瓦斯抽采半径确定方法的比较及存在问题研究胡新春

瓦斯抽采半径确定方法的比较及存在问题研究胡新春

胡新春

中煤新集能源股份有限公司新集二矿安徽省淮南市232180

摘要：确定煤层瓦斯合理抽采半径是实现矿井抽采达标最重要的技术工作之一。合理的抽采半径或抽采钻孔间距，是通过在一定条件下充分利用允许的预抽时间，减少钻孔工程量，提高抽采效率的优化参数获取。传统的抽采半径确定方法，对于透气性较好、煤层测压条件较佳时可能得到考察结果，但其测试效率低;当煤层透气性差时测定成功率极低，实用性差。目前，高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井在贯彻《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿瓦斯抽采达标规定》过程中迫切需要简单易行，便于推广应用的钻孔抽采半径确定的新方法。为此，在已知煤层瓦斯含量的基础上，采用直接测定钻孔瓦斯动态抽采流量的方法来确定钻孔不同抽采时间的抽采半径。本文分析了瓦斯抽采半径确定方法的比较及存在问题。

关键词：瓦斯抽采半径；确定方法；比较；

钻孔预抽煤层瓦斯是最主要的防治煤与瓦斯突出措施，瓦斯抽采半径是该措施的一项重要参数，其合理与否直接关系到防突效果和防突成本。但在实际应用中，瓦斯抽采半径的确定还没有形成统一的认识，并带有一定的主观经验性。钻孔间距过小，会发生串孔现象，并增加防突成本，加剧采掘接替紧张的局面;钻孔间距过大，则会形成抽采盲区，无法消除采掘工作面的突出危险性，进一步可能引发煤与瓦斯突出事故。因此，确定合理的瓦斯抽采半径参数对提高抽采效果、快速消除突出危险性具有重要的现实意义。国内外学者采用钻孔测试法、示踪气体法和数值模拟的方法确定了不同矿区的瓦斯抽采半径，对于瓦斯灾害的防治起到重要作用。

一、抽采半径测算理论分析

1.钻孔有效抽采半径含义。煤层是典型的天然多孔介质，其内分布有众多的孔隙、裂隙，瓦斯则以游离态和吸附态赋存于煤体孔隙、裂隙空间及其表面上。游离瓦斯遵循自由气体状态方程，其分子热运动形成煤层瓦斯压力，多分布于大孔隙及裂隙中，约占瓦斯总量的10%～20%;吸附瓦斯服从朗格缪尔方程，多以范德华力为其物理吸附的动力，多位于微孔隙内表面约占瓦斯总量的80%～90%。在煤层内布置瓦斯抽采钻孔，孔周围煤体裂隙发育贯通，裂隙内的游离瓦斯在压力梯度作用下向孔内渗流，孔隙、裂隙内的大量吸附瓦斯解吸扩散至裂隙内参与渗流。随钻孔的抽采，钻孔周围煤体内瓦斯压力梯度、浓度梯度近似为零，新的梯度等值域以近似圆形区域不断向周围扩展并衰减，直至达到某一极限，此时的半径即为钻孔抽采瓦斯影响半径。抽采影响范围内，瓦斯压力、瓦斯含量或抽采率达到评判指标的区域即为有效抽采区域，其半径即为有效抽采半径。

2.钻孔抽采瓦斯理论模型。钻孔抽采煤层瓦斯的实质是煤层瓦斯气体在压差和浓度差驱动下向钻孔内流动的动态过程，主要对象为煤层内的游离瓦斯和吸附瓦斯，流动方式包括达西渗流运动、菲克扩散运动，涉及的方程包含理想气体状态方程、朗格缪尔吸附方程、达西渗流方程、菲克扩散方程、质量守恒方程。钻孔周围煤体物理力学性质分区是逐渐发展的，抽采过程中煤体骨架收缩，塑性软化区部分闭合、未闭合的裂隙逐渐扩展张开。取煤层裂隙内动态变化的游离瓦斯为研究对象，依据钻孔周围煤层瓦斯运移特点，以破坏区半径为界按破坏区半径方程、破坏区内瓦斯流动方程、其他区域煤层瓦斯流动方程准确解算钻孔周围煤层瓦斯运移规律。

