王一琦，楊 雷，范超軍

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新 123000）

瓦斯是煤炭的伴生產(chǎn)物。隨著煤炭的回采，瓦斯從煤壁中涌出，誘發(fā)瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，危害煤礦安全生產(chǎn)。瓦斯抽采是防治瓦斯災(zāi)害的重要手段，然而實(shí)際抽采設(shè)計(jì)中多依靠經(jīng)驗(yàn)確定鉆孔布置參數(shù)，給瓦斯高效精準(zhǔn)抽采造成誤差。因此，研究對(duì)抽采效果存在關(guān)鍵影響的鉆孔直徑、抽采負(fù)壓、鉆孔間距等參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際煤層地質(zhì)條件確定這些參數(shù)至關(guān)重要。

學(xué)者們對(duì)瓦斯抽采開展了多方面的研究。陳月霞等[1]采用三維數(shù)值模擬方法，指出煤層瓦斯壓力在單排鉆孔抽采時(shí)具有顯著的時(shí)空響應(yīng)特征，且鉆孔之間具有明顯的疊加效應(yīng)；范超軍等[2]建立了考慮煤層滲透率各向異性的瓦斯抽采流固耦合模型，揭示了鉆孔布置方向?qū)Τ椴尚Ч挠绊?，得到了等效抽采半徑的變化?guī)律；李勝等[3]將煤層假設(shè)為雙孔雙彈性介質(zhì)，分析了三花眼鉆孔抽采時(shí)，間距對(duì)瓦斯壓力變化和消突時(shí)間的影響；郭欣等[4]提出了壓力差提高比的概念，研究抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯有效抽采半徑的影響，并給出了相應(yīng)機(jī)理的解釋；袁欣鵬[5]分析了不同鉆孔數(shù)量抽采下煤層瓦斯抽采效果，以及瓦斯壓力等參數(shù)的變化規(guī)律；王國鴻[6]研究了影響穿層和順層鉆孔瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素，并驗(yàn)證了瓦斯抽采流量衰減特征；李川等[7]、范亞飛[8]各自利用不同軟件數(shù)值模擬了鉆孔周邊瓦斯壓力變化規(guī)律,獲得了鉆孔尺寸、抽采負(fù)壓、抽采時(shí)間和透氣性系數(shù)對(duì)有效抽采半徑的影響規(guī)律。

以上研究對(duì)瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，然而，這些研究未考慮煤層變形和煤層水對(duì)抽采的綜合影響。為此，基于多物理場(chǎng)耦合理論，建立氣水兩相流的流-固耦合瓦斯抽采數(shù)學(xué)模型，以山西漳村煤礦為研究背景，利用COMSOL Multiphysics 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究順層抽采時(shí)不同抽采參數(shù)對(duì)有效抽采區(qū)域和瓦斯壓力變化的影響規(guī)律，并歸納分析得出最佳抽采參數(shù)，以期對(duì)同類高瓦斯煤層瓦斯抽采和安全生產(chǎn)提供參考。

1 流固耦合數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

根據(jù)煤層賦存瓦斯和水的特點(diǎn)，在建立煤層瓦斯流固耦合數(shù)學(xué)模型前，作出如下假設(shè)[8-10]：①煤體是由裂隙-孔隙構(gòu)成的多孔彈性連續(xù)介質(zhì)；②瓦斯可以看作是理想狀態(tài)氣體；③煤層中瓦斯以游離態(tài)和吸附態(tài)存在，吸附瓦斯服從朗格繆爾（Langmuir）單分子層吸附理論且瓦斯在煤巖體中的吸附解吸都是在恒溫的條件下進(jìn)行的，即不考慮瓦斯解吸造成的溫度變化；④基質(zhì)中的瓦斯運(yùn)移滿足Fick 擴(kuò)散定律，裂隙中瓦斯和水運(yùn)移過程滿足Darcy 定律；⑤煤巖的孔隙度受有效應(yīng)力的影響，即孔隙可壓縮，煤體滲透率隨孔隙度和煤體應(yīng)力變化而變化。

1.2 瓦斯和水的賦存-運(yùn)移特性及耦合表現(xiàn)

