林海飛，季鵬飛，孔祥國，李樹剛，竇桂東，李 可

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.煤炭行業(yè)西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心，陜西 西安 710054；4.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 710054)

我國大部分礦區(qū)煤層瓦斯含量較高，瓦斯災(zāi)害防控壓力大，制約了礦井安全生產(chǎn)。鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)是降低煤層瓦斯含量，預(yù)防瓦斯事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)煤炭安全開采的根本措施。其中，順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)在礦井瓦斯治理方面應(yīng)用效果顯著。針對煤層瓦斯賦存的區(qū)域性特點(diǎn)，關(guān)鍵是精準(zhǔn)確定順層鉆孔布置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯定時定點(diǎn)預(yù)抽達(dá)標(biāo)，對防治礦井瓦斯災(zāi)害具有重要意義。

順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯時的影響因素眾多，目前多集中于研究煤層瓦斯壓力、抽采負(fù)壓等單因素對其影響，而實(shí)際上各因素間存在交互作用。鑒于此，筆者針對彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存特點(diǎn)，采用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)順層鉆孔參數(shù)優(yōu)化方案，建立含瓦斯煤體流固耦合理論模型，利用COMSOL軟件建立三維鉆孔預(yù)抽模型，研究不同煤層瓦斯賦存條件下布孔參數(shù)單因素及交互因素對瓦斯抽采效果的影響規(guī)律，并對布孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯精準(zhǔn)預(yù)抽，并形成一套靈活、簡單、多選擇并且適用于彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存特點(diǎn)的順層預(yù)抽鉆孔參數(shù)選擇方法。

1 含瓦斯煤體流固耦合抽采模型

1.1 基本假設(shè)

根據(jù)煤層瓦斯賦存特點(diǎn)，提出如下假設(shè)：① 煤體均質(zhì)且各向同性；② 煤體骨架變形、孔隙壓力及吸附解吸效應(yīng)引起的變形遠(yuǎn)小于煤體自身尺度；③ 視煤體為理想線彈性體，應(yīng)力應(yīng)變滿足廣義胡克定律；④ 瓦斯擴(kuò)散服從Fick定律，滲流服從Darcy定律；⑤ 預(yù)抽過程忽略煤體中水分、灰分和賦存溫度變化的影響。

1.2 含瓦斯煤體滲透率動態(tài)演化方程

滲透率是研究煤體瓦斯運(yùn)移規(guī)律的關(guān)鍵參數(shù)之一。瓦斯抽采過程中，煤層原始應(yīng)力狀態(tài)被破壞，引起煤體變形，導(dǎo)致孔隙率發(fā)生改變。而滲透率與孔隙率相關(guān)，任意時刻煤體滲透率可通過Kozeny-Carman方程與孔隙率建立聯(lián)系。另外，外部應(yīng)力、孔隙壓力和吸附解吸效應(yīng)均對煤體孔隙產(chǎn)生影響，考慮以上3個因素建立了含瓦斯煤體滲透率動態(tài)演化模型：

(1)

式中，為任意時刻煤體滲透率，m；為煤體初始滲透率，m；為任意時刻煤體孔隙率，%；為煤體初始孔隙率，%；為有效應(yīng)力系數(shù)；0為煤體初始體應(yīng)變；為初始瓦斯壓力，MPa；為煤基質(zhì)體積模量，MPa；為煤體初始吸附應(yīng)變；為任意時刻煤體的體應(yīng)變；為任意時刻瓦斯平衡壓力，MPa；為任意時刻煤體吸附應(yīng)變。

1.3 煤體瓦斯擴(kuò)散滲流控制方程

原始狀態(tài)煤層瓦斯處于吸附-解吸動態(tài)平衡狀態(tài)，吸附態(tài)瓦斯在任意平衡壓力時的含量，可由廣義Langmuir方程表述為

(2)

式中，為平衡壓力時的吸附態(tài)瓦斯含量，kg/m；為標(biāo)況下的瓦斯密度，kg/m；為煤體密度，kg/m；,為Langmuir體積/壓力常數(shù)，m/kg,MPa。

鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯時原始平衡狀態(tài)被打破，吸附態(tài)瓦斯解吸到煤體微孔隙并在濃度梯度作用下以Fick擴(kuò)散為主的方式運(yùn)移到裂隙中；而煤體裂隙中游離態(tài)瓦斯在壓力梯度作用下以Darcy滲流的方式在裂隙中運(yùn)移。綜合考慮瓦斯擴(kuò)散與滲流過程，構(gòu)建了煤體瓦斯運(yùn)移方程:

(3)

