礦安全規(guī)程》第一百九十條對瓦斯抽采進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定：煤層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采之后，瓦斯的預(yù)抽采率必須大于30%，即煤層的瓦斯含量預(yù)抽采后與預(yù)抽采前相比至少降低30%。

在對煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力之間的關(guān)系進(jìn)行研究的工程實(shí)踐中，瓦斯壓力不是很大的情況下，煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力滿足以下拋物線模型關(guān)系。

式中：X為煤層的瓦斯含量，m3/t；α為煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/（t·M1/2Pa1/2）；p為煤層的瓦斯壓力，MPa。

2.2.3壓降指標(biāo)法確定鉆孔抽采影響半徑

利用抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采的過程中，在抽采影響圈的范圍內(nèi)，煤層內(nèi)的瓦斯不斷向鉆孔涌出，煤層內(nèi)的瓦斯含量相應(yīng)地降低。人們規(guī)定，當(dāng)鉆孔周圍的瓦斯含量降低10%時，則表明該位置處于抽采鉆孔的影響范圍內(nèi)，根據(jù)式（1）中瓦斯含量與瓦斯壓力之間的拋物線關(guān)系，此時煤層的瓦斯壓力下降了19%。在工程實(shí)例中，瓦斯抽采影響半徑的確定方法如下：對測壓孔進(jìn)行封孔測壓，待壓力穩(wěn)定后利用抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，在抽采過程中，將測壓孔壓力降低19%以上的所有鉆孔視為抽采影響范圍內(nèi)的鉆孔，距離抽采孔最遠(yuǎn)的抽采影響范圍內(nèi)的測壓鉆孔中心線到抽采孔中心線的距離即為抽采影響半徑。

2.2.4壓降指標(biāo)法確定鉆孔的有效抽采半徑

根據(jù)上文對煤層瓦斯的預(yù)抽采率必須大于30%的要求，對于鉆孔有效抽采半徑定義為在該半徑范圍內(nèi)，煤層的瓦斯含量降低30%以上，即煤層殘存瓦斯含量降低到原來的70%以下。依據(jù)式（1）給出的瓦斯含量與瓦斯壓力的拋物線關(guān)系，在有效抽采半徑內(nèi)，煤層的瓦斯壓力至少下降51%。因此，在工程實(shí)踐中，確定有效抽采半徑的具體方法如下：對測壓孔進(jìn)行封孔測壓，待壓力穩(wěn)定后利用抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，在抽采過程中，將測壓孔壓力降低51%以上的所有鉆孔視為有效抽采半徑內(nèi)的鉆孔，距離抽采孔最遠(yuǎn)的有效抽采半徑內(nèi)的測壓鉆孔中心線到抽采孔中心線的距離即為有效抽采半徑。

2.3瓦斯含量指標(biāo)法

用瓦斯含量指標(biāo)測定鉆孔抽采半徑的具體方法是：首先在煤層打一排測壓孔，見圖2，封孔測壓，同時按煤層破壞結(jié)構(gòu)分層采取一定的新鮮煤樣，并進(jìn)行煤的工業(yè)分析和吸附常數(shù)測定。當(dāng)壓力穩(wěn)定后在2號孔一側(cè)打抽采鉆孔，為1號孔，并在1號孔進(jìn)行抽采，定期觀察測壓孔的瓦斯壓力，同時根據(jù)每個測壓孔的煤樣參數(shù)以及對應(yīng)的瓦斯壓力，用計算公式得出該點(diǎn)的煤巖的瓦斯含量量X2、X3、…、Xn。

如果a（a=2、3、…、n）號孔及其之前的測壓孔的瓦斯含量與原始含量相比下降30%以上，而a號孔之后的測壓孔的瓦斯含量比原始含量下降30%以下，那么d=d1+d2+d3+…+da-1，就是鉆孔的有效抽采半徑。

2.4鉆屑解吸指標(biāo)法

如前所述，在瓦斯鉆孔抽采影響圈范圍內(nèi)，煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量會逐漸降低，對應(yīng)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值也會有所下降。在抽采鉆孔周圍不同距離布置測試鉆孔，通過測定分析測試鉆孔打鉆過程中鉆屑解吸指標(biāo)值的變化，即可確定鉆孔抽采半徑。

3　工程應(yīng)用

3.1礦井概況

常村煤礦是山西潞安集團(tuán)所屬的大型礦井，以往該礦開采區(qū)域煤層瓦斯含量及瓦斯壓力較低，隨著回采工作面的推進(jìn)，在井田范圍內(nèi)逐步出現(xiàn)了高瓦斯區(qū)域。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效抽采瓦斯，提高抽采鉆孔設(shè)計和施工的合理性與準(zhǔn)確性以及準(zhǔn)確測定有效抽采半徑是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。本文對常村煤礦3號煤層抽采半徑進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測及數(shù)值模擬研究，以便為礦井本煤層預(yù)抽瓦斯鉆孔的合理設(shè)計提供理論依據(jù)，并為礦井瓦斯抽采提供可靠的技術(shù)保障，從而為瓦斯治理提供一種切實(shí)有效的方法。