煤的基質(zhì)孔隙（簡(jiǎn)稱孔隙）和裂縫孔隙（簡(jiǎn)稱裂隙）構(gòu)成煤的雙重孔隙系統(tǒng)。瓦斯在煤層中的賦存形態(tài)主要有2 種[11-12]：在裂隙中的瓦斯主要呈自由氣態(tài)，稱為自由瓦斯或游離瓦斯，這種狀態(tài)的瓦斯服從達(dá)西定律和理想氣體狀態(tài)方程；另一種稱為吸附瓦斯，它吸附在煤基質(zhì)中，占據(jù)著煤分子結(jié)構(gòu)中的空位或煤分子之間的空間，服從朗格繆爾單分子層吸附理論。水只賦存于裂隙中，并伴隨裂隙中的游離瓦斯進(jìn)行運(yùn)移。單孔抽采煤層中瓦斯和水的運(yùn)移過程如圖1。

圖1 單孔抽采煤層中瓦斯和水的運(yùn)移過程Fig.1 The migration process of gas and water in single hole coal seam

圖1 中：a 為初始基質(zhì)寬度；b 為初始裂隙寬度。瓦斯運(yùn)移特性表現(xiàn)為互相聯(lián)系的3 個(gè)過程[5]：①由于周圍壓力降低使瓦斯從煤基質(zhì)孔隙的內(nèi)表面上發(fā)生解吸；②由于基質(zhì)與裂隙間存在瓦斯?jié)舛炔?，解吸瓦斯穿過基質(zhì)和孔隙擴(kuò)散到裂隙中；③在壓力差作用下以達(dá)西流方式和煤層水共同在裂隙中滲流至抽采孔被抽出。這3 個(gè)過程是連續(xù)統(tǒng)一的過程，不能割裂開來單獨(dú)進(jìn)行。

瓦斯流動(dòng)是煤層變形和瓦斯與水相互作用的結(jié)果，其流固動(dòng)態(tài)耦合的主要表現(xiàn)為[13]：①由于煤層瓦斯的抽采，使孔隙和裂隙中流體壓力發(fā)生變化，引起孔壁煤體骨架有效應(yīng)力的改變及其重新分布，從而引起煤體骨架的壓縮變形；②煤巖體固體骨架的變形，又導(dǎo)致煤巖體孔隙體積的改變，引起煤層物理參數(shù)，特別是孔隙度、滲透率的變化，反過來影響孔隙瓦斯的滲流和抽采，同時(shí)瓦斯和水的飽和度以及兩者的相對(duì)滲透率也在不斷地變化。

1.3 應(yīng)力場(chǎng)控制方程

煤體為雙重孔隙介質(zhì)，其力學(xué)特性受到孔隙和裂隙的影響。煤體的總應(yīng)變是應(yīng)力引起的應(yīng)變、瓦斯和水引起應(yīng)變、瓦斯吸附解吸引起應(yīng)變的應(yīng)變之和，煤體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為[14]：

式中：εij為ij 面法線方向的應(yīng)變；i、j 為空間坐標(biāo)方向x、y、z；G 為煤體剪切模量，GPa；D 為等效煤體彈性模量，GPa；ν 為泊松比；Es為煤骨架彈性模量，MPa；a 為初始基質(zhì)寬度，m；Kn為裂隙剛度，GPa/m；σij為外載荷作用下產(chǎn)生的總應(yīng)力，MPa；K 為煤體體積模量，GPa；σkk為外力作用在煤體上的正應(yīng)力總和，σkk=σxx+σyy+σzz；σxx、σyy、σzz分別為空間坐標(biāo)x、y、z 方向上外力作用在煤體上的正應(yīng)力；δij為Kronecker 符號(hào)，當(dāng)i=j 時(shí)δij=1，當(dāng)i≠j 時(shí)δij=1；αm為孔隙的Biot 有效應(yīng)力系數(shù)；Ks為煤骨架體積模量，GPa；pm為基質(zhì)瓦斯壓力，MPa；αf為裂隙的Biot 有效應(yīng)力系數(shù)；pf為裂隙流體壓力，MPa；εa為煤骨架吸附煤層氣應(yīng)變。