式中，為任意時刻吸附態(tài)瓦斯含量，kg/m；為瓦斯擴(kuò)散系數(shù)，m/s；為解吸擴(kuò)散系數(shù)，反映吸附態(tài)瓦斯解吸并向裂隙擴(kuò)散的難易程度，s；為瓦斯摩爾質(zhì)量，g/mol；為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；為煤體溫度，K；為瓦斯動力黏性系數(shù)，Pa·s。

1.4 含瓦斯煤體變形控制方程

外力作用下煤體產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，瓦斯吸附解吸效應(yīng)引起煤體膨脹/收縮變形，而孔隙壓力作用于孔隙壁同樣使煤體變形。根據(jù)彈性力學(xué)理論，建立考慮有效應(yīng)力的平衡方程、幾何方程和應(yīng)力應(yīng)變方程，得到含瓦斯煤體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式為

(4)

式中，為剪切模量，MPa；,，,為,方向位移分量；,為張量標(biāo)記符號，分別取值1,2,3；為泊松比；為方向瓦斯壓力，MPa；為煤體的體積模量，MPa；為方向吸附解吸應(yīng)變；為方向凈體力分量。

通過耦合瓦斯擴(kuò)散方程、滲流方程和含瓦斯煤體變形方程(式(1)～(4))，再輔以切合實(shí)際的初始/邊界條件，可得到考慮煤體滲透率動態(tài)演化的瓦斯抽采流固耦合理論模型。

2 模擬方案及模擬結(jié)果

2.1 模擬方案

..幾何模型與定解條件

陜西彬長礦區(qū)位于黃隴煤田中部，主采4號煤，煤厚0.15～43.87 m，平均厚度10.64～19.39 m，埋深477.80～995.42 m，平均埋深705.00 m。本次研究共收集大佛寺等8個礦井瓦斯參數(shù)。其中，埋深瓦斯含量為1.19～8.32 m/t，透氣性系數(shù)為0.04～5.34 m/(MPa·d)；瓦斯Langmuir體積、壓力常數(shù)依次為19.84～23.06 m/t，0.54～0.95 MPa。

根據(jù)彬長礦區(qū)煤層瓦斯實(shí)際賦存特征、開采條件和地應(yīng)力狀態(tài)，建立196.0 m×50.0 m×14.0 m的瓦斯預(yù)抽三維模型，如圖1所示。其中，煤層走向長50.0 m，傾向長196.0 m，煤厚14.0 m；煤層走向方向設(shè)置50.0 m×3.5 m的巷道煤壁暴露面，巷道氣壓設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。模擬區(qū)域上覆巖層平均容重為24.5 kN/m，依據(jù)垂直地應(yīng)力等于上覆巖層平均容重與煤層埋深之積，計(jì)算得煤層垂直地應(yīng)力為17.28 MPa，即模型頂部施加均布載荷17.28 MPa，模擬上覆巖層應(yīng)力；模型底部為固定邊界，四周為滑動邊界，巷道煤壁暴露面為自由邊界。煤層布置平行雙順層鉆孔(模擬最小抽采鉆孔單元瓦斯預(yù)抽效果)，孔深180.0 m，封孔長度15.5 m，封孔區(qū)域設(shè)為內(nèi)壁不流通邊界條件。模型采用自由四面體進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并在鉆孔、巷道煤壁處做加密處理，共劃分226 124～297 387個網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量0.517 3～0.535 1。瓦斯預(yù)抽模型涉及的物性參數(shù)由現(xiàn)場實(shí)測、實(shí)驗(yàn)室測試所得，具體參數(shù)見表1。

圖1 煤層瓦斯預(yù)抽三維模型Fig.1 3D model of gas pre-drainage in coal seam

表1 煤層物理特性參數(shù)

煤層瓦斯含量、透氣性系數(shù)、抽采負(fù)壓、鉆孔直徑和布孔間距5個因素的取值按模擬方案依次設(shè)置。

..響應(yīng)面法模擬方案

響應(yīng)面分析法具有試驗(yàn)次數(shù)少、預(yù)測精度高等優(yōu)點(diǎn)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中不僅可以得到響應(yīng)目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量的關(guān)系，還可得到設(shè)計(jì)變量最優(yōu)組合，應(yīng)用Central Composite響應(yīng)面分析法，開展方案設(shè)計(jì)。研究表明，煤層瓦斯含量、透氣性系數(shù)、抽采負(fù)壓、鉆孔直徑及布孔間距5個因素對鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果影響較顯著，依據(jù)前述彬長礦區(qū)瓦斯賦存特征和現(xiàn)場抽采經(jīng)驗(yàn)等，開展5因素5水平響應(yīng)面方案設(shè)計(jì)，以(0，±1，±)編碼(表2)，共50組優(yōu)化方案(表3)。

