刘 军，李 宁，吴锦旗，杨 通

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南 焦作 454003；3.山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048214)

0 引言

工作面局部防突措施是突出矿井2个“四位一体”综合防突措施中的重要一环。超前排放钻孔是目前国内外突出矿井广泛采用的一项局部防突措施。大量实际应用效果表明这一措施具有较好的防突效果和工艺简单、操作方便、适用性强等优点。根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求，采掘工作面局部防突措施中，应优先选择超前预抽钻孔和超前排放钻孔措施。超前排放钻孔的孔数、孔底间距等应当根据钻孔的有效排放半径确定。

钻孔有效排放半径是指在规定的时间内，在该半径范围内的瓦斯压力或瓦斯含量降低到安全允许值。钻孔有效排放半径受煤层透气性、瓦斯解吸特征、钻孔孔径和排放时间等因素的综合影响，是指导排放钻孔施工的重要依据。

前人对抽采钻孔有效影响半径研究较多[1-2]，对排放半径研究较少。超前钻孔有效排放半径的常用测定方法主要有现场测试法(瓦斯压力降低法、瓦斯流量法、钻屑量法、钻屑瓦斯解吸指标法)和数值模拟计算法[3-7]。

蒋承林等[8]利用安全临界瓦斯压力和含量，对排放钻孔有效排放半径进行了现场测试；武磊等[9-10]采用钻孔瓦斯流量法对不同孔径超前钻孔有效排放半径进行了现场测定；刘冠鹏等[11]采用钻屑瓦斯解吸指标法对不同孔径排放钻孔的效排放半径进行了测试；陈国红[12]采用钻屑量和钻屑瓦斯解吸指标法对排放钻孔沿煤层层理方向和垂直层理方向的有效排放半径进行了测试；路学燊等[13]采用流量法和钻屑法测定相结合的方法，对排放钻孔的有效排放半径进行了测试；江万刚[14]采用数值模拟的方法对丰城矿区排放钻孔有效影响半径进行了分析；王海东等[15]采用数值模拟和钻屑瓦斯解吸指标法对排放钻孔的有效影响半径进行了分析。

钻孔有效排放半径现场测试法的测试结果可靠，但施工周期长、工程量较大；数值模拟计算法操作简单、工作量小，但测试结果与现场有一定的偏差。

本文以玉溪煤矿为工程背景，利用现场测试结合数值模拟的方法，对不同孔径钻孔有效排放半径的时空特性进行考察，研究结果对玉溪煤矿排放钻孔孔径选择及钻孔设计具有指导意义。

1 玉溪煤矿概况

玉溪煤矿位于山西省高平市沁水县胡底乡，井田面积29.79 km2，矿井设计生产能力2.40 Mt/a，服务年限50.7 a，采用斜井方式开拓，全井田布置主斜井、副斜井、进风立井和回风立井4个井筒。

玉溪煤矿为煤与瓦斯突出矿井，主采3号煤层，平均厚度5.85 m，煤层顶、底板均为泥岩，煤层结构简单，为全区稳定可采煤层。根据地勘及已揭露区域的测定结果，3号煤层坚固性系数在0.45～1.09之间，煤层透气性系数0.103 2～26.58 m2/MPa2·d，最大原始瓦斯含量25.59 m3/t，最高原始瓦斯压力2.90 MPa。

矿井采取的局部防突措施为超前排放钻孔，排放钻孔直径为75～113 mm，如何确定排放钻孔孔径、数量、间距和排放时间成为困扰煤矿安全生产的难题。

2 排放半径现场测试

在选定位置施工直径42 mm，钻孔深度10 m的预测孔，测量钻孔每米的钻屑量S值和钻屑瓦斯解吸指标k1值。预测钻孔测试结束后，分别将其孔径扩至75，94和113 mm，作为排放钻孔使用。待排放结束(2 h)后，施工与该孔成10°的测试孔，测试孔与排放孔开孔间距为0.3 m，钻进过程中分别测量测试孔每米的钻屑量S值与钻屑瓦斯解吸指标k1，测试钻孔布置及参数见图1、表1。

图1 排放半径测试钻孔布置示意Fig.1 Schematic diagram of testing boreholes for drainage radius

钻孔编号钻孔直径/mm偏角/(°)孔深/m 备注142010垂直煤帮275,94,113010342-1010左偏为负4421010右偏为正

根据现场实测，可以得出不同直径排放钻孔钻屑量、钻屑解吸指标与钻进深度的变化情况，由于篇幅有限，文中仅列出直径75 mm排放钻孔测试结果，见表2、图2。将2组测试结果取平均值可以看出，测试孔1～7 m的钻屑量、钻屑解吸指标明显小于预测孔，钻屑量指标下降幅度为2.22%～16.2%，钻屑解吸指标下降幅度为0～67.3%，说明10 m长的排放钻孔在前7 m的泄压作用明显，此时孔底间距为1.4 m；测试孔7～10 m的钻屑量、钻屑解吸指标与预测孔相比，上下起伏波动，说明在7～10 m段的泄压作用有一定的偶然性。应该将7 m时的测试孔与预测孔之间的距离作为φ75 mm排放钻孔的排放半径，即：根据钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标测试结果，排放2 h后，φ75 mm排放钻孔的有效排放半径为1.4 m。