根據(jù)彈性力學(xué)，煤體變形幾何方程和靜力平衡關(guān)系分別為[15]：

式中：ui為i 方向上的位移，m；ui，j為i 方向上的位移在j 方向求偏導(dǎo)數(shù)；uj，i為j 方向上的位移在i方向求偏系數(shù)；Fi為體積力，MPa。

聯(lián)立式（1）至式（3），得到考慮孔隙壓力、瓦斯吸附的修正Navier 方程，即應(yīng)力場(chǎng)控制方程[16]：

式中：ei，ij為張量形式（e 可為u、pm、pf、εa）；ei為變量e 的i 方向分量；ei，i為對(duì)ei求i 方向的偏導(dǎo)數(shù)，ei，ij為對(duì)ei，i求j 方向的偏導(dǎo)數(shù)。

1.4 基質(zhì)中瓦斯氣體運(yùn)移控制方程

在煤基質(zhì)中的瓦斯，受濃度梯度的作用，以Fick擴(kuò)散方式運(yùn)移到裂隙。根據(jù)質(zhì)量守恒，吸附瓦斯和孔隙游離瓦斯的變化量之和等于擴(kuò)散到裂隙中的瓦斯含量[2]。煤基質(zhì)中瓦斯運(yùn)移方程為[17]：

式中：VL為瓦斯Langmuir 吸附常量，m3/kg；pL為瓦斯Langmuir 壓力常量，MPa；ρs為煤骨架密度，kg/m3；Mg為瓦斯摩爾質(zhì)量，kg/mol；R 為瓦斯摩爾氣體常數(shù)，J/（mol·K）；Ts為標(biāo)況下溫度，K；ps為標(biāo)況下大氣壓力，MPa；φm為基質(zhì)孔隙度；T 為煤層溫度，K；τ 為瓦斯解吸時(shí)間，d；pfg為裂隙瓦斯壓力，MPa。

1.5 裂隙中水和氣體的滲流場(chǎng)控制方程

裂隙系統(tǒng)中同時(shí)存在地下水和煤層氣，裂隙流體的運(yùn)移為氣-水兩相流狀態(tài)；裂隙流體壓力pf為水相壓力和氣相壓力與其對(duì)應(yīng)體積分?jǐn)?shù)乘積之和[17]：

式中：sw為水飽和度；sg為煤層氣飽和度，sw+sg=1；pfw為裂隙水壓力，MPa；pfw=pf-pcgw；pcgw為毛細(xì)管壓力，MPa。

煤層瓦斯?jié)B流場(chǎng)控制方程為[9]：

式中：b1為Klinkenberg 因子，Pa；k 為煤體裂隙滲透率；krg為瓦斯的相對(duì)滲透率；μg為瓦斯動(dòng)力黏度，Pa·s；φf為裂隙的孔隙度。

水的滲流場(chǎng)控制方程[9]為：

式中：ρw為水的密度，kg/m3；krw為水的相對(duì)滲透率；μw為水動(dòng)力黏度，Pa·s。

基于毛細(xì)管壓力曲線，Corey 提出了氣-水兩相流的相對(duì)滲透率模型，該模型為[15]：

式中：krg0為氣相端點(diǎn)相對(duì)滲透率；swr為束縛水的飽和度；sgr殘余氣飽和度；krw0為水相端點(diǎn)相對(duì)滲透率。

1.6 耦合項(xiàng)模型

由于煤層是由基質(zhì)組成的雙重裂隙單向滲透介質(zhì)，基質(zhì)孔隙是瓦斯的主要儲(chǔ)存空間，基質(zhì)孔隙度的變化是煤層滲透率變化的關(guān)鍵因素。煤基質(zhì)中的孔隙度可表示為[18]：

式中：φm為煤基質(zhì)孔隙度；φm0為初始煤基質(zhì)孔隙度；S 為基質(zhì)孔隙應(yīng)變量；S0為初始基質(zhì)孔隙應(yīng)變量。