表2 設(shè)計(jì)因素編碼與水平

..響應(yīng)目標(biāo)

應(yīng)用響應(yīng)面分析法，首先應(yīng)明確響應(yīng)目標(biāo)，目前確定布孔參數(shù)的指標(biāo)主要為有效抽采半徑，該指標(biāo)主要用于確定布孔間距，對于抽采負(fù)壓、鉆孔直徑等抽采工藝參數(shù)，目前沒有明確的選擇方法，其參數(shù)選擇多依賴于現(xiàn)場抽采經(jīng)驗(yàn)。相同預(yù)抽時間下，反映了瓦斯抽采效果的好壞，值越大說明抽采效果越好，但該指標(biāo)無法判別鉆孔間有無抽采盲區(qū)或抽采提前達(dá)標(biāo)，忽略了多鉆孔聯(lián)合抽采時的抽采疊加效應(yīng)，對鉆孔間煤層瓦斯抽采情況判斷不夠精準(zhǔn)。

/不僅考慮了抽采負(fù)壓、鉆孔直徑、布孔間距等布孔參數(shù)對煤層瓦斯抽采效果的影響，同時考慮了多鉆孔聯(lián)合抽采的疊加效應(yīng)，可判斷鉆孔間有無抽采盲區(qū)或抽采提前達(dá)標(biāo)。在抽采疊加效應(yīng)作用下，最優(yōu)布孔間距應(yīng)略大于2，為保證鉆孔間煤層瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)(預(yù)抽結(jié)束時鉆孔間最大瓦斯壓力≤預(yù)抽達(dá)標(biāo)時煤層殘余瓦斯壓力)，將/作為響應(yīng)目標(biāo)。/<1，表明達(dá)標(biāo)時長小于預(yù)期時長，可提前預(yù)抽達(dá)標(biāo)；/=1，表明達(dá)標(biāo)時長等于預(yù)期時長，規(guī)定時間內(nèi)恰好預(yù)抽達(dá)標(biāo)；/>1，表明達(dá)標(biāo)時長大于預(yù)期時長，若要預(yù)抽達(dá)標(biāo)需相應(yīng)延長預(yù)抽時間(圖2)。此外，/還能反映布孔參數(shù)組合的可靠性、合理性，/≤1且越接近1，表明布孔方案越合理。筆者對/進(jìn)行顯著性、交互作用分析，并優(yōu)化確定適用于不同煤層瓦斯賦存特征的布孔參數(shù)，以期提高瓦斯抽采效率，實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯精準(zhǔn)預(yù)抽目標(biāo)，詳細(xì)流程如圖3所示。

表3 試驗(yàn)方案與響應(yīng)結(jié)果

確定/時，需判定煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)情況，假設(shè)中煤體為各向同性均質(zhì)體，忽略煤層的層理/節(jié)理對抽采的影響，因此/均在兩鉆孔水平方向進(jìn)行判定，但受相鄰鉆孔相互擾動產(chǎn)生抽采疊加效應(yīng)的影響，最大瓦斯壓力不一定出現(xiàn)在兩鉆孔中心線中點(diǎn)這一固定位置，因此沿鉆孔水平方向布置測線，監(jiān)測兩鉆孔水平間距內(nèi)的最大瓦斯壓力。選用《煤礦安全規(guī)程》瓦斯抽采率指標(biāo)作為判定依據(jù)，其判定條件為：煤層瓦斯預(yù)抽率>30%，即煤層殘余瓦斯含量≤70%原始瓦斯含量。而煤層殘余瓦斯壓力與殘余瓦斯含量間的換算關(guān)系，可由Langmuir方程表述如下

圖2 布孔參數(shù)優(yōu)化示意Fig.2 Schematic diagram of hole parameters optimization

圖3 煤層瓦斯精準(zhǔn)預(yù)抽流程Fig.3 Accurate pre-drainage process of coal seam gas

(5)

式中,為殘余瓦斯含量，m/t；為游離態(tài)瓦斯含量，m/t；為吸附態(tài)瓦斯含量，m/t。

已知煤層瓦斯含量時，可由式(5)反算煤層殘余瓦斯壓力(達(dá)標(biāo)瓦斯壓力)，進(jìn)而確定/。

根據(jù)表2給出的布孔參數(shù)模擬方案，當(dāng)煤層瓦斯含量為0.243,3.000,5.000,7.000,9.757 m/t時，若預(yù)抽達(dá)標(biāo)，瓦斯壓力需降至0.010 2,0.138 4,0.248 5,0.377 1,0.594 4 MPa以下，并以此作為響應(yīng)目標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)。而煤層透氣性系數(shù)可通過式(6)與滲透率建立聯(lián)系，以便于開展數(shù)值模擬。

