潘 帥

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

山西長治經(jīng)坊煤礦3-802 工作面開切眼前對工作面可吸解瓦斯進行測定，為8m3/t 。當(dāng)工作面可解吸瓦斯含量大于5m3/t 時，該工作面瓦斯抽采不達(dá)標(biāo)，應(yīng)進行預(yù)抽采，對工作面瓦斯進行抽采合格后才可開始正常回采。2018 年3 月22 日，工作面推進300m 后，采空區(qū)瓦斯積聚現(xiàn)象嚴(yán)重，需要對采空區(qū)瓦斯進行鉆孔抽采。鉆孔布置與瓦斯抽采效果有著密切關(guān)系，因鉆孔布置參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯抽采出現(xiàn)盲區(qū)或抽采效果不佳。本文對經(jīng)坊煤礦3-802 工作面采空區(qū)瓦斯抽采情況進行研究，得出鉆孔布置參數(shù)與瓦斯抽采效果的關(guān)系，用以指導(dǎo)該礦3-802 工作面采空區(qū)瓦斯抽采。

1 工作面概況

經(jīng)坊煤礦3-802 工作面位于3#煤層，煤層平均厚度為6.3m，煤層傾角為2~4°，煤層特性：黑色，塊狀、粉末狀，以亮煤為主，次為暗煤，為半光亮型。采用綜放開采工藝，工作面采用沿空留巷布置。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，工作面布置及通風(fēng)方式示意圖如圖1 所示。煤層頂?shù)装宓奶匦匀绫? 所示。

圖1 工作面布置圖

2 數(shù)值模擬

采空區(qū)圍巖受采動影響，會產(chǎn)生裂隙，瓦斯可通過圍巖裂隙進行流動。本次模擬采用COMSOL數(shù)值模擬軟件，瓦斯抽采方法為高位鉆孔抽采，對此過程中采空區(qū)圍巖裂隙的演化特性及煤巖體的多孔介質(zhì)特性進行研究，建立幾何尺寸為120m×35m×85m 的矩形模型，模型設(shè)置的參數(shù)如表2 所示。限制模型的上下及左右邊界的位移為0，煤體除受自身荷載以外，還受到煤層上方上覆圍巖施加的均布荷載，瓦斯壓力為初始瓦斯壓力。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

表2 數(shù)值模擬基本參數(shù)

模型設(shè)定初始瓦斯壓力為103kPa，設(shè)置瓦斯抽采鉆孔直徑為40mm、65mm、75mm、94mm。模型共三類問題：（1）不同直徑下，瓦斯壓力的變化情況；（2）相同直徑下，隨著瓦斯抽采時間的變化，瓦斯壓力及煤層滲透率的變化情況；（3）多鉆孔（3 鉆孔）耦合作用下鉆孔周圍瓦斯壓力變化和步孔參數(shù)。

（1）不同直徑下，瓦斯壓力的變化情況

標(biāo)準(zhǔn)狀況下瓦斯的壓力與壓力初始值有比較大的壓力差，所以會產(chǎn)生壓力梯度，煤層內(nèi)部瓦斯抽采釋放時，內(nèi)部壓力會逐漸降低。本次模擬瓦斯抽采鉆孔直徑分別為40mm、65mm、75mm、94mm 時，抽采240d 后鉆孔周圍瓦斯壓力的變化情況。如圖2所示為不同直徑下鉆孔周圍瓦斯壓力的變化情況。

由圖2 可看出，隨著鉆孔直徑的增加，鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸減小，且在直徑增加到65mm 后，瓦斯壓力的減小速率開始降低，降低的幅度也大大減小。由此可見，鉆孔直徑為65mm 是最佳瓦斯抽采鉆孔直徑。

（2）相同直徑下（直徑65mm），瓦斯壓力及煤層滲透率隨瓦斯抽采時間的變化情況

上述模擬得出最佳瓦斯抽采鉆孔直徑為65mm，故在此鉆孔直徑下，建立新的模型，模型包括直徑為65mm 的5 個鉆孔。瓦斯壓力隨時間的變化結(jié)果如圖3 所示。

圖2 瓦斯壓力隨鉆孔直徑變化趨勢圖

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

由上圖3 模擬結(jié)果可看出，瓦斯抽采時間為1.125×10-5年（5.91 分鐘）時，最小瓦斯壓力值為29.4kPa，最大值為49.6kPa；抽采時間為1.115×10-5年（5.86 分鐘）時，最小瓦斯壓力降低為21.2kPa，而最大值也降低到37.8kPa。瓦斯壓力隨著抽采時間整體上呈負(fù)相關(guān)的趨勢變化，如圖4 所示瓦斯壓力隨時間變化曲線圖。