3.2壓降指標(biāo)法現(xiàn)場實(shí)測

此次采用壓降指標(biāo)法測量抽采半徑，鉆孔的具體布置方式見圖3。首先布置1號和2號測壓鉆孔，二者之間的距離為2.7 m，對二者進(jìn)行封孔測壓，最后1號和2號測壓孔的壓力最終穩(wěn)定在了0.62 M P a和0.50M P a。待1、2號測壓鉆孔壓力穩(wěn)定后，在二者之間施工一個孔深40 m，鉆孔直徑φ94 mm的1號抽采孔，與1、2號測壓孔平行布置，距離二者的距離分別為1.2m和1.5 m。

圖3　壓降指標(biāo)法確定抽采半徑鉆孔布置示意圖

1號鉆孔施工完成后，接入抽采系統(tǒng)，在抽采負(fù)壓為9 kPa～10 kPa的情況下，進(jìn)行瓦斯抽采，抽采過程中1號和2號測壓鉆孔的瓦斯壓力變化見圖4和圖5。

1號抽采孔在抽采負(fù)壓為9 kPa～10 kPa的情況下，抽采30 d，由圖4和圖5中1號和2號測壓孔的瓦斯壓力的變化曲線可以看出：經(jīng)過30 d的抽采，1號測壓孔的瓦斯壓力由最初穩(wěn)定時的0.62 M P a下降到最終的0.45M P a，2號測壓孔的瓦斯壓力由最初穩(wěn)定時的0.50 MPa下降到最終的0.45 M P a，下降的比例分別為最初穩(wěn)定時的25%和10%。由上面提到的瓦斯抽采影響半徑確定的指標(biāo)，1號測壓孔在抽采影響半徑內(nèi)，2號測壓孔不在抽采影響半徑內(nèi)，則抽采影響半徑R的取值為：1.2 m＜R＜1.5 m。

圖4　1號孔抽采過程中1號測壓孔瓦斯壓力變化

圖5　1號孔抽采過程中2號孔瓦斯壓力變化

通過抽采影響半徑范圍進(jìn)而確定有效抽采半徑大小。1號鉆孔的瓦斯壓力下降了25%，2號與1號鉆孔的距離為1.2m，則有效抽采半徑r＜1.2 m。將1號鉆孔進(jìn)行密閉，在1號測壓孔的水平左側(cè)約1m處施工孔深40m，鉆孔直徑φ94mm的2號抽放孔。施工圖見圖6。

圖6 2號鉆孔布置示意圖

將2號鉆孔接入到抽采系統(tǒng)中，在抽采負(fù)壓為9 kPa～10 kPa的情況下，抽采10 d，抽采過程中，1號測壓孔的壓力變化曲線見圖7。1號測壓孔的壓力由0.45MPa下降到0.05Mpa，下降率為88.9%。

由圖7可以得出，2號抽采孔在抽采時間為10天、抽采負(fù)壓為9 kPa～10 kPa的情況下，鉆孔有效抽采半徑r＞1m。

圖7　2號抽采孔抽采時1號測壓孔瓦斯壓力變化

由上述實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)果：常村煤礦在抽采鉆孔孔深40m、鉆孔直徑φ94mm、抽采時間30 d、抽采負(fù)壓9 kPa～10 kPa的參數(shù)情況下，瓦斯抽采影響半徑R為：1.2m＜R＜1.5m，鉆孔的有效抽采半徑r為：1.0 m＜r＜1.2m。

3.3鉆孔抽采半徑數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對抽采鉆孔進(jìn)行模擬［10］。

3.3.1數(shù)值模型的幾何條件

數(shù)值模型以潞安常村礦試驗(yàn)區(qū)3號煤層賦存條件為基礎(chǔ)建立，數(shù)值模型尺寸盡可能按照現(xiàn)場實(shí)際尺寸確定。模型共劃分網(wǎng)格單元26 500個，節(jié)點(diǎn)28 250個。水平向右為X軸正方向，沿煤層走向?yàn)閅軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，整個模型范圍大小為30 m×40 m×18 m。模型中鉆孔直徑為φ94mm。所建數(shù)值模型見圖8。