=2

(6)

式中，為透氣性系數(shù)，m/(MPa·d)；為單位換算系數(shù)，包括氣體壓力的單位由MPa換算成Pa、瓦斯流速的單位由m/s換算成m/d兩部分；為標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓力，0.101 3 MPa。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)煤層透氣性系數(shù)分別為：0.122,1.500,2.500,3.500和4.878 m/(MPa·d)時，對應(yīng)的滲透率為：0.304×10,3.750×10,6.250×10,8.750×10,12.196×10m。

2.2 模擬結(jié)果

..煤層瓦斯預(yù)抽效果分析

以各影響因素中編碼值為0的參數(shù)為例，分析煤層瓦斯預(yù)抽效果。不同預(yù)抽時間下煤層瓦斯壓力分布如圖4所示。由圖4可知，預(yù)抽100 d時垂直鉆孔方向的抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域以鉆孔為中心呈類圓狀分布，相鄰鉆孔間的抽采疊加效應(yīng)不明顯；隨著預(yù)抽時間延長，抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域不再孤立存在，相鄰鉆孔間的抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域逐漸連通并形成復(fù)合抽采達(dá)標(biāo)區(qū)；預(yù)抽400 d時抽采疊加效應(yīng)越明顯，復(fù)合抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域面積進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖4 順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果Fig.4 Effect of borehole pre-drainage of coal seam gas

..響應(yīng)模型及其適用性分析

預(yù)抽模擬時長設(shè)定為400 d，周期相對較長，受篇幅限制，僅以100,175,250,325和400 d為例，詳細(xì)分析單因素/交互因素對煤層瓦斯預(yù)抽效果的影響規(guī)律，并開展順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯精準(zhǔn)布孔參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

對5組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，通過對比各模型顯著性檢測和相關(guān)性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)，預(yù)抽100,175,250,325和400 d時/響應(yīng)模型均確定為五元二階多項(xiàng)式，響應(yīng)模型及方差分析見表4,5。方差分析顯示：各模型無顯著影響概率()均小于0.000 1，模型回歸效果極顯著。

表4 不同預(yù)抽時間下Pmax/Pb的響應(yīng)模型

表5 Pmax/Pb響應(yīng)模型的方差分析

續(xù)表

表6 響應(yīng)模型誤差分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型可靠性，以/的試驗(yàn)值和模型預(yù)測值為橫/縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，如圖5所示。

由圖5可知，各模型散點(diǎn)均位于=附近，表明模型擬合度較好，可利用該模型進(jìn)行因素間交互作用分析和順層鉆孔布置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 煤層瓦斯精準(zhǔn)預(yù)抽影響因素分析

3.1 單因素對瓦斯精準(zhǔn)預(yù)抽的影響

影響煤層瓦斯精準(zhǔn)預(yù)抽的因素分為地質(zhì)因素和工程因素，兩者共同決定煤層瓦斯的預(yù)抽效果。5個因素中,為地質(zhì)因素,～為工程因素。對比表5中5因素的值(檢驗(yàn)結(jié)果)可知，不同預(yù)抽時間下，/對各因素敏感性均為：>>>>，對/影響最為顯著，若要消除抽采空白帶同時不過度抽采，合理確定順層鉆孔的布孔間距最重要，該結(jié)論恰好表明/很好地考慮到布孔間距的確定問題。

圖5 響應(yīng)目標(biāo)Pmax/Pb試驗(yàn)值與預(yù)測值Fig.5 Experimental and predicted values of response target Pmax/Pb

為直觀分析單因素對/的影響規(guī)律，固定各因素中編碼值為0的參數(shù)，并以各自變量水平值為橫軸，響應(yīng)值為縱軸，擬合/隨各因素變化的曲線，如圖6所示。