二、瓦斯抽采半径确定方法的比较

钻孔抽采半径的测定目前尚无规范的标准，一般采用直接测定法和间接计算法两种方式。而目前主流的钻孔测试法及计算机模拟法则分别对应直接测定法和间接计算法。一是钻孔测试法：以瓦斯抽采影响半径为中心，从中心至外围，瓦斯压力及瓦斯含量是不断减少的，同时瓦斯涌出量也是不断减少的。在抽采钻孔周边不同距离布置测试钻孔，通过测定测试钻孔内瓦斯压力、瓦斯涌出量或打钻过程中钻屑解吸指标值的变化，即可确定钻孔的有效抽采半径。二是计算机模拟法：基于瓦斯渗流基本定律-达西定律，利用数值模拟软件建立了钻孔瓦斯流动模型，设立了一个求解程序，模拟了钻孔内瓦斯流动规律和瓦斯气体压力分布规律，通过分析钻孔周围煤体瓦斯压力的变化，进而确定钻孔有效抽采半径。

1.压降指标法。一是压降指标法原理。利用抽采钻孔进行瓦斯预抽采时，煤体内的瓦斯受抽采负压和瓦斯压力的作用，由煤层向钻孔运移，形成了一个以抽采钻孔为中心的近似圆形的抽采影响圈，计算出来的抽采影响圈的半径就是所求的钻孔抽采影响半径。利用瓦斯抽采钻孔进行抽采的过程中，随着抽采时间的延长，抽采影响半径会逐渐增大，直至钻孔抽采负压和煤层瓦斯压力不足以克服瓦斯运移的阻力为止。随着抽采时间的延长，在钻孔的抽采影响圈的范围内，瓦斯压力会逐渐减低，在影响圈内打一些测压钻孔，记录下影响圈内的测压钻孔的压力变化，通过压力变化得到钻孔有效抽采半径。二是压降指标法确定抽采半径的相关界定值。煤层进行瓦斯预抽采之后，瓦斯的预抽采率必须大于30%，即煤层的瓦斯含量预抽采后与预抽采前相比至少降低30%。在对煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间的关系进行研究的工程实践中，瓦斯压力不是很大的情况下，煤层的瓦斯含量和瓦斯压力满足抛物线模型关系。三是压降指标法确定钻孔抽采影响半径。利用抽采钻孔进行瓦斯预抽采的过程中，在抽采影响圈的范围内，煤层内的瓦斯不断向钻孔涌出，煤层内的瓦斯含量相应地降低。人们规定，当钻孔周围的瓦斯含量降低10%时，则表明该位置处于抽采钻孔的影响范围内，根据瓦斯含量与瓦斯压力之间的抛物线关系，此时煤层的瓦斯压力下降了19%。在工程实例中，瓦斯抽采影响半径的确定方法如下：对测压孔进行封孔测压，待压力稳定后利用抽采钻孔进行瓦斯抽采，在抽采过程中，将测压孔压力降低19%以上的所有钻孔视为抽采影响范围内的钻孔，距离抽采孔最远的抽采影响范围内的测压钻孔中心线到抽采孔中心线的距离即为抽采影响半径。四是压降指标法确定钻孔的有效抽采半径。根据上文对煤层瓦斯的预抽采率必须大于30%的要求，对于钻孔有效抽采半径定义为在该半径范围内，煤层的瓦斯含量降低30%以上，即煤层残存瓦斯含量降低到原来的70%以下。依据瓦斯含量与瓦斯压力的抛物线关系，在有效抽采半径内，煤层的瓦斯压力至少下降51%。因此，在工程实践中，确定有效抽采半径的具体方法如下：对测压孔进行封孔测压，待压力稳定后利用抽采钻孔进行瓦斯抽采，在抽采过程中，将测压孔压力降低51%以上的所有钻孔视为有效抽采半径内的钻孔，距离抽采孔最远的有效抽采半径内的测压钻孔中心线到抽采孔中心线的距离即为有效抽采半径。

