張盈盈，郭　巍，邢紀偉

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

瓦斯抽采半徑確定方法的研究與應用*

張盈盈1，郭巍1，邢紀偉2

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

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

關鍵詞：瓦斯抽采；抽采半徑；壓降指標法；試驗測定；數(shù)值模擬

瓦斯災害是影響礦井正常生產的重要災害之一，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)濟效益偏低，造成資源的浪費。因此，根據(jù)現(xiàn)場的實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，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)定時間內煤層內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

鉆孔抽采半徑的測定目前尚無規(guī)范的標準，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模擬法則分別對應直接測定法和間接計算法。

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

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瓦斯壓力、瓦斯涌出量或打鉆過程中鉆屑解吸指標值的變化，即可確定鉆孔的有效抽采半徑。

2）計算機模擬法：基于瓦斯?jié)B流基本定律-達西定律，利用數(shù)值模擬軟件建立了鉆孔瓦斯流動模型，設立了一個求解程序，模擬了鉆孔內瓦斯流動規(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，進而確定鉆孔有效抽采半徑。

2.1瓦斯壓力指標法

利用瓦斯壓力指標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，首先對測壓孔進行封孔測壓，待壓力穩(wěn)定后在測壓孔2的一側打抽采孔1，利用抽采孔1進行瓦斯抽采，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)定的預抽瓦斯的有效性指標，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壓降指標法

2.2.1壓降指標法原理

利用抽采鉆孔進行瓦斯預抽采時，煤體內的瓦斯受抽采負壓和瓦斯壓力的作用，由煤層向鉆孔運移，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)定的時間內進行瓦斯抽采，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，直至鉆孔抽采負壓和煤層瓦斯壓力不足以克服瓦斯運移的阻力為止。隨著抽采時間的延長，在鉆孔的抽采影響圈的范圍內，瓦斯壓力會逐漸減低，在影響圈內打一些測壓鉆孔，記錄下影響圈內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壓降指標法確定抽采半徑的相關界定值

我國的《煤礦安全規(guī)程》第一百九十條對瓦斯抽采進行了相關規(guī)定：煤層進行瓦斯預抽采之后，瓦斯的預抽采率必須大于30%，即煤層的瓦斯含量預抽采后與預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系進行研究的工程實踐中，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壓降指標法確定鉆孔抽采影響半徑

利用抽采鉆孔進行瓦斯預抽采的過程中，在抽采影響圈的范圍內，煤層內的瓦斯不斷向鉆孔涌出，煤層內的瓦斯含量相應地降低。人們規(guī)定，當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，根據(jù)式（1）中瓦斯含量與瓦斯壓力之間的拋物線關系，此時煤層的瓦斯壓力下降了19%。在工程實例中，瓦斯抽采影響半徑的確定方法如下：對測壓孔進行封孔測壓，待壓力穩(wěn)定后利用抽采鉆孔進行瓦斯抽采，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的鉆孔，距離抽采孔最遠的抽采影響范圍內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壓降指標法確定鉆孔的有效抽采半徑

根據(jù)上文對煤層瓦斯的預抽采率必須大于30%的要求，對于鉆孔有效抽采半徑定義為在該半徑范圍內，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系，在有效抽采半徑內，煤層的瓦斯壓力至少下降51%。因此，在工程實踐中，確定有效抽采半徑的具體方法如下：對測壓孔進行封孔測壓，待壓力穩(wěn)定后利用抽采鉆孔進行瓦斯抽采，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的鉆孔，距離抽采孔最遠的有效抽采半徑內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瓦斯含量指標法

用瓦斯含量指標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，同時按煤層破壞結構分層采取一定的新鮮煤樣，并進行煤的工業(yè)分析和吸附常數(shù)測定。當壓力穩(wěn)定后在2號孔一側打抽采鉆孔，為1號孔，并在1號孔進行抽采，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)以及對應的瓦斯壓力，用計算公式得出該點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鉆屑解吸指標法

如前所述，在瓦斯鉆孔抽采影響圈范圍內，煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量會逐漸降低，對應的鉆屑瓦斯解吸指標值也會有所下降。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值的變化，即可確定鉆孔抽采半徑。

3　工程應用

3.1礦井概況

常村煤礦是山西潞安集團所屬的大型礦井，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，在井田范圍內逐步出現(xiàn)了高瓦斯區(qū)域。為了實現(xiàn)經(jīng)濟、高效抽采瓦斯，提高抽采鉆孔設計和施工的合理性與準確性以及準確測定有效抽采半徑是一項重要的基礎工作。本文對常村煤礦3號煤層抽采半徑進行現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬研究，以便為礦井本煤層預抽瓦斯鉆孔的合理設計提供理論依據(jù)，并為礦井瓦斯抽采提供可靠的技術保障，從而為瓦斯治理提供一種切實有效的方法。

3.2壓降指標法現(xiàn)場實測

此次采用壓降指標法測量抽采半徑，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)，在抽采負壓為9 kPa～10 kPa的情況下，進行瓦斯抽采，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，1號測壓孔在抽采影響半徑內，2號測壓孔不在抽采影響半徑內，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號鉆孔進行密閉，在1號測壓孔的水平左側約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

由上述實驗可以得出以下結果：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區(qū)3號煤層賦存條件為基礎建立，數(shù)值模型尺寸盡可能按照現(xiàn)場實際尺寸確定。模型共劃分網(wǎng)格單元26 500個，節(jié)點28 250個。水平向右為X軸正方向，沿煤層走向為Y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)值模擬結果分析

在煤層瓦斯抽采鉆孔附近的一定范圍內，由于鉆孔抽采負壓存在，煤層內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　結論

1）利用壓降指標法對常村煤礦抽采半徑進行現(xiàn)場實測，確定出抽采孔直徑為φ94 mm、負壓約為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，為礦井的抽采設計和現(xiàn)場應用提供了可靠的依據(jù)。

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（編輯：李森森）

中圖分類號：TD72

文獻標識碼：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

基金項目：呂梁學院自然科學基金（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