圖6 單因素對Pmax/Pb的影響Fig.6 Influence of single factor on Pmax/Pb

由圖6可知，或固定不變時，隨著預(yù)抽時間延長，單位時間內(nèi)/的下降量逐漸減小。為5 m/t時，相鄰預(yù)抽時間/下降量依次為：0.134 2,0.083 7,0.060 5,0.047 4；為2.5 m/(MPa·d)時，相鄰預(yù)抽時間/下降量依次為：0.127 9,0.088 8,0.060 9,0.046 2。是因?yàn)槊簩油咚购恳欢〞r，預(yù)抽初期瓦斯壓力與抽采負(fù)壓形成的壓差較大，瓦斯?jié)B流動力充足，減小速度快，相應(yīng)的/下降量越大，而的減小降低了其與抽采負(fù)壓形成的壓差，預(yù)抽后期瓦斯?jié)B流動力匱乏，減小速度放緩，相應(yīng)的/下降量減小。煤層瓦斯含量的高低決定了滲流動力的大小，而透氣性系數(shù)的高低決定了瓦斯?jié)B流阻力的大小，其作用原理與煤層瓦斯含量類似，在此不再贅述。預(yù)抽時間固定不變時，隨著,增大，/逐漸下降，兩者與/呈負(fù)相關(guān)，預(yù)抽250,325,400 d時抽采達(dá)標(biāo)(/≤1)的煤層瓦斯含量范圍依次為：>6.477 4,>4.881 3,>4.093 6 m/t；煤層透氣性系數(shù)范圍依次為：>3.418 9,>2.394 1,>2.050 9 m/(MPa·d)，即煤層瓦斯含量越高或透氣性系數(shù)越大時抽采達(dá)標(biāo)時間越短。

不同預(yù)抽時間下，隨著,增大，/變化不明顯。固定不變時，隨著預(yù)抽時間延長，單位時間內(nèi)/的下降量逐漸減?。划?dāng)預(yù)抽時間固定不變時，/隨增加而增大，但/增長速率有所放緩。是因?yàn)椴伎组g距設(shè)置過大時，相鄰鉆孔間抽采疊加效應(yīng)被削弱，瓦斯?jié)B流動力匱乏，單位時間內(nèi)僅有少量瓦斯被抽出，減小速度慢，/下降量也越小；隨著預(yù)抽時間延長，鉆孔間抽采疊加效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，下降速度有所提升，/下降量逐漸增加。

3.2 交互因素對瓦斯精準(zhǔn)預(yù)抽的影響

..地質(zhì)因素交互

/不僅受單因素影響，同時受因素間交互作用影響。,對/的影響非常顯著且均屬地質(zhì)因素，如圖7所示。由圖7可知，不同預(yù)抽時間下與的響應(yīng)曲面較陡、響應(yīng)等值線扭曲程度大且分布較密集，兩因素水平范圍內(nèi)的/分別位于1.10～1.50,1.00～1.40,0.90～1.40,0.80～1.30,0.80～1.20，說明地質(zhì)因素對/影響非常顯著，對/數(shù)值大小影響較明顯并具有一定的時間效應(yīng)。另外，不同預(yù)抽時間下，/的響應(yīng)等值線均聚集在右下角，表明即使,處于交互作用下，,對/的影響程度仍然顯著，/隨,增加而減速下降，在與的交互作用下，煤層瓦斯含量越高且煤層透氣性系數(shù)越大時，抽采效果越好，抽采達(dá)標(biāo)時間越短。

圖7 地質(zhì)因素交互作用對Pmax/Pb的影響規(guī)律Fig.7 Influence of interaction between geological factors on Pmax/Pb

..工程因素交互

圖8表明了工程因素交互對/的影響。由圖8(a)可知，不同預(yù)抽時間下，與的響應(yīng)等值線呈圓形分布，兩因素水平范圍內(nèi)存在極值點(diǎn)使得/達(dá)到最小，相鄰響應(yīng)等值線在數(shù)值上僅差0.005，說明抽采負(fù)壓與鉆孔直徑的交互作用不顯著，兩者間的交互作用對煤層瓦斯預(yù)抽效果影響較小，并與單因素分析結(jié)果相互佐證。

由圖8(b),(c)可知，不同預(yù)抽時間下/均沿方向變化較明顯，說明抽采負(fù)壓、鉆孔直徑對/的影響程度小于布孔間距，在與抽采負(fù)壓、鉆孔直徑交互作用下，布孔間距對/的影響仍然顯著，這與單因素分析結(jié)果一致。工程因素之間的交互作用同樣有一定時間效應(yīng)，隨著預(yù)抽時間延長，/不斷降低。

..地質(zhì)因素與工程因素交互

單因素分析發(fā)現(xiàn)，,對/的影響程度最低，導(dǎo)致,與其他因素之間的交互作用并不明顯。因此，地質(zhì)因素與工程因素間的交互作用著重分析與，與，如圖9所示。

圖8 工程因素交互作用對Pmax/Pb的影響Fig.8 Influence of interaction between engineering factors on Pmax/Pb

圖9 地質(zhì)因素與工程因素交互對Pmax/Pb的影響Fig.9 Influence of interaction between geological factors and engineering factors on Pmax/Pb

