王文元 张学博,2,3 蔡行行

(1.河南理工大学安全科学与工程学院 河南焦作 454003； 2.煤炭安全生产河南省协同创新中心 河南焦作 454003； 3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，省部共建国家重点实验室培育基地 河南焦作 454003)

0 引言

钻孔的有效抽采半径是防治瓦斯突出事故的必要参数[1]，为矿井瓦斯的抽采设计提供可靠依据。当前，国内煤层瓦斯的有效抽采半径的确定方法主要包括理论计算法、井下实测法和数值模拟法[2]。例如，朱南南等[3]根据瓦斯径向非稳定渗流方程，应用理论计算法确定了钻孔有效抽采半径，但是忽略了煤层结构及瓦斯的不均匀性并且需要大量的实验室数据；王红卫[4]则是用直接与间接测定相结合的方法,应用井下实测法来确定钻孔的有效抽采半径，但井下实测法受井下条件限制，工作量很大，并且测量时间较长；梁冰等[5]和司鹄等[6]分别运用数值模拟法, 模拟瓦斯在某一耦合条件下钻孔的有效抽采半径，该方法不但可以模拟抽采半径，而且可以节省大量的测定时间。

本文采用井下实测和数值模拟两种方法，对金牛建业煤矿二1煤层底板岩巷抽采钻孔进行研究，既可节省时间又可保证数据的最大准确性。首先使用压降法测定试验区内穿层钻孔和水力冲孔的有效抽采半径，然后利用Comsol Multiphysics数值模拟软件模拟得到的结果来证明现场所测数据的正确性和所用方法的可靠性。该研究对金牛建业煤矿未来的穿层钻孔设计及瓦斯灾害治理工作具有一定的指导意义。

1 矿井概况及试验区选择

郑州金牛建业煤炭有限公司技改井(以下简称：建业煤矿技改井)位于登封市东金店乡刘庄村。二1煤是矿区的主要采煤层，已被确定为煤与瓦斯突出矿井。煤层厚度0.89～13.91 m，平均5.91 m，走向230°～300°，倾角8°～17°。煤层厚度没有明显规律性变化，局部存在突变现象，属于不稳定厚煤层。

根据建业煤矿技改井的开采开拓情况，穿层钻孔预抽煤层瓦斯的有效抽采半径选定在建业煤矿技改井23011上底抽巷测点V4前4～9 m范围内进行测定；水力冲孔钻孔预抽煤层瓦斯时的有效抽采半径选定在建业煤矿技改井23011上底抽巷测点V5前12～30 m范围内进行测定。

2 试验区煤层瓦斯参数的测定

煤层瓦斯流动和涌出的基本控制参数是煤层瓦斯压力和透气性[4]。抽采时间、抽采负压、煤层瓦斯压力和透气性等是影响钻孔抽采半径的因素。在此将结合试验区开采条件确定试验区内煤层瓦斯参数测定结果。

本次使用“间接法”[4]来确定试验区附近的原始煤层瓦斯压力。首先，测出煤层原始瓦斯含量，然后在根据Langmuir方程进行反推，得到煤层原始瓦斯压力[7]。在这次研究中，现场煤层的瓦斯含量是通过钻屑解吸方法测量的。在23011上底抽巷穿层钻孔测试区的4#钻孔和水力冲孔测试区的4#钻孔进行了原始煤层瓦斯含量的测定，测定结果见表1。

表1 试验区原始煤层瓦斯含量测定结果

通过高压容量法在等温吸附仪重复测定出的煤的瓦斯吸附常数见表2。

表2 煤的等温吸附常数的测定

用Langmuir方程、表1和表2中的数据反算出煤层原始瓦斯压力P，结果见表3。

表3 煤层瓦斯压力测定结果

根据《煤矿安全规程》中规定，现场测定钻孔瓦斯有效抽采半径的指标为瓦斯压力下降51%以上[8-9]。因此，测定试验区内原始瓦斯含量和原始瓦斯压力对随后钻孔瓦斯抽采有效半径的确定具有重要意义。