圖8　整體數(shù)值模型網(wǎng)格圖

3.3.2孔周瓦斯壓力分布計算結(jié)果

圖9和圖10分別為鉆孔周圍瓦斯壓力分布剖面圖與瓦斯壓力曲線。

圖9　鉆孔周圍瓦斯壓力剖面圖

圖10　鉆孔周圍瓦斯壓力曲線分布圖

3.3.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

在煤層瓦斯抽采鉆孔附近的一定范圍內(nèi)，由于鉆孔抽采負(fù)壓存在，煤層內(nèi)部與鉆孔之間存在一定的瓦斯壓力梯度，鉆孔附近煤體中的瓦斯在壓力梯度作用下向鉆孔內(nèi)涌出，形成瓦斯徑向流動場，煤層中瓦斯含量逐漸減少，壓力降低。計算結(jié)果表明，在距抽采鉆孔中心約1.1m～1.4m處，瓦斯壓力降低明顯；在距抽采鉆孔中心約1.1 m處，瓦斯壓力由原來的0.62 MPa下降至0.31MPa以下，下降了51%以上。

4　結(jié)論

1）利用壓降指標(biāo)法對常村煤礦抽采半徑進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，確定出抽采孔直徑為φ94 mm、負(fù)壓約為9 kPa～10 kPa、抽采30 d的條件下，鉆孔抽采的影響半徑為1.2 m＜R＜1.5 m，有效的抽采半徑為1.0 m＜r＜1.2 m。

2）利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對常村煤礦抽采半徑進(jìn)行模擬得出，距鉆孔中心1.1m～1.4m處，瓦斯壓力開始下降；在距抽采鉆孔中心約1.1 m處，瓦斯壓力由0.62MPa下降至0.31MPa以下。

3）通過對常村礦瓦斯抽采半徑的研究，為礦井的抽采設(shè)計和現(xiàn)場應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳星，袁東，茍紅英，等.新型煤礦瓦斯抽采技術(shù)及其作用研究［J］.煤炭技術(shù)，2014（6）：54-56.

［2］魯義，申宏敏，秦波濤，等.順層鉆孔瓦斯抽采半徑及布孔間距研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2015（1）：156-162.

［3］岳乾，李希建，張鵬，等.穿層鉆孔瓦斯抽采半徑測定影響因素優(yōu)化分析及應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2014（10）：68-70.

［4］穆敏，丁勇.鉆孔抽采效果影響因素的模擬分析［J］.煤，2014（3）：62-63.

［5］唐兵，司春風(fēng)，孟賢正.鉆孔瓦斯抽采半徑的確定方法及實(shí)踐［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2012（4）：43-45，48，92.

［6］郝富昌，劉明舉，孫麗娟.瓦斯抽采半徑確定方法的比較及存在問題研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012（12）：55-58，110.

［7］余陶，盧平，孫金華，等.基于鉆孔瓦斯流量和壓力測定有效抽采半徑［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2012（4）：596-600.

［8］王琪，郭壽松.瓦斯含量法測定鉆孔抽采半徑在新集二礦的應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2013（4）：59-61，65.

［9］劉廳，林柏泉，鄒全樂，等.基于煤層原始瓦斯含量和壓力的割縫鉆孔有效抽采半徑測定［J］.煤礦安全，2014（8）：8-11.

［10］華明國，傅聰.基于FLAC3D的瓦斯抽采半徑數(shù)值模擬方法研究［J］.煤，2015（10）：12-14，39，45.

［11］王兆豐，李炎濤，夏會輝，等.基于COMOSOL的順層鉆孔有效抽采半徑的數(shù)值模擬［J］.煤礦安全，2012（10）：4-6.

［12］康宇.預(yù)抽瓦斯鉆孔抽采影響半徑時效特性研究［D］.焦作：河南理工大學(xué)，2012.

［13］秦恒潔，徐向宇.瓦斯抽采半徑確定的數(shù)值模擬研究［J］.煤炭技術(shù)，2015（2）：165-167.

（編輯：李森森）

中圖分類號：TD72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5050（2016）03-005-05

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.06.002

收稿日期：2015-12-12

基金項(xiàng)目：呂梁學(xué)院自然科學(xué)基金（ZRXN201407）

作者簡介：張盈盈（1985-），女，河南靈寶人，博士，助教，從事礦井通風(fēng)安全方向的研究。

Research and App lication of Determ ining Technology of Gas Drainage Radius

ZHANG Yingying1,GUOW ei1,XING Jiwei2
（1.Departmentof Mining Engineering，Lvliang University，Lvliang 033001，China；2.College ofMining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：Drainage radius，asoneofmajor technical indicators in gas drainage design，isdifficult to be determined.Therefore，the determiningmethod was studied in details and the theoretical foundation，operating steps，and precautions were pinpointed.Taking a specific mine as the basis of research and practice，field testand numerical simulation are combined to determine themining influential radius and effective drainage radius，which could provide a reliable foundation for the drainage design and field operation.

Keywords：gas drainage；extracting radius；index method of pressure drop；test determination；numericalsimulation