煤骨架吸附煤層氣應(yīng)變滿足Langmuir 型曲線[19]：

式中：εL為極限吸附應(yīng)變。

裂隙的孔隙度變化也會(huì)影響煤體滲透率。裂隙孔隙度φf為[18]：

式中：φf0為初孔隙度；Kf為等效裂隙剛度，Kf=bKn，GPa；εv為煤的體積應(yīng)變。

式中：k0為初始滲透率，m2。

可得煤體裂隙滲透率的動(dòng)態(tài)演化方程：

2 物理模型與定解條件

以山西漳村煤礦3#煤層的高瓦斯、含水地質(zhì)條件為研究背景，利用COMSOL Multiphysics 軟件對(duì)所建立的流固耦合模型進(jìn)行數(shù)值求解。3#煤層埋深537 m，煤層溫度298.15 K，掘進(jìn)期間瓦斯含量8.5～10.0 m3/t。簡(jiǎn)化建立6 m×16 m 二維物理幾何模型，數(shù)值模擬物理幾何模型如圖2。沿巷道中線布置5個(gè)直徑為114 mm 的鉆孔、間距為3 m。模型兩側(cè)為輥支承，上覆巖層載荷14.85 MPa，下邊界為固定支承。AB、CD 線為觀測(cè)線，這些參數(shù)主要從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)和相關(guān)研究文獻(xiàn)［9］中取得。

圖2 數(shù)值模擬物理幾何模型Fig.2 Physical geometry model of numerical simulation

數(shù)值模擬參數(shù)如下：初始基質(zhì)寬度a 為3.77×10-5m；初始裂隙寬度b 為2.26×10-7m；初始基質(zhì)瓦斯壓力pm0為0.80 MPa；初始裂隙瓦斯壓力pfg0為0.80 MPa；煤體彈性模量E 為3 500 MPa；煤骨架彈性模量ES為8 469 MPa；煤體泊松比v 為0.30；裂隙剛度Kn為2.8 GPa/m；極限吸附應(yīng)變?chǔ)臠為0.012 8；瓦斯Langmuir 壓力常量pL為2.0833 MPa；瓦斯Langmuir 吸附常量Vl為0.032 3 kg/m3；瓦斯的動(dòng)力黏度μg為1.03×10-5Pa·s；水的動(dòng)力黏度μw為1.01×10-3Pa·s；煤的密度ρs為1 380 kg/m3；水的密度ρw為1 000 kg/m3；Klinkenberg 因子b1為0.62 MPa；初始水的飽和度sw0為0.6；束縛水的飽和度swr為0.42；殘余氣飽和度sgr為0.15；煤層初始溫度T 為298.15 K；瓦斯摩爾氣體常數(shù)R 為8.314 J/（mol·K）；瓦斯的摩爾質(zhì)量Mg為16 g/mol；基質(zhì)初始孔隙度φm0為0.04；裂隙初始孔隙度φf0為0.018；初始滲透率k0為2.56×10-17m2；標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓力ps為0.101 MPa；瓦斯解吸時(shí)間τ 為4.34 d；水相端點(diǎn)相對(duì)滲透率krw0為1；氣相端點(diǎn)相對(duì)滲透率krg0為0.756；毛細(xì)管壓力pcgw為0.035 MPa。

3 分析研究

3.1 煤層水對(duì)瓦斯抽采的影響

含水飽和度對(duì)瓦斯和水的相對(duì)滲透率影響顯著，根據(jù)式（9），繪制了氣水兩相流的相對(duì)滲透率。在該煤層初始狀態(tài)下，瓦斯相對(duì)滲透率僅為0.231，煤層中小孔和裂隙大多被水滲流擠占，阻礙瓦斯的運(yùn)移和擴(kuò)散[21-22]。隨著裂隙中的水被全部抽出，煤層水僅剩下由于特殊的分布和存在狀態(tài)而幾乎不流動(dòng)的束縛水，這部分水附著在煤基質(zhì)表面，阻礙瓦斯解吸附的進(jìn)行，此時(shí)瓦斯相對(duì)滲透率達(dá)到氣相端點(diǎn)相對(duì)滲透率。氣相和水相的相對(duì)滲透率如圖3。抽采時(shí)煤層水飽和度變化如圖4。

