赵子健，田 鹏

(1.晋能控股煤业集团 大通煤矿，山西 高平 048000；2.晋能控股山西科学技术研究院有限公司(晋城) 技术中心，山西 晋城 048006)

高瓦斯矿井在巷道掘进、回采期间，需要进行瓦斯抽采以达到安全采掘的目的。因此，在煤体中需要布置大量的瓦斯抽采钻孔，而大量抽采钻孔的布置往往会损伤、破坏煤体。以往在进行高瓦斯煤层巷道锚杆支护形式与参数设计时，均未考虑抽采钻孔、瓦斯压力、瓦斯抽采对煤体强度、结构、煤层锚固特性以及支护构件受力特性产生的影响，关于瓦斯抽采对巷道支护效果的影响缺乏专门和有针对性的研究，导致高瓦斯煤层巷道支护出现支护失效现象[1]。

山西某矿主要采取地面钻井抽采瓦斯、千米钻机大面积区域性预抽采、掘进过程中钻场和横川超前钻孔抽采等瓦斯抽采措施，为采掘创造条件[2]。由于巷道掘进和工作面回采过程中瓦斯抽放密度和抽放力度较大，导致煤体内裂隙贯通，对煤体的完整性和承载能力造成了一定程度的损伤[3]。本文从瓦斯抽采钻孔施工的直径、抽采钻孔的布置密度两个方面展开研究，揭示瓦斯抽采钻孔直径、密度对巷道煤体的影响。

1 抽采钻孔直径的影响

以山西某矿东五盘区的地应力情况为背景建立模型，采用单一模式力学计算，垂直主应力为6.05 MPa，最大水平主应力为12 MPa，最小水平主应力为6.23 MPa。模型长宽均为0.7 m，如图1所示。

图1 抽采钻孔数值模型

模拟方案一：抽采钻孔垂直最大水平主应力，模拟不同直径(80 mm、100 mm、120 mm)条件下，巷道掘进期间、一次工作面采动影响和二次工作面采动影响后瓦斯抽采钻孔围岩破裂情况，见图2。

图2 方案一模拟结果

模拟方案二：抽采钻孔垂直最小水平主应力，模拟不同直径(80 mm、100 mm、120 mm)条件下，巷道掘进期间、一次工作面采动影响和二次工作面采动影响后瓦斯抽采钻孔围岩破裂情况，见图3。

由图2～图3中分析可知：

1) 当抽采钻孔垂直最大水平主应力布置时，钻孔受尺寸和围岩应力两个因素影响显著。考虑两者中单一因素影响，即钻孔直径增大或围岩应力升高，钻孔周围煤体的破坏范围均呈现递增趋势。这种布置方式下，巷道掘进动压影响后钻孔孔壁即发生明显破坏，且随着钻孔直径增大(80 mm→100 mm→120 mm)，破坏程度加大，破坏范围达到1.5D(D为钻孔直径)。一次采动影响后，孔壁破坏程度达60%～70%，钻孔破坏范围达到2D；二次采动影响后，孔壁完全破坏，并出现塌孔现象，钻孔破坏范围达到2.5～3D。

2) 当抽采钻孔垂直最小水平主应力布置时，与方案一相比，钻孔受尺寸和应力两个因素影响程度小，但规律一致，即随着钻孔直径增大或围岩应力升高，钻孔周围煤体的破坏范围均呈现递增趋势。这种布置方式下，巷道掘进动压影响后钻孔孔壁未发生明显破坏。一次采动影响后，孔壁破坏程度达40%～50%，钻孔破坏范围达到1.5D；二次采动影响后，钻孔破坏范围达到2D。

2 抽采钻孔密度的影响

瓦斯抽采钻孔对煤体的损伤破坏，除了受钻孔直径影响外，还与抽采钻孔的密度有关。

在负压为10 kPa、实际地应力和孔径为94 mm条件下，探讨不同瓦斯抽采钻孔密度(排距1 m、3 m、5 m、7 m)时，瓦斯抽采孔周边浓度变化和抽采影响范围。从现场试验可以得出：

1) 在相同应力条件下，多个抽采孔的应变会比单个抽采孔应变大，也就是煤体压缩的量更大，同时最大应变点也是应力集中的位置。然而孔距对于应变的影响不大，这是由于孔径和孔距相比差了两个数量级的缘故，所以可以忽略不计。

2) 孔距为1 m时，对于两孔中间的煤体抽采效果是最好的，随着孔距的提升，两孔中间的煤体的瓦斯压力也是增加的，这也说明了多个抽采孔对于瓦斯抽采的效率是有很大提升的。为了更好地对比抽采效率，取中间两抽采孔连线的中心点作为参考，通过比较相同抽采时间内该点的瓦斯压力，来对比得到抽采效率[4]。具体数值如表1所示。

表2 瓦斯压力数据 MPa

从表2可以看出，孔距为1 m时抽采效率是最高的，抽采60 d煤体就达到1.11 MPa，而孔距7 m抽采了360 d也只有2.19 MPa。同时也发现，随着孔距的增加，抽采效率的下降趋势越来越缓，孔距1 m和孔距3 m到60 d时的抽采效果相比差了4倍(分别从2.6 MPa下降到1.11 MPa和2.28 MPa)，而孔距3 m到孔距5 m的抽采效果差了只有1倍左右。所以可以得出3 m是兼顾经济效益和抽采效率的间距[5]。

3 结 语

1) 通过瓦斯抽采钻孔数值模拟分析，仅考虑钻孔施工单一因素，随着钻孔尺寸和围岩应力的增大，钻孔周围煤体的破坏范围逐渐增大。以山西某矿东五盘区为例，最大水平主应力为东西向，工作面东西布置，工作面瓦斯抽采钻孔垂直最大水平主应力打设，一次采动影响后，钻孔周围破坏范围达到2D，二次采动影响后，钻孔周围破坏范围达到2.5～3D。

2) 在相同应力条件下，多个抽采孔的应变会比单个抽采孔应变大，即煤体压缩的量更大，同时最大应变点也是应力集中的位置。然而，由于孔径和孔距相比差了两个数量级的缘故，孔距对于应变的影响不大，可忽略不计。

3) 随着抽采孔距的增加，抽采效率的下降趋势越来越缓[6]。以山西某矿东五盘区为例，抽采钻孔间距为3 m时，经济效益和抽采效率最佳。