3 现场测定瓦斯抽采钻孔的抽采半径

3.1 现场测定穿层抽采钻孔的有效抽采半径

在23011上底抽巷试验区V4测点前4～9 m区域内，设计布置1个瓦斯抽采钻孔(C)，布置5个压力观测钻孔(1#～5#)，钻孔倾角一直平行施工分别位于抽采钻孔的两侧，距瓦斯抽采钻孔的距离分别为0.8，1.0，1.5，2.0，2.5 m；各钻孔开孔均位于23 011上底抽巷，终孔距煤层顶板为0.5 m左右，观测钻孔和抽采钻孔孔径均为94 mm。各钻孔的设计如图1所示。

图1 穿层预抽钻孔有效半径测定钻孔布置

2018年8月18日，瓦斯抽采系统开始运行，试验区域内抽采负压稳定在22 kPa以上，最大抽采负压达38 kPa，随着抽采时间的推移每班读取观测孔的压力表或U型压差计的读数变化情况，穿层钻孔抽采期间各观测孔的压力变化见表4。

表4 穿层钻孔抽采过程中各观测孔压差值

根据金牛建业煤矿技改井现场的实测数据，在抽采钻孔直径为94 mm，抽采负压不低于22 kPa时，连续抽采18，30，44 d的有效抽采半径分别为0.80，1.10，1.50 m。

3.2 现场测定水力冲孔抽采钻孔的有效抽采半径

在23011上底抽巷试验区V5测点前12～30 m区域内，设计布置1个水力冲孔抽采钻孔，布置1组10个压力观测钻孔(1#～10#)分别位于水力冲孔抽采钻孔的上、下、左、右，其中1#～4#观测孔分别距水力冲孔抽采钻孔4，6，8，10 m且分别交叉布置在水力冲孔抽采钻孔两侧；5#～7#观测孔分别距水力冲孔抽采钻孔12，9，6 m且位于水力冲孔抽采钻孔的上部；8#～10#观测钻孔分别距水力冲孔抽采钻孔4，5.5，7 m处并且位于水力冲孔抽采钻孔下部；各钻孔开孔均位于23011上底抽巷，终孔距煤层顶板为0.5 m左右，观测钻孔和抽采钻孔孔径均为94 mm，各钻孔布局设计见图2。

(a)水力冲孔各钻孔布置

(b)1#～4#观测孔及水力冲孔钻孔剖面

(c)5#～10#观测孔及水力冲孔钻孔剖面

在水力冲孔实施的过程中，利用1#～4#观测孔采用钻孔瓦斯流量法进行了实测，根据实测数据，在冲孔水压不低于5 MPa、煤孔冲出不少于1.0 t煤炭时，在考虑矿井煤厚的变化、冲孔的不均匀性以及安全系数的情况下，实施水力冲孔后的卸压半径沿煤层走向为8 m。

自2018年8月18日，瓦斯抽采系统开始运行，试验区域内抽采负压一直保持在22 kPa以上，抽采负压最高达到38 kPa。随着抽采时间的推移，每班读取并记录3#～10#观测孔的压力表或U型压差计示数变化，各孔压力变化见表5。

表5 水力冲孔钻孔抽采过程中各观测孔压差值

金牛建业技改井23011上底抽巷实施水力冲孔措施煤层增透后，对冲孔钻孔进行封孔并合茬抽采，抽采钻孔直径为94 mm，孔口抽采负压稳定在22 kPa以上，同时考虑安全系数的情况下得到如下结论：在冲孔煤层卸压后，实施连续抽采50 d，沿煤层走向预抽煤层瓦斯的有效抽采半径扩大到10 m；沿煤层倾向，水力冲孔抽采钻孔上方预抽煤层瓦斯的有效抽采半径扩大到12 m；沿煤层倾向，水力冲孔抽采钻孔下方预抽煤层瓦斯的有效抽采半径扩大到7 m。水力冲孔后可以有效提高抽采钻孔有效抽采半径，且沿各个方向有效半径的增长幅度不同。