圖3 氣相和水相的相對(duì)滲透率Fig.3 Relative permeability of gas phase and water phase

圖4 抽采過程煤層水飽和度變化云圖Fig.4 Cloud images of coal seam water saturation change in extraction process

由圖4 可見在該抽采條件下，煤層水飽和度迅速降低，結(jié)合圖3 可知在此期間煤層瓦斯相對(duì)滲透率迅速上升，抽采10 d 后煤層中的水分僅剩下束縛水，煤層瓦斯達(dá)到氣相端點(diǎn)相對(duì)滲透率，這與實(shí)際抽采規(guī)律和相關(guān)文獻(xiàn)［23］相符。

3.2 抽采參數(shù)優(yōu)化研究方案

按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》（2019）、AQ 1026—2006《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》要求：確定鉆孔有效抽采區(qū)域和抽采影響區(qū)域的判斷標(biāo)準(zhǔn)為煤層瓦斯抽采率分別達(dá)到30%和10%[2]；結(jié)合周世寧提出的煤層瓦斯壓力與瓦斯含量之間存在拋物線型關(guān)系以及國內(nèi)判定鉆孔抽采區(qū)域的相關(guān)指標(biāo)[24-25]，可知其對(duì)應(yīng)煤層裂隙瓦斯壓力分別為原來的49%和81%，定義瓦斯壓力降低到低于0.39 MPa 和0.65 MPa 分別為有效抽采區(qū)域和抽采影響區(qū)域。

通過研究瓦斯抽采鉆孔尺寸、抽采負(fù)壓、鉆孔間距3 個(gè)方面參數(shù)的影響，模擬不同抽采參數(shù)條件下有效抽采區(qū)域和測(cè)壓線上瓦斯壓力的變化，分析不同抽采參數(shù)對(duì)有效抽采區(qū)域的影響，并得出最佳抽采參數(shù)。采用單一控制變量法，鉆孔直徑、抽采負(fù)壓和鉆孔間距的基礎(chǔ)值為94 mm、20 kPa 和3 m，鉆孔直徑變化范圍為74、84、94、104、114 mm，抽采負(fù)壓變化范圍為10、20、30、40 kPa，鉆孔間距變化范圍為2、3、4、5 m。在研究某一影響因素時(shí)，保持其他參數(shù)為基礎(chǔ)值，該影響因素在變化范圍內(nèi)變化，模擬瓦斯抽采效果。

3.3 鉆孔直徑

為研究不同鉆孔尺寸對(duì)有效抽采區(qū)域的影響，保持其他參數(shù)不變，選用圖2 的物理幾何模型，通過改變鉆孔直徑[26]，模擬不同直徑鉆孔在負(fù)壓20 kPa條件下抽采，研究瓦斯有效抽采區(qū)域和觀測(cè)線AB、觀測(cè)線CD 上的瓦斯壓力變化情況。瓦斯抽采影響區(qū)域隨時(shí)間變化曲線和瓦斯有效抽采區(qū)域隨時(shí)間變化曲線如圖5。鉆孔直徑94 mm 抽采煤層瓦斯壓力變化云圖如圖6，鉆孔直徑94 mm 抽采測(cè)線上瓦斯壓力變化曲線如圖7。

圖6 鉆孔直徑94 mm 抽采煤層瓦斯壓力變化云圖Fig.6 Cloud diagrams of gas pressure variation in coal seam extracted by drilling hole diameter of 94 mm

圖7 鉆孔直徑94 mm 抽采測(cè)線上瓦斯壓力變化曲線Fig.7 Gas pressure change curves of extraction line with drilling hole diameter of 94 mm