2.瓦斯含量指标法。用瓦斯含量指标测定钻孔抽采半径的具体方法是：首先在煤层打一排测压孔封孔测压，同时按煤层破坏结构分层采取一定的新鲜煤样，并进行煤的工业分析和吸附常数测定。当压力稳定后在2号孔一侧打抽采钻孔，为1号孔，并在1号孔进行抽采，定期观察测压孔的瓦斯压力，同时根据每个测压孔的煤样参数以及对应的瓦斯压力，用计算公式得出该点的煤岩的瓦斯含量量X2、X3、…、Xn。如果a（a=2、3、…、n）号孔及其之前的测压孔的瓦斯含量与原始含量相比下降30%以上，而a号孔之后的测压孔的瓦斯含量比原始含量下降30%以下，那么d=d1+d2+d3+…+da-1（da-1表示a号孔与a-1号孔间距）就是钻孔的有效抽采半径。

3.钻屑解吸指标法。在瓦斯钻孔抽采影响圈范围内，煤层的瓦斯压力和瓦斯含量会逐渐降低，对应的钻屑瓦斯解吸指标值也会有所下降。在抽采钻孔周围不同距离布置测试钻孔，通过测定分析测试钻孔打钻过程中钻屑解吸指标值的变化，即可确定钻孔抽采半径。

4.示踪气体测定法。示踪气体多选用SF6，其测定步骤:一是施工注气孔、测试孔，封孔后关闭各自阀门;二是将测试孔与抽采系统联结，保持阀门的关闭状态;三是将SF6注入注气孔中，关闭其阀门;四是打开测试孔阀门，联结抽采系统进行抽采;五是每隔一定时间，采集测试孔气样，测定分析SF6，直至每个测试孔都检测出SF6为止;六是根据上述测试结果，对测试孔距注气孔的距离与相应抽采时间的对应关系进行回归分析，求出不同抽采时间对应的影响半径。

三、存在的问题

1.测试方法存在的问题。一是现场实测法中，瓦斯压力的测试难度较大，很难在煤层巷道中测试到真实的瓦斯压力;示踪气体的可靠性不高，再加上现场施工时由于人为操作的失误，施工的钻孔容易发生偏孔，并且每个考察点仅有2～3个钻孔作为考察孔，得到的抽采半径是某个区间值，测试的抽采半径存在较大误差。此外，一次只能测试某个地点的抽采半径，成本较高。不同地点的瓦斯压力和瓦斯含量差别很大，在相同抽采时间的瓦斯抽采半径亦随之改变，现场实测法不能随瓦斯地质条件的改变动态确定瓦斯抽采半径。为此众多学者采用数值模拟的方法确定瓦斯抽采半径。二是要采用数值模拟方法确定合理的瓦斯抽采半径，首先需要清楚抽采过程中瓦斯的运移规律。瓦斯的运移受渗流场和应力场的控制，是一个瓦斯渗流和煤层变形之间相互耦合的过程。一方面，在钻孔施工完毕后，随着时间的推移，钻孔周围煤体会产生蠕变变形，钻孔的卸压范围会逐渐增大，煤体的渗透率会逐渐提高，有利于瓦斯的抽采;另一方面，随着瓦斯的抽采，钻孔周围煤体的瓦斯压力会逐渐降低，从而提高了作用在煤体固体骨架上的有效应力，降低了煤层的渗透率。因此，瓦斯抽采过程是应力场和渗流场耦合作用的过程，应力场的改变会影响到渗流场，而渗流场的改变又进一步促进了应力场的变化。前人在利用多物理场耦合确定合理的瓦斯抽采半径方面进行了较为深入的研究，取得了重大的研究成果，但是还存在着如下问题:①前人的研究成果普遍把煤体作为弹性体，采用广义胡克定律研究钻孔周围煤体的应力应变分布规律，大量研究成果表明，煤属弹塑性体，特别是松软突出煤层，煤的塑性更为明显;②在研究钻孔周围煤体的受力分析方面，没有考虑煤体破坏后的塑性软化和剪胀扩容现象，确定的钻孔卸压范围偏低;③大量的研究表明，钻孔施工完毕后，钻孔孔径并非一成不变，会随着时间的延伸发生蠕变变形，产生缩孔和塌孔现象，在抽采孔的蠕变变形研究方面未见报道;④在进行流固耦合研究方面，前人主要考虑渗流场的演化规律，对应力场的研究相对较少。因此，要建立钻孔周围煤体瓦斯运移的数学模型，确定合理的瓦斯抽采半径，就必须放弃煤是纯弹性体的假设，充分考虑煤的软化变形和扩容特征以及煤的蠕变变形特征，综合分析应力场和渗流场对瓦斯运移的影响，这对确定合理的瓦斯抽采半径，保证区域防突措施的实施效果具有重要意义。