4 穿层钻孔抽采有效抽采半径的数值模拟分析

Comsol Multiphysics是一种数值模拟软件，基于有限元分析并通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程(多场)[10]实现真实的物理现象模拟。本文采用Comsol软件，建立穿层钻孔预抽煤层瓦斯的煤层变形-渗流模型。通过计算穿层钻孔预抽煤层的有效抽采半径，验证井下所测数据的正确性。

4.1 模型的建立

根据矿井实际工程地质资料，建立了穿层钻孔瓦斯抽采的数值计算模型，如图3所示，模拟尺寸为40 m×20 m×25 m(长×宽×高)，煤层厚度为2.5 m，倾角为16°。巷道位于模型中部，抽采钻孔从巷道向左上方煤层打孔。对于瓦斯渗流边界条件，巷道周边边界压力为大气压，抽采钻孔未封孔段压力为抽采负压，其他的边界均为无渗流边界。初始煤层瓦斯压力设定为1.18 MPa，确定钻孔瓦斯的有效抽采半径应使瓦斯压力降低51%以上。

图3 穿层钻孔抽采煤层瓦斯数值计算模型(单位：m)

4.2 模拟的结果及分析

在穿层钻孔抽采时，煤层瓦斯压力的分布云图见图4，煤层瓦斯压力随时间变化的云图见图5。可以看到，卸压瓦斯主要分布于抽采钻孔未封孔段。抽采时间达到30 d时，钻孔周围的影响范围很小，以钻孔为中心，呈现为均匀分布的圆形区域；当抽采时间逐步增加，钻孔周边的瓦斯压力再次降低，以钻孔为中心，其抽采影响范围逐渐扩大。

图4 穿层钻孔抽采煤层瓦斯压力分布云图

(a)t=30 d (b)t=60 d (c)t=90 d (d)t=120 d

图5 穿层钻孔抽采时煤层瓦斯压力随时间变化云图

图6为穿层钻孔抽采煤层瓦斯压力-时间的变化曲线。抽采30，60,90,120 d时，有效抽采半径分别约1.20,1.90,2.50,3.00 m。由此得到在穿层钻孔抽采作用下，随抽采时间的增加，抽采影响范围逐步增大。

图6 穿层钻孔抽采时煤层瓦斯压力-时间变化曲线

根据现场测试结果得知：穿层预抽煤层瓦斯抽采钻孔在连续抽采18，30,60,90,120 d时，有效抽采半径实测分别为0.80,1.10,1.85,2.45,3.00 m，与上述的数值模拟计算的结果基本一致，误差在10%以内，说明现场实测方法是正确的且结果是可靠的。

5 结论

(1)在抽采钻孔直径为94 mm，抽采负压不低于22 kPa时，连续抽采18，30，44 d的有效抽采半径分别为0.80，1.10，1.50 m。

(2)在冲孔水压不低于5 MPa，煤孔冲出不少于1.0 t煤炭时，考虑到矿井煤层厚度的变化、冲孔的不均匀性和安全系数，实施水力冲孔后的卸压半径沿煤层走向为8 m；在抽采钻孔的直径为94 mm、孔口抽采负压不低于22 kPa时，连续抽采50 d后，沿煤层走向的有效抽采半径扩大到10 m；沿煤层倾向冲孔钻孔上方的有效抽采半径扩大到12 m；沿煤层倾向冲孔钻孔下方的有效抽采半径扩大到7 m；水力冲孔后可以有效提高抽采钻孔有效抽采半径，且沿各个方向有效半径的增长幅度不同。

(3)用Comsol Multiphysics建立的穿层钻孔抽采煤层瓦斯计算模型，模拟结果与现场测定数据基本一致，说明现场测定方法正确、结果可靠，为金牛建业煤矿技改井二1煤层预抽煤层瓦斯的钻孔设计提供了一定技术参考。