由圖5（b）可知，抽采相同時(shí)間時(shí)，鉆孔直徑大的有效抽采區(qū)域更大、抽采效率更高，但該現(xiàn)象在抽采初期并不明顯，抽采時(shí)間大于30 d 后增大抽采效率的現(xiàn)象顯著。如鉆孔直徑94 mm 抽采時(shí)抽采第30、60、90 d 有效抽采區(qū)域分別為2.46、14.28、74.87 m2；各鉆孔直徑條件下抽采90 d 時(shí)，隨著鉆孔直徑的增大，有效抽采區(qū)域相比74 mm 鉆孔抽采時(shí)分別增加了15.75%、37.75%、50.21%、59.63%。隨著鉆孔直徑的增大，有效抽采區(qū)域覆蓋模型所用時(shí)間相比74 mm 鉆孔抽采時(shí)分別縮短了3、6、8、10 d?？芍?，在一定范圍內(nèi)鉆孔直徑越大，抽采效率越高，但增大鉆孔直徑帶來的提升效果是逐漸降低的。理論上，增大鉆孔直徑增加了煤體與鉆孔的接觸面積、增大了地應(yīng)力卸載范圍、提高了鉆孔周圍煤體透氣性，從而提高抽采效率。然而在工程實(shí)踐中，并不是鉆孔直徑越大越理想，鉆孔越大，施工難度越高，工程造價(jià)也越大。

圖5 各直徑鉆孔抽采時(shí)影響區(qū)域和有效區(qū)域隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Curves of influence area and effective area with time in drilling with different diameters

從圖5、圖6 可以看出，開始抽采后，抽采影響區(qū)域迅速擴(kuò)大，在抽采32 d 時(shí)抽采影響區(qū)域覆蓋整個(gè)模型，在這個(gè)過程中，有效抽采區(qū)域只分布在各鉆孔周圍的小范圍內(nèi)，鉆孔周圍的有效抽采區(qū)域處于相互獨(dú)立狀態(tài)；隨著抽采進(jìn)程，煤層壓力在逐漸降低，有效抽采區(qū)域增大速率逐漸增大，各鉆孔有效抽采區(qū)域逐漸增大并和相鄰鉆孔的有效抽采區(qū)域匯合疊加，形成整體有效抽采區(qū)域，一段時(shí)間后有效抽采區(qū)域迅速增大直至完成抽采。這是由于基質(zhì)中吸附態(tài)瓦斯受抽采導(dǎo)致的壓力差影響不斷解吸并運(yùn)移補(bǔ)充到裂隙中，在此過程中煤層瓦斯壓力不斷降低，但瓦斯壓力仍大于0.39 MPa，導(dǎo)致有效區(qū)域變化不大。隨著抽采的進(jìn)行，瓦斯壓力持續(xù)下降，越發(fā)接近0.39 MPa，因此有效抽采區(qū)域增加速率逐漸增加，煤層整體瓦斯壓力接近0.39 MPa 后有效抽采區(qū)域面積迅速增加直至覆蓋整個(gè)煤層。

結(jié)合圖6、圖7 可以看出范圍內(nèi)瓦斯壓力為整體協(xié)同變化且隨抽采時(shí)間增加呈降低趨勢(shì)；抽采第1、20、40、60、80、100 d，測(cè)線AB 上最大瓦斯壓力相比抽采前分別降低了0.01、0.16、0.26、0.34、0.40、0.45 MPa，測(cè)線CD 上最小瓦斯壓力相比抽采前分別降低了0.04、0.23、0.34、0.41、0.46、0.51 MPa?？芍咚箟毫υ诔獒姵跗谙陆当容^快，隨著煤層瓦斯壓力下降，瓦斯壓力下降速率漸緩；這是由于抽采初期，煤層瓦斯壓力與鉆孔抽采負(fù)壓壓差大，瓦斯運(yùn)移快，壓力下降較快，隨著煤層瓦斯壓力下降，壓力差減小，瓦斯解吸運(yùn)移速率降低，瓦斯壓力下降速率隨之減慢。在鉆孔附近，壓力梯度大，運(yùn)移路徑短，瓦斯壓力下降較快，距離鉆孔越遠(yuǎn)，壓力梯度越小，瓦斯壓力下降速率越慢。