當(dāng)布孔間距設(shè)置過大時，相鄰鉆孔間的抽采疊加效應(yīng)被削弱，因此，相同或條件下，隨著布孔間距增大，/逐漸增大。布孔間距對/的影響同樣有時間效應(yīng)，隨著預(yù)抽時間延長，相同布孔間距條件下，不同煤層瓦斯含量的煤層所能達(dá)到的/差距逐漸增大；相同煤層瓦斯含量條件下，擴(kuò)大布孔間距增大/的現(xiàn)象有所改善，這說明布孔間距設(shè)置過大時，應(yīng)延長預(yù)抽時間以實(shí)現(xiàn)預(yù)抽達(dá)標(biāo)。對比圖9發(fā)現(xiàn)，在布孔間距與地質(zhì)因素的交互作用下，/的響應(yīng)等值線均沿布孔間距方向變化最為明顯且分布相對密集，說明布孔間距對/的影響程度高于煤層瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)，布孔間距對/影響更顯著，與單因素分析結(jié)果相互佐證。

4 順層鉆孔精準(zhǔn)布孔方法及應(yīng)用

4.1 鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯精準(zhǔn)布孔方法

分析地質(zhì)/工程因素各單因素及交互因素對煤層瓦斯預(yù)抽效果的影響發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)因素和預(yù)抽時間對/影響均比較大。因此，順層鉆孔布置參數(shù)的優(yōu)化問題應(yīng)根據(jù)煤層瓦斯賦存的區(qū)域性特點(diǎn)及工程因素隨時間的變化規(guī)律，開展“分時分區(qū)”式布孔，而不是傳統(tǒng)“以點(diǎn)代面”式布孔。

為實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯的精準(zhǔn)抽采，提高順層預(yù)抽鉆孔的瓦斯抽采效率，提出“分時分區(qū)”式順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯精準(zhǔn)布孔方法(圖10)。

圖10 順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯精準(zhǔn)布孔方法Fig.10 Accurate borehole placement methodfor pre-draining coal seam gas by drilling along the seam

所謂“分時分區(qū)”式順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯精準(zhǔn)布孔方法具體包括“分時”和“分區(qū)”兩步，根據(jù)采掘進(jìn)度合理安排預(yù)抽時間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的第1步“分時”，保證預(yù)抽按時達(dá)標(biāo)；掌握工作面瓦斯賦存規(guī)律的前提下，對工作面瓦斯地質(zhì)單元進(jìn)行等級劃分，形成若干個抽采目標(biāo)區(qū)，并依據(jù)各目標(biāo)區(qū)實(shí)際瓦斯賦存特點(diǎn)，優(yōu)選合理抽采工藝參數(shù)，做到精準(zhǔn)的第2步“分區(qū)”，保證各目標(biāo)區(qū)預(yù)抽達(dá)標(biāo)；兩步結(jié)合形成適用于不同煤層瓦斯賦存特征的順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯精準(zhǔn)布孔方法。

4.2 順層鉆孔布孔參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

利用Design-Expert軟件中的優(yōu)化模塊，在5因素水平范圍內(nèi)開展布孔參數(shù)優(yōu)化(表2)，依次確定不同預(yù)抽時間(100,175,250,325,400 d)下，適用于彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存條件的最優(yōu)化布孔參數(shù)(抽采負(fù)壓、鉆孔直徑、布孔間距)和與之對應(yīng)的/。隨后利用Suffer軟件對不同預(yù)抽時間下適用于彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存條件的最優(yōu)化布孔參數(shù)(抽采負(fù)壓、鉆孔直徑、布孔間距)和與之對應(yīng)的/依次進(jìn)行等值線化處理，最終繪制了“分區(qū)分時”的最優(yōu)布孔參數(shù)等值線分布，如圖11所示。

圖11依次代表了預(yù)抽100,175,250,325,400 d時適用于彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存條件的最優(yōu)化布孔參數(shù)。以圖11(a)為例，進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖11(a)橫坐標(biāo)表示了煤層瓦斯含量，縱坐標(biāo)表示了煤層透氣性系數(shù)，由橫縱坐標(biāo)圈定的范圍代表了彬長礦區(qū)實(shí)際煤層瓦斯賦存情況。另外，圖中黑、藍(lán)、紅3種不同顏色的等值線，依次代表了適用于彬長礦區(qū)不同煤層瓦斯賦存條件下的最優(yōu)化抽采負(fù)壓、鉆孔直徑、布孔間距。

