陈祖国

(贵州豫能投资有限公司，贵州 毕节 551500)

0 引言

1964年由美国矿业局组织对煤层瓦斯抽采的研究表明，抽采瓦斯是增加煤矿安全的有效手段；可以大大降低采煤成本，尤其是通风成本；可以加快采煤速度，提高煤炭产量[1-6]。目前，我国测定有效抽采半径的方法主要有：井下实测法、计算机模拟法、理论计算法和气体示踪法[7-8]。根据某矿井地质资料，矿区地层为单斜构造，倾角7°～12°，倾北西；区域构造主体呈北东—南西向展布。矿区为单斜构造，断裂、褶曲不发育。根据对12701运输巷和12701回风巷揭露的M27煤层现场勘察：M27煤层为黑色，厚约1.4 m，含夹矸0～1层；煤层中部有一层0.08 m左右的软分层，煤层整体较亮，尚未失去层状，较有次序；次生节理面多，且不规则，与原生节理呈网状节理，节理平整，易掰开；断口参差多角，中等硬度，局部煤体用手可剥成小块。根据《煤矿瓦斯等级鉴定办法》附录D中煤的破坏类型分类表对煤的破坏类型分类特征的描述，可得出M27煤层煤的破坏类型应为Ⅱ类(破坏煤)。根据对M27煤层瓦斯赋存情况分析，M27煤层实测最大瓦斯含量为12.5 m3/t，煤的容重为1.53 t/m3，煤层瓦斯吸附常数a为45.484 3 m3/t，b为1.598 7 m3/t，煤层厚度为1.4 m，煤层的孔隙率为17.74%，煤的灰分为44.61%，煤的水分为1.57%。

为了准确掌握煤层顺层抽采钻孔有效影响半径，为顺层抽采钻孔布置提供合理的依据，通过对M27煤层顺层有效抽采影响半径的数值计算和井下实际考察来确定煤层的抽采影响半径，以期为煤层瓦斯抽采钻孔参数选择提供合理指导依据。

1 抽采半径数值模拟计算

随着科技的发展，部分学者在前人的基础上从不同角度研究了扩散渗流及煤与瓦斯的耦合作用下煤层瓦斯的运移规律，建立了相应数学模型进行计算机数值模拟计算[9-11]。

1.1 计算模型

采用数值模拟软件对抽采钻孔的瓦斯抽采效果进行数值模拟计算。根据达西定律(Darcy Law)、气体状态方程、煤层瓦斯含量方程、瓦斯渗流数学模型，以及煤层瓦斯扩散渗流耦合方程和煤层瓦斯扩散数学模型等，得出钻孔抽采情况下，钻孔周围瓦斯流动的非稳定径向渗流的动力学控制方程如下。

(1)

(2)

初值条件为：当t=0(r0

1.2 简化求解

(3)

2 有效抽采影响半径的计算

2.1 数值模拟计算的结果

根据上述M27煤层瓦斯抽采基础参数的取值，当M27煤层实现瓦斯抽采达标时，其M27煤层残余瓦斯含量(W残余)需降到8 m3/t以下，其推算的残余瓦斯压力(p残余)需降到0.28 MPa以下。

根据上述瓦斯抽采半径计算原理和计算模型，计算得出：t=60 d时，有效抽采半径r在0.5 m左右；t=90 d时，有效抽采半径r在0.85 m左右；t=120 d时，有效抽采半径r在1.0 m左右；t=150 d时，有效抽采半径r在1.3 m左右。

2.2 有效抽采半径与抽采时间的关系

瓦斯抽采半径数值计算得出，M27煤层顺层预抽钻孔不同抽采时间对应的有效抽采半径见表2。

表2 M27煤层预抽钻孔有效抽采半径与抽采时间关系表

注：M27煤层为瓦斯压力降到0.28 MPa临界值。

通过上述数据拟合发现钻孔有效抽采半径与抽采时间成对数关系，且相关性较高，M27煤层拟合曲线如图1所示，M27煤层有效抽采半径与抽采时间拟合关系式见式(4)。

图1 钻孔有效抽采半径与抽采时间拟合曲线

r=0.764 5lnt-2.552 9；R2=0.991 2

(4)

式中：r—有效抽采半径，m；t—抽采时间，d。

3 现场考察

3.1 考察方法

根据矿井现有巷道开拓情况和矿方实际抽采时间等情况，对上述数值计算出的相应抽采时间下的有效抽采影响半径进行考察。抽采钻孔直径均为75 mm时，抽采负压20 kPa，根据数值模拟计算结果，选取抽采时间为120 d时，抽采影响半径为1.0 m；抽采时间为60 d时，抽采影响半径为0.5 m。布置两组抽采钻孔，每组布置5个钻孔，钻孔长度65 m，以煤层瓦斯含量8 m3/t为有效抽采影响半径的临界值点，抽采60 d后在第1组钻孔的每2个钻孔中间布置测试钻孔测定残存瓦斯含量，120 d后在第2组钻孔的每2个钻孔中间布置测试钻孔测定残存瓦斯含量，钻孔长度45 m，如图2所示。

图2 抽采钻孔和测试钻孔布置平面图

施工抽采钻孔时，测试煤层原始瓦斯含量为11.8～12.5 m3/t，选择12.5 m3/t作为本次煤层瓦斯抽采半径考察的最大原始瓦斯含量。

3.2 结果分析

抽采60 d后和120 d后，残存瓦斯含量见表3。现场考察结果表明，相同抽采条件下，抽采钻孔直径75 mm且抽采时间为120 d时，抽采影响半径达到了1.0 m；而抽采时间为60 d时，抽采影响半径达到了0.5 m。因此，本次数值计算的抽采有效影响半径与现场试验结果基本相同，考虑到煤层实际赋存条件的复杂情况和现场测试瓦斯含量的人为误差，为了保证煤层能够有效消突，在实际工作中应加强管理，日常性收集煤层瓦斯赋存、瓦斯涌出等相关资料；同时，矿井应经常分析瓦斯地质变化情况，在地质构造带或局部瓦斯富集区或煤厚变化地带进行采掘活动时，应采取安全技术措施，防止瓦斯灾害的发生。

表3 瓦斯含量测试结果

4 结论

(1)通过瓦斯抽采半径计算原理和计算模型，计算得出：t=60 d时，有效抽采半径r在0.5 m左右；t=90 d时，有效抽采半径r在0.85 m左右；t=120 d时，有效抽采半径r在1.0 m左右；t=150 d时，有效抽采半径r在1.3 m左右。

(2)通过现场对M27煤层数值模拟计算结果的考察，相同抽采条件下，抽采钻孔直径75 mm时，抽采时间为120 d时，抽采影响半径达到了1.0 m；抽采时间为60 d时，抽采影响半径达到了0.5 m，与数值计算结果基本相同。

(3)瓦斯含量测定过程中应当严格按照行业要求，采用定点快速取样装置以避免瓦斯含量测试的人为误差。