胡华，汪圣伟 ，李希建 ，王文利，徐启飞

(1.贵州黔西能源开发有限公司，贵州 毕节市 551507；2.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；3.复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳 550025；4.贵州大学 瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州 贵阳 550025)

0 引言

近年来，我国煤矿开采已逐步转向深井开采，生产面积和开采强度逐渐扩大，导致采区瓦斯涌出量增大[1-2]。预抽瓦斯是降低井下瓦斯含量的有效手段。目前，我国瓦斯抽采效率普遍较低，而有效抽采半径是影响瓦斯抽采效率的关键因素，根据有效抽采半径，合理地安排孔距。钻距太小，易造成费用浪费，钻距过大，会产生抽采盲区，达不到抽采效果[3-4]。因此，对井下瓦斯有效抽采半径研究具有十分重要的意义。

关于瓦斯有效抽采半径的研究，国内外许多学者做了很多研究。BING 等[5]利用FLAC3D 软件，对瓦斯抽采进行模拟，模拟得到有效抽采半径，并结合现场试验，采用压降法验证模拟结果。曹新奇等[6]经过现场测定，采用了相对瓦斯压力指标法，对瓦斯有效抽采半径进行了研究，为瓦斯抽采钻孔的布置提供科学依据，提高了防突措施的有效性。樊建明[7]基于广义偏微分方程，利用COMSOL Multiphysics 模拟软件，通过试验研究，分析了抽采时间、钻径、负压等因素对瓦斯有效抽采半径的影响规律。但模拟条件过于简单，与井下实际条件相差甚大，模拟结果有待考究。曹佐勇等[8]基于渗流理论和Klinkenberg 效应，考虑了孔隙率和渗透率演化，采用COMSOL Multiphysics 数值模拟软件模拟分析了近距离突出煤层群水力冲孔钻孔有效抽采半径。刘海等[9]以达西定律和瓦斯流动理论为基础，在考虑Klinkenberg 效应条件下，采用理论计算与COMSOL Multiphysics 模拟相结合，研究不同抽采时长下扩煤量对有效影响半径的影响。桑乃文等[10]运用COMSOL Multiphysics 模拟软件，对平行钻孔间抽采叠加效应影响下瓦斯压力、有效抽采半径的变化规律进行研究，以此设计合理的钻孔间距，并通过现场应用进行验证。

因此，为了研究青龙煤矿21605 工作面18 号煤层的瓦斯抽采有效抽采半径，本文采用了瓦斯压力降低法，在青龙煤矿21605 底抽巷d13 控制点展开试验，通过分析18 号煤层的瓦斯压力变化，得到该煤层的瓦斯抽采有效半径，提高煤层瓦斯抽采效率，以期对青龙煤矿的安全生产提供指导依据。

1 工程概况

青龙煤矿位于贵州省黔西市谷里镇，距县城直线距离10.1 km，矿区面积20.6503 km2，设计生产能力为120 万t/a，矿井采用的通风方式为中央并列抽出式。矿井采区内共含稳定可采煤层2 层（16号、18 号煤层），局部可采煤层1 层（17 号煤层），本次测定的为21605 工作面18 号煤层，该区域煤层埋深为200～324 m，煤层平均厚度3.25 m，煤层比较稳定，结构比较简单，亮-半亮型，粉状-块状构造。瓦斯含量值为12.20～13.94 m3/t，具有煤与瓦斯突出风险。

2 试验方案

目前，用于测定矿井煤层瓦斯有效抽采半径的方法主要有：气体示踪法、瓦斯压力降低法、瓦斯流量法、瓦斯含量法、计算机数值模拟法等[11-16]。为有效检验瓦斯降压法确定有效抽采半径的效果，本次试验在青龙煤矿21605 底抽巷垂直向上对18号煤层施工穿层钻孔测试点，设计钻孔直径为94 mm，抽采负压不小于15 kPa，抽采参数接近于煤矿现场应用。

2.1 试验步骤

本次试验测定步骤如下。

（1）施工测定钻孔。测试点位置布置在21605底抽巷d13 至d12 之间，在距抽采钻孔位置间距为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 处分别布置测定钻孔并完成封孔，并安装压力表，钻孔布置如图1所示。