已知區(qū)域煤層地質(zhì)因素和預(yù)抽時間的前提下，便可由圖11快捷、準(zhǔn)確地確定出適用于不同煤層瓦斯賦存特點(diǎn)的最優(yōu)化布孔參數(shù)。主要步驟包括：① 明確預(yù)抽時間；② 確定分時分區(qū)式布孔參數(shù)選擇圖；③ 在圖11中標(biāo)注試驗(yàn)工作面具體位置；④ 根據(jù)已標(biāo)注出的具體位置，確定試驗(yàn)工作面的最優(yōu)化布孔參數(shù)。以煤層瓦斯含量5.0 m/t，煤層透氣性系數(shù)3.0 m/(MPa·d)，預(yù)抽時間100 d為例，通過以上3條信息可準(zhǔn)確確定圖11(a)中的一點(diǎn)“W”，根據(jù)“W”附近3種不同顏色的等值線可確定適用于該工況條件下的最優(yōu)化布孔參數(shù)依次為：布孔間距3.92 m、抽采負(fù)壓25.3 kPa、鉆孔直徑85 mm。

現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時，首先應(yīng)明確試驗(yàn)工作面的計(jì)劃預(yù)抽時間和煤層瓦斯實(shí)際賦存狀況，依據(jù)煤層瓦斯實(shí)際賦存情況將工作面劃分為若干個抽采目標(biāo)區(qū)域；根據(jù)預(yù)抽時間確定圖11中與之對應(yīng)的布孔參數(shù)優(yōu)化圖；根據(jù)各分區(qū)煤層瓦斯含量和透氣性系數(shù)在布孔參數(shù)優(yōu)化圖上找到與各分區(qū)瓦斯賦存特征相對應(yīng)的“定點(diǎn)”或“定區(qū)域”，進(jìn)而快捷、準(zhǔn)確地確定適用于該分區(qū)的最優(yōu)化布孔參數(shù)。

由圖11可知，不同預(yù)抽時間下，隨著地質(zhì)因素的改變，布孔間距優(yōu)選值的變化規(guī)律性最明顯；當(dāng)煤層瓦斯含量和透氣性系數(shù)均比較小時，預(yù)抽100，175，250 d時/>1，說明相鄰鉆孔間存在抽采空白帶，是由于試驗(yàn)方案中布孔間距的水平下限設(shè)定過大，此時若要提高布孔參數(shù)選取優(yōu)度，避免出現(xiàn)抽采空白帶，布孔間距應(yīng)略小于3.50 m。此外，隨著預(yù)抽時間延長，布孔參數(shù)選取優(yōu)度逐步提高，預(yù)抽325，400 d時/均等于1，因此還可適當(dāng)延長預(yù)抽時間來消除抽采空白帶，以保證煤層瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)。

圖11 分時分區(qū)式布孔參數(shù)選擇Fig.11 Time-sharing partition hole layout parameter selection

4.3 工程應(yīng)用

..預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)

陜西彬長某礦屬于高瓦斯礦井，煤層傾角2°～3°，試驗(yàn)工作面走向長2 108 m，傾向長196 m，回采高度14 m，煤層原始瓦斯含量為5.31～6.22 m/t，煤層透氣性系數(shù)為1.54～2.05 m/(MPa·d)，工作面預(yù)留360 d開展采前預(yù)抽。由圖11可知，不同預(yù)抽時間下，試驗(yàn)工作面布孔參數(shù)選取優(yōu)度較好，其中布孔間距對瓦斯預(yù)抽效果影響最大且優(yōu)選值變化規(guī)律性最明顯。為此，預(yù)抽100，175，250，325和400 d時，在試驗(yàn)區(qū)域最優(yōu)化布孔參數(shù)取值范圍內(nèi)沿布孔間距變化最顯著方向選取～等4個點(diǎn)，擬合建立優(yōu)選布孔參數(shù)與預(yù)抽時間函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而確定預(yù)抽360 d時的布孔參數(shù)優(yōu)化方案,如圖12所示(圖中，，，，，，，，為擬合常數(shù)；為預(yù)抽時間，d)。

由圖12知，預(yù)抽時間與優(yōu)選抽采負(fù)壓、鉆孔直徑均呈二次函數(shù)關(guān)系、與優(yōu)化布孔間距符合冪函數(shù)關(guān)系；預(yù)抽360 d，工作面優(yōu)選布孔參數(shù)范圍為：抽采負(fù)壓23.9～22.8 kPa、鉆孔直徑102.4～114.1 mm、布孔間距5.33～6.03 m，可以發(fā)現(xiàn)抽采負(fù)壓、鉆孔直徑的優(yōu)選值差距不大，對/影響較小，因此，準(zhǔn)確設(shè)定順層預(yù)抽鉆孔的布孔間距前提下，兩者可根據(jù)施工條件做出適當(dāng)調(diào)整。

圖12 試驗(yàn)工作面最優(yōu)化布孔參數(shù)Fig.12 Optimal hole layout parameters of test working face