同理可以得到排放2 h后，φ94 mm排放钻孔的有效排放半径为1.7 m；φ113 mm排放钻孔的有效排放半径为1.9 m。

3 排放钻孔数值计算

现场测试排放半径过程中，只能得出具体影响范围，针对是否在规定时间内，达到规定的排放效果方面存在不足。本文通过数值模拟对现场测试结果进行验证。

表2 φ75 mm排放半径测试记录Table 2 Testing records of drainage radius with φ75 mm

图2 φ75 mm排放半径测试结果Fig.2 Testing results of drainage radius with φ75 mm

3.1 数学模型的建立

为使问题简化，对瓦斯在孔隙裂隙系统中的数学模型做以下假设：

1)煤层是各向同性体，其透气性以及孔隙率恒定不变。

2)吸附瓦斯符合Langmuir方程，煤层中瓦斯解吸在瞬间完成。

3)将瓦斯视为理想气体，符合理想气体状态方程。

4)瓦斯在煤体中流动服从Fick扩散和Darcy流动定律。

5)顶底板不透气。

3.2 物理模型的建立

沿着钻孔的长度方向将煤体剖开，创建如图3所示的二维物理模型。取模型平面为20 m×15 m的煤层，钻孔直径分别为75，94，113 mm，钻孔深度为10 m，钻孔位于模型中心处。

图3 数值模拟物理模型Fig.3 Physical model of numerical simulation

本文在模拟时采用的初始条件为：在t=0时，煤层中的瓦斯压力为p0，钻孔中的气体压力为pn。其边界条件为：上下均为固定边界，钻孔内部为大气压力。

3.3 模拟结果分析

本模拟针对的情况是经过区域效果检验后，认定本区域内无突出危险性的情况下。局部突出危险性预测煤层仍有突出危险性，则仍需对煤层采取局部的防突措施。根据《煤矿安全规程》第一百九十条规定：抽采煤层瓦斯后，瓦斯预抽率大于30%。因此，将抽采后煤层瓦斯压力比抽采前下降30%以上作为抽采有效的指标。当瓦斯压力小于0.58 MPa时，视为有效排放半径。图4是直径75，94，113 mm钻孔排放2 h后钻孔周围瓦斯压力分布模拟结果。

表3 数值计算所用的煤体与瓦斯的物理参数Table 3 Physical parameters of coal and gas used in numerical calculation

图4 不同直径钻孔排放2 h后瓦斯压力分布情况Fig.4 Distribution of gas pressure after 2 hours for boreholes with different diameters

分析图4可得：

1)在相同的排放时间以及钻孔直径条件下，排放钻孔的影响范围呈“U”型分布。

2)煤层瓦斯压力随着离钻孔距离的增加逐渐变大。在相同的排放时间条件下，随着排放钻孔直径的增加，排放钻孔的影响范围以及有效影响范围逐渐扩大。

沿着排放钻孔轴向7.5 m位置做截线1-1，沿着截线1-1得出排放钻孔径向不同位置的瓦斯压力分布情况，如图5所示。横坐标为径向不同位置，纵坐标为残余瓦斯压力大小。

图5 不同直径钻孔不同排放时间瓦斯压力分布情况Fig.5 Distribution of gas pressure under different drainage time for boreholes with different diameters

将图5中数据提取出来，如表4所示。分析有效排放半径随时间的变化曲线如图6所示，分析有效排放半径随钻孔直径的变化曲线如图7所示。

表4 不同直径钻孔有效排放半径Table 4 Effective drainage radius of boreholes with different diameters m

图6 有效排放半径与时间关系Fig.6 Relationship between effective drainage radius and time

图7 有效排放半径与钻孔直径关系Fig.7 Relationship between effective drainage radius and borehole diameter

分析表3、图6、图7得出以下结论：

1)随着排放时间的增加，同一直径钻孔有效影响范围逐渐增加。对于75 mm钻孔来说，随着时间从2 h提高到12 h，有效排放半径从1.31 m提高到2.91 m。同理，对于94 mm钻孔，有效排放半径从1.78 m提高到3.31 m；对于113 mm钻孔，有效排放半径从2.25 m提高到3.53 m。排放时间对排放半径影响较大。

2)对于75 mm钻孔，有效影响范围与排放时间符合y=1.17x0.37的幂指数关系，相关系数为0.86；对于94 mm钻孔，有效影响范围与排放时间符合y=1.47x0.32的幂指数关系，相关系数为0.97；对于113 mm钻孔，有效影响范围与排放时间符合y=1.80x0.045的幂指数关系，相关系数为0.92。

3)在相同排放时间的条件下，随着钻孔孔径的扩大，有效影响范围与钻孔直径符合幂指数关系。

4 结论

1)在相同的排放时间以及钻孔直径条件下，排放钻孔的影响范围呈“U”型分布。

2)随着排放时间的增加，同一直径排放钻孔有效影响范围逐渐增加，符合y=a·xb的幂指数关系。

3)随着排放钻孔直径的增加，随着排放时间的增加，有效影响范围逐渐增加，符合y=c·xd的幂指数关系。

4)根据玉溪煤矿实际情况，当排放时间为2 h，直径为75 mm钻孔的有效排放半径为1.31 m；直径为94 mm钻孔的有效排放半径为1.78 m；直径为113 mm钻孔的有效排放半径为2.25 m。