綜上所述，在其他條件相同時(shí)，鉆孔直徑的大小對(duì)瓦斯抽采有一定的影響。增大鉆孔直徑可以在一定范圍內(nèi)提升抽采效率，在煤層條件和實(shí)際工況允許的情況下可以選擇較大直徑鉆孔來提升抽采效果[27]。但是，鉆孔越大，施工難度越高，工程造價(jià)也越大。結(jié)合實(shí)際煤層地質(zhì)條件、和數(shù)值模擬結(jié)果，為滿足工程需要，鉆孔直徑大于等于94 mm 即可滿足漳村煤礦3＃煤層瓦斯抽采工程需求，因此最佳鉆孔直徑為94 mm。

3.4 抽采負(fù)壓

抽采負(fù)壓可以為瓦斯提供導(dǎo)流作用，可以增大順層鉆孔的瓦斯抽采量[28]。為研究抽采負(fù)壓對(duì)抽采的影響，選取圖2 的物理幾何模型、鉆孔直徑94 mm，模擬抽采負(fù)壓分別為10、20、30、40 kPa 時(shí)的抽采效果并測(cè)定觀測(cè)線AB 上瓦斯壓力變化情況。不同負(fù)壓抽采100 d 測(cè)線AB 上裂隙瓦斯壓力變化如圖8。不同負(fù)壓抽采100 d 有效抽采區(qū)域變化曲線如圖9。

圖9 不同負(fù)壓抽采100 d 有效抽采區(qū)域變化曲線Fig.9 Effective area change curves of different negative pressure extraction for 100 days

由圖8 可知，出在不同的抽采負(fù)壓下抽采相同時(shí)間時(shí)，鉆孔周圍煤層瓦斯壓力的分布曲線幾乎重合，增大抽采負(fù)壓僅微弱降低了距鉆孔較遠(yuǎn)處的瓦斯壓力，但鉆孔周圍瓦斯壓力變化微弱。

由圖9 可知，在不同負(fù)壓下抽采100 d 時(shí)，負(fù)壓20 kPa 有效抽采區(qū)域剛好覆蓋模型整體，負(fù)壓10 kPa 有效抽采區(qū)域未覆蓋模型整體，相比20 kPa 抽采30 kPa 和40 kPa 有效抽采區(qū)域覆蓋模型整體用時(shí)分別縮短了1 d 和3 d。

所述，當(dāng)抽采負(fù)壓在10～40 kPa 時(shí)，抽采負(fù)壓對(duì)有效抽采區(qū)域的影響微弱，增大抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采效率提升不大，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)要求》規(guī)定預(yù)抽孔口負(fù)壓應(yīng)≥13 kPa，抽采100 d內(nèi)達(dá)標(biāo)時(shí)，抽采負(fù)壓≥20 kPa 即可滿足抽采需要。

3.5 鉆孔間距與抽采時(shí)間

順層單排布孔瓦斯抽采的布孔間距和抽采時(shí)間是瓦斯抽采工作的重要參數(shù)，布孔間距直接影響到鉆孔數(shù)量和抽采的效果。若布孔間距過大，會(huì)導(dǎo)致抽采鉆孔之間存在抽采盲區(qū)、抽采效果差、抽采時(shí)間長(zhǎng)；若布孔間距過小，易導(dǎo)致塌孔，增加抽采工作成本，影響抽采效果，因此確定合理的鉆孔間距是至關(guān)重要的[29]。采用圖2 的物理幾何模型，沿煤體中線分別按2、3、4、5 m 間距單排布置直徑94 mm 的鉆孔，在20 kPa 的負(fù)壓下進(jìn)行抽采模擬。研究分析不同鉆孔間距時(shí)，有效抽采區(qū)域和瓦斯壓力隨時(shí)間的變化情況。不同鉆孔間距有效抽采區(qū)域隨時(shí)間變化曲線如圖10。不同鉆孔間距抽采100 d 煤層瓦斯壓力變化云圖如圖11。不同鉆孔間距抽采100 d 測(cè)線AB上瓦斯壓力曲線如圖12。

圖10 不同鉆孔間距有效抽采區(qū)域隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Time-varying curves of effective drainage area with different borehole spacing

圖11 不同鉆孔間距抽采100 d 煤層瓦斯壓力變化云圖Fig.11 Gas pressure change diagrams of coal seam with different borehole spacing drainage for 100 days