2.抽采半径考察存在的问题。一是瓦斯抽采半径考察较少。瓦斯抽采半径是最重要的瓦斯抽采参数，准确确定瓦斯抽采半径对于提高瓦斯抽采效果具有重要意义。但是由于抽采半径考察难度较大，我国许多矿井并未确定适合自身瓦斯地质条件的抽采半径，采用经验方法布置钻孔，致使钻孔布孔间距过密或过疏，严重影响了抽采效果。部分矿井考察了自身矿井的抽采半径，但是考察点较少，未能够根据瓦斯地质条件的改变动态确定不同的抽采半径。二是未考虑软硬煤层抽采半径的差异性。瓦斯抽采工程实践表明，抽采孔施工完毕后，由于含瓦斯煤的流变特性，钻孔孔径会随时间发生缩孔现象，硬煤层中的钻孔孔径最终趋于稳定，不会发生堵孔现象，可以长时间抽取高浓度的瓦斯，有效抽采时间很长，抽采半径相对较大;而软煤层中的钻孔变形较为剧烈，缩孔幅度远大于硬煤，会产生堵孔现象，阻塞瓦斯抽采通道，抽采瓦斯体积分数很快衰减到1%以下，瓦斯抽采的有效时间相对较短，抽采半径相对较小。瓦斯抽采实践表明，在软硬煤层中布置相同间距的抽采孔，经过一段时间的抽采进行效果检验时，软煤层通常比硬煤层超标严重，主要原因就是软煤层钻孔抽采半径相对较小。

3.未考虑埋藏深度对抽采半径的影响。埋藏深度对抽采半径的影响主要体现3个方面:一是随着埋藏深度的增大，煤层的瓦斯含量和瓦斯压力逐渐升高，瓦斯抽采半径会逐渐缩短;二是埋藏深度越大，煤层地应力越高，煤层的渗透率越低，瓦斯运移越困难，瓦斯抽采半径越小;三是地应力越高，煤体的蠕变变形越剧烈，会导致硬煤层钻孔也发生堵孔现象，从而缩短了瓦斯抽采时间，减小了瓦斯抽采半径，因此在确定深部煤层瓦斯抽采参数时，硬煤钻孔也应考虑由于煤的流变特性产生的堵孔现象。

四、展望

瓦斯抽采半径的测定已经取得了一定的研究成果，基于上述问题，认为基于多物理场耦合采用数值模拟方法动态确定有效抽采半径是发展趋势，应采用试验研究、理论分析和工程实践验证相结合的研究方法和思路，在以下4个方面进行深入研究:一是考虑煤的流变特性，加强抽采孔周围煤体的应力分布和移动变形规律研究，分析钻孔孔径变化规律，确定有效的抽采时间参数;二是研究瓦斯抽采过程钻孔周围煤体渗透率的演化规律，建立应力场和渗流场相互耦合的瓦斯运移方程，确定有效的抽采半径;三是到井田深部后，温度对瓦斯运移的影响将更为明显，应建立瓦斯抽采过程中的热－流－固耦合模型。

钻孔瓦斯抽采半径主要与煤层瓦斯含量、透气性系数、抽采钻孔直径及负压、抽采目的及时间等因素有关，当抽采条件发生改变时，矿井应重新确定抽采半径。通过瓦斯抽采半径的研究，为矿井的抽采设计和现场应用提供了可靠的依据。

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