由于試驗(yàn)區(qū)域大部分煤層瓦斯含量為6.00 m/t，透氣性系數(shù)為1.95 m/(MPa·d)，最終順層預(yù)抽鉆孔布置參數(shù)選擇為：布孔間距6.0 m(與相鄰已預(yù)抽工作面布孔間距一致)、抽采負(fù)壓24.0 kPa、鉆孔直徑113 mm。另外，試驗(yàn)工作面采高較大，水平鉆孔無法解決整個工作面的瓦斯預(yù)抽問題，但前述布孔參數(shù)優(yōu)化方案已給出合理的布孔參數(shù)(已優(yōu)化出最小抽采鉆孔單元)，因此保證最大孔間距不超6.0 m前提下，可適當(dāng)調(diào)整鉆孔仰角以滿足整個工作面的瓦斯預(yù)抽。最終試驗(yàn)區(qū)域兩巷分別施工高中低3層含仰角鉆孔。其中，回風(fēng)巷鉆孔水平間距1.50 m，垂直間距0.40 m，仰角依次為3°，5°，7°；運(yùn)輸巷鉆孔水平間距1.50 m，仰角依次為2°，4°，6°，兩巷鉆孔的孔深180.0 m，封孔長度15.5 m。

..預(yù)抽效果分析

圖13 試驗(yàn)工作面瓦斯預(yù)抽效果Fig.13 Effectiveness of pre-drainage at test working face

試驗(yàn)區(qū)域兩巷煤層瓦斯預(yù)抽效果如圖13所示，由圖13可知，預(yù)抽期間回風(fēng)巷/運(yùn)輸巷抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)維持在2.0%～7.0%，2.0%～9.0%；兩巷瓦斯抽采混合流量與瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈相反變化趨勢。當(dāng)預(yù)抽時間達(dá)到190 d時，運(yùn)輸巷瓦斯抽采混合流量出現(xiàn)徒增，這是由于試驗(yàn)工作面的部分區(qū)域開展了水力割縫、注液態(tài)CO/注氮驅(qū)替煤體瓦斯試驗(yàn)，一定程度上提高了抽采混合流量，相應(yīng)降低了抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)。為明確優(yōu)化后的順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果，預(yù)抽結(jié)束后，在僅開展本煤層瓦斯預(yù)抽區(qū)域測定了煤層殘余瓦斯含量并計(jì)算了煤層瓦斯預(yù)抽率。經(jīng)實(shí)測，僅開展煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽360 d時預(yù)抽率為33.50%左右，說明預(yù)抽已達(dá)標(biāo)，一定程度上保證了試驗(yàn)工作面定時定點(diǎn)預(yù)抽達(dá)標(biāo)，確保了回采工作的順利進(jìn)行。

5 結(jié) 論

(1)建立了考慮煤體滲透率動態(tài)演化、瓦斯擴(kuò)散滲流及煤體變形等影響的含瓦斯煤體流固耦合抽采模型；多鉆孔聯(lián)合抽采時，應(yīng)考慮相鄰鉆孔間的抽采疊加效應(yīng)，隨著預(yù)抽時間延長，垂直鉆孔方向的抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域逐漸連通并形成復(fù)合抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域。

(2)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果與地質(zhì)因素、工程因素和預(yù)抽時間有關(guān)；不同預(yù)抽時間下，鉆孔間最大瓦斯壓力與達(dá)標(biāo)壓力比(/)對各因素敏感性依次為布孔間距、煤層瓦斯含量、透氣性系數(shù)、鉆孔直徑、抽采負(fù)壓，其中布孔間距對/影響程度最大。

(3)不同預(yù)抽時間下，地質(zhì)因素中煤層瓦斯含量和透氣性系數(shù)的交互作用對/的影響非常顯著，對/數(shù)值大小影響較大；工程因素中抽采負(fù)壓與鉆孔直徑的交互作用不明顯，對/數(shù)值大小影響較??；布孔間距與地質(zhì)因素的交互作用下，布孔間距對/的影響仍然是顯著的；各因素之間的交互作用對/影響均存在一定時間效應(yīng)。

(4)綜合考慮地質(zhì)因素的空間分布規(guī)律及工程因素隨時間變化規(guī)律，提出了煤層“分時分區(qū)”式順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯精準(zhǔn)布孔方法，可劃分抽采目標(biāo)區(qū)并精準(zhǔn)確定各目標(biāo)區(qū)布孔參數(shù)；試驗(yàn)工作面利用優(yōu)化布孔參數(shù)布置順層預(yù)抽鉆孔，在規(guī)定時間內(nèi)預(yù)抽達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯精準(zhǔn)預(yù)抽。