圖12 不同鉆孔間距抽采100 d 測(cè)線AB 上瓦斯壓力曲線Fig.12 Gas pressure curves of measuring line AB with different borehole spacing for 100 days

由圖10 可知，在瓦斯抽采時(shí)間內(nèi)，鉆孔間距越大，有效抽采區(qū)域越小、抽采效果越差、完成抽采所用時(shí)間也更久；因此，順層鉆孔布置間距的合理性對(duì)瓦斯抽采效果的好壞有著巨大影響，縮小鉆孔間距可以有效提高抽采效率，4 種抽采鉆孔間距下完成抽采分別用時(shí)165、118、100、66 d。相比間距5 m抽采，縮小間距抽采分別縮短了47、65、99 d 的抽采時(shí)間。

由圖11 和圖12 結(jié)合圖10 可知，鉆孔間距2、3 m 抽采100 d 時(shí)，模型內(nèi)瓦斯壓力全部降低到0.39 MPa 以下；鉆孔間距4 m 抽采100 d 各鉆孔有效抽采區(qū)域已經(jīng)形成了整體的有效區(qū)域，但煤層頂?shù)装甯浇椴蛇€未達(dá)標(biāo)，即鉆孔間距過大，會(huì)造成瓦斯抽采空白帶，使抽采效果不達(dá)標(biāo)[30]；鉆孔間距5 m 抽采100 d 時(shí)，各鉆孔周圍有效抽采區(qū)域還處于相對(duì)獨(dú)立狀態(tài)，煤層大部分瓦斯壓力沒有降低到0.39 MPa 以下；相比鉆孔間距5 m 抽采，鉆孔間距4、3、2 m 時(shí)測(cè)線AB 上瓦斯壓力最大值分別下降了0.11、0.14、0.29 MPa?？梢钥闯隹s小鉆孔間距可以有效提升抽采效率，但在實(shí)際工況中，縮小間距也帶來鉆孔數(shù)量增加，例如相比間距4 m 布置鉆孔，間距2 m多布置了1 倍的鉆孔，增加了材料消耗和施工費(fèi)用，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件與模擬結(jié)果，制定合理的抽采間距。對(duì)于漳村煤礦3#煤層而言，鉆孔間距布置為3 m 較為合理。

4 結(jié) 語

1）鉆孔直徑對(duì)瓦斯抽采有一定影響，鉆孔直徑越大，抽采效率越高。瓦斯壓力隨時(shí)間增加而降低，降低速率逐漸減小。在抽采前期，有效抽采區(qū)域變化較小，當(dāng)煤層整體瓦斯壓力降低到界定值附近后，有效抽采區(qū)域迅速增加。

2）當(dāng)抽采負(fù)壓在10～40 kPa 內(nèi)時(shí)，負(fù)壓變化對(duì)瓦斯有效抽采區(qū)域和瓦斯壓力變化的影響非常微弱，增大抽采負(fù)壓僅微弱降低了距鉆孔較遠(yuǎn)處的瓦斯壓力，對(duì)抽采效率的提升不大。

3）抽采相同時(shí)間時(shí)，減小鉆孔間距可以有效提升有效抽采區(qū)域面積，降低煤層瓦斯壓力。在抽采初期，各鉆孔的有效抽采區(qū)域處于相互獨(dú)立狀態(tài)，隨著抽采時(shí)間增加，各鉆孔有效抽采區(qū)域逐漸增大，并與相鄰鉆孔的有效抽采區(qū)域匯合疊加，形成整體有效抽采區(qū)域。減小鉆孔間距可以有效縮短煤層瓦斯壓力達(dá)標(biāo)所需要的時(shí)間，但并不是鉆孔間距越小越好，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件與抽采達(dá)標(biāo)要求制定合理的鉆孔間距。

4）根據(jù)漳村煤礦3#煤層地質(zhì)條件和模擬結(jié)果，當(dāng)要求抽采100 d 內(nèi)達(dá)標(biāo)時(shí)，漳村煤礦3#煤層單排布孔最佳方案為鉆孔直徑94 mm、抽采負(fù)壓20 kPa、鉆孔間距3 m。