图1 青龙煤矿21605 底抽巷钻孔布置（单位：m）

（2）施工抽采钻孔。待测压孔压力稳定后，施工抽采钻孔，及时封孔，并连接抽采管网。

（3）观测数据。每天观测压力表的变化以及抽采孔参数（浓度、流量、负压）变化，连续观测90 d。

（4）数据处理。通过对抽采时间变化曲线的分析，得到有效抽采半径。

2.2 判定依据

根据周世宁院士提出的用抛物线方程取代瓦斯含量曲线，以及《煤矿安全规程》相关规定[17-18]，矿井进行瓦斯抽采时，瓦斯预抽率要大于30%，才能达到消突的目的。也就是说，当预抽率为30%时，煤层残余瓦斯含量只有原始瓦斯含量的70%。在这一前提条件下，根据瓦斯含量与压力间的数学关系计算得出，预抽后瓦斯压力仅为原始瓦斯压力的49%，下降量为51%。因此，得出有效抽采半径的评判依据为：测压钻孔到抽采钻孔煤层瓦斯压力下降量大于或等于51%的距离即为煤层瓦斯有效抽采半径[19]。

3 试验结果与分析

施工结束，待测压孔瓦斯压力稳定后开始连接抽采系统进行抽采，18 号煤层从2021 年6 月16 日开始连抽，至2021 年9 月20 日结束，抽采过程中18 号煤的瓦斯压力和抽采参数随抽采时间变化趋势如图2、图3 所示。

图2 M18 煤瓦斯压力随抽采时间变化曲线

图3 M18 煤抽采参数随抽采时间变化曲线

由图2 可以看出抽采期间各钻孔瓦斯压力变化情况。

（1）18-3#钻孔在抽采的前9 d，瓦斯压力基本上呈线性下降，从0.31 MPa 骤降至0.16 MPa，此后13 d 瓦斯压力仅下降了0.05 MPa，抽采至90 d时瓦斯压力稳定在0.1 MPa。

（2）18-5#钻孔瓦斯压力变化情况与3#孔情况相近，在抽采的前21 d，瓦斯压力从0.70 MPa 降低到0.40 MPa，抽采至40 d 时瓦斯压力降至0.33 MPa，此后压力稳定在0.32 MPa。

（3）18-2#钻孔瓦斯压力下降平稳，抽采至60 d时瓦斯压力从0.72 MPa 降低到0.60 MPa，至94 d时瓦斯压力降至0.3 MPa，至100 d 后瓦斯压力稳定在0.1 MPa。

（4）18-6#钻孔瓦斯压力变化情况与5#孔情况相近，抽采至30 d 时瓦斯压力从0.90 MPa 降低到0.75 MPa，至90 d 时瓦斯压力降至0.5 MPa，此后瓦斯压力稳定不变。

（5）18-1#钻孔在抽采至85 d 时，瓦斯压力从1.00 MPa 降低到0.55 MPa，此后瓦斯压力稳定不变。

（6）18-7#钻孔在抽采至87 d 时，瓦斯压力从1.30 MPa 降低到0.60 MPa，此后瓦斯压力稳定不变。

由图3 可知，M18 煤抽采孔抽采浓度稳定在60%左右，抽采效果较好。在抽采到94 d 后，瓦斯压力变化不明显，说明煤层瓦斯抽采存在一个极限抽采时间问题[20]，与文献[8]的研究结论基本一致。

由以上结果分析可得：

（1）在孔径为94 mm，抽采负压不小于15 kPa时，青龙煤矿18 号煤层的有效抽采半径为：抽采22 d 时为1 m，抽采40 d 时为2 m，抽采94 d 时为3 m；

（2）在抽采94 d 内，瓦斯抽采对3 m 以外的范围影响不大，在此范围内依然存在煤与瓦斯突出风险；

（3）在一定条件下，当抽采时间越长，有效抽采半径就越大，但当抽采达到一定时间后就不再增加，说明瓦斯抽采存在极限抽采时间。

4 结论

（1）基于瓦斯压力降低法，在青龙煤矿21605底抽巷垂直向上施工穿层钻孔，可操作性强，有效地解决在瓦斯抽采钻孔设计中的间距布置问题，提高了煤层瓦斯抽采率。

（2）在孔径直径为94 mm，抽采负压不小于15 kPa 时，青龙煤矿18 号煤层的有效抽采半径为：抽采22 d 时为1 m，抽采40 d 时为2 m，抽采94 d时为3 m。

（3）极限抽采时间存在于煤层瓦斯抽采中，即抽采时间越长，有效抽采半径越大，但当抽采达到一定时间后就不再增加。