圖4 瓦斯壓力隨時間變化圖

結(jié)合本礦正常生產(chǎn)需求，煤層滲透率隨時間變化的模擬周期增加為250d。模擬表明：瓦斯抽采初期，由于瓦斯初始壓力值與標(biāo)況下的壓力值之間的梯度影響，瓦斯壓力大于孔口的吸附膨脹力，瓦斯通道此時最大程度打開，煤層的滲透率達(dá)到最大。隨著瓦斯抽采的進行，瓦斯壓力值逐漸降低，受梯度的影響逐漸減小，孔口吸附膨脹力與瓦斯壓力的差值逐漸縮小，導(dǎo)致煤層的滲透率的增幅速率減小。如圖5 為煤層滲透率隨時間變化曲線圖。

圖5 煤層滲透率隨抽采時間變化圖

（3）多鉆孔耦合作用瓦斯壓力變化

單一鉆孔瓦斯抽采將瓦斯壓力降低至安全值以下比較困難，由數(shù)值模擬結(jié)果可知：單鉆孔抽采時，當(dāng)瓦斯抽采時間達(dá)到180d 時，瓦斯壓力可降至安全值0.74MPa 以下，此時有效抽采半徑為3m；采用雙鉆孔抽采時，抽采85d 以后，瓦斯壓力即可降低至安全值以下，抽采效果比較明顯。為研究多鉆孔瓦斯抽采時瓦斯壓力的變化情況，對鉆孔下瓦斯壓力變化進行研究，并設(shè)置相關(guān)步孔參數(shù)。

鉆孔直徑65mm 時，設(shè)置鉆孔間距分別為3m、4m、5m，對瓦斯抽采過程中壓力的變化進行模擬。各孔徑下不同抽采時間下的瓦斯壓力變化曲線如圖6 所示。

由圖6 可知，三鉆孔耦合作用下，鉆孔間距分別為3m、4m、5m 時，瓦斯壓力的降低速度均很快。間距為3m 時，抽采90d 即可使瓦斯壓力降低到安全值，有效半徑大于1.5m；間距為4m 時，需要110d 時間，間距為5m 時，需要152d 時間，瓦斯壓力可降低至安全值，且有效半徑均大于1.5m。當(dāng)抽采時間超過180d 后，抽采半徑均達(dá)到3.46m 左右，鉆孔周圍的瓦斯壓力下降速率越來越小。

當(dāng)工作面瓦斯抽采選擇多鉆孔耦合時，可根據(jù)工作面瓦斯抽采的時間選擇合理的鉆孔間距。瓦斯抽采時間不超過150d 時，選擇3m 孔距比較合理，瓦斯抽采時間超過150d 時，可適當(dāng)增大鉆孔間距，既保證瓦斯抽采不存在盲區(qū)，又保證抽采的經(jīng)濟性，避免重復(fù)抽采的進行。

圖6 不同抽采時間下瓦斯壓力變化曲線

3 現(xiàn)場驗證

針對經(jīng)坊煤礦3-802 工作面采空區(qū)瓦斯積聚現(xiàn)象嚴(yán)重的情況，結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，通過工作面邊采邊抽后，擬通過鉆孔形式對工作面采空區(qū)的瓦斯進行高位鉆孔抽采。布置工作面鉆眼直徑為65mm，預(yù)期在盡量短的時間內(nèi)使工作面瓦斯含量達(dá)到安全值（0.74MPa），所以相鄰鉆孔間距選擇為3m。采空區(qū)瓦斯抽采初期，瓦斯壓力降低速率很快，后逐漸減小，直到趨于穩(wěn)定；抽采時間120d后，鉆孔周圍的瓦斯壓力穩(wěn)定在0.63MPa，且在距離鉆孔2m 處的瓦斯壓力為0.72MPa。圖7 為瓦斯壓力變化曲線，這與數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致。

由此可以得出，本次數(shù)值模擬的結(jié)論對工程實際有比較好的指導(dǎo)作用，可對工程的經(jīng)濟性以及生產(chǎn)的安全性起到比較大的幫助。

圖7 3-802 工作面采空區(qū)瓦斯壓力隨時間變化曲線