王军
（华阳新材料科技集团有限公司 安全监察局，山西 阳泉 045000）
煤与瓦斯突出问题一直以来都是煤矿安全生产过程中面临的主要问题之一。煤层瓦斯抽采作为有效治理煤层瓦斯问题的方式之一，能够有效降低煤层瓦斯含量，减少煤层突出危险性，保障工作面生产的安全高效有序进行。然而，在当前煤与瓦斯治理过程中，受工作面所处地质条件、埋深条件、施工工艺、煤岩自身渗透性、瓦斯赋存情况等因素的影响，在煤层瓦斯抽采过程中，不同区域抽采效果存在一定的差异性。因此本文以新景矿15123 底抽巷穿层钻孔为研究对象，结合数值模拟和现场试验两种方式，对穿层钻孔抽采效果进行考察，分析钻孔抽采效果，从而提高瓦斯治理效率，保障工作面安全高效生产。
新景矿15123 工作面属于15 号煤层，位于新景公司佛洼采区+420 水平南翼中部。15 号煤层上部覆有3、6、8、9、12、13 号等煤层，且均未开采。15123 工作面处15 号煤层，埋深600～800 m，煤层倾角2°～9°，分布相对稳定，煤质程度为中灰、中硫的优质无烟煤，主要以镜煤和亮煤为主，顶板和底板为灰黑色的泥岩，顶底板透气性相对较差，有利于瓦斯赋存，因此瓦斯含量相对较高。15123 工作面采掘范围内瓦斯含量8～15 m3/t，在工作面回采前，需施工抽采钻孔治理煤层瓦斯，并考察钻孔抽采效果。
2.1 数值模拟参数选择
选用comsol 软件对钻孔抽采过程中钻孔周边瓦斯压力变化情况进行分析。在运用comsol 建立数值模型过程中，假设煤体为各向同性均质的介质，以煤层钻孔段为研究对象，考虑影响瓦斯流动的影响因素。由于煤层顶底板为透气性较差的泥岩，可认为岩层中无游离态的瓦斯存在，同时煤层中的瓦斯气体，在煤层中均匀分布，在吸附解吸过程中，为理想气体，符合Langmuir 气体状态方程，煤层中瓦斯流动符合达西定律，在瓦斯运移过程中温度无明显变化。
通过建立煤岩瓦斯渗流场方程（广义型偏微分方程（g）） 和煤体骨架变形方程（固体力学线弹性材料方程），研究两场流固耦合作用下，钻孔周围瓦斯压力分布同时间的变化情况，模型参数见表1。
表1 模型参数设置Table 1 Model parameter settings
2.2 模型参数设置
煤层瓦斯气体只在煤层中流动，煤层流动边界条件为：
抽放孔周围，钻孔瓦斯压力符合狄氏边界条件(DiriChlet)，即：
煤层瓦斯压力的初始值为：
基于理论推导模型，根据上述基本假设条件以及相关参数，结合新景矿15123 工作面实际情况，采取二维平面模型进行抽采半径的数值模拟计算。模型高（煤厚） 为4 m，煤层长度设为20 m，底部边界固定，左右两侧为自由边界，不加固。顶部应力为8.09 MP，钻孔半径为55 mm，抽采负压为-13 kPa，初始瓦斯压力大小为1.03 MPa，钻孔布置在模型中心位置，取h方向为y 轴方向，L方向为x 轴方向。模型网格见下图1 所示。
图1 模型网格划分Fig.1 Model meshing
2.3 数值模拟结果及分析
当钻孔抽采负压为-13 kPa，孔径为110 mm时，抽采时间为0、40、70、150 d 时，煤层瓦斯压力分布如图2 所示。
图2 煤层瓦斯压力分布云图Fig.2 Coal seam gas pressure distribution nephogram
选取抽采钻孔径向剖面图作为研究对象，不同时间钻孔水平方向瓦斯压力分布曲线如图3 所示。
图3 不同时间钻孔周边瓦斯压力分布曲线Fig.3 Distribution curve of gas pressure around borehole at different time
根据《防止煤与瓦斯突出细则》的第五十八条规定，煤层瓦斯压力≤0.74 MPa 时，可认为达到防突效果指标。因此，此处认定P≤0.7 MPa 时，即可认为煤层瓦斯抽采效果达标钻孔周围的有效影响半径范围内。从图3 可知，随着抽采时间的增加，钻孔有效抽采半径逐渐变大，当抽采时间为40 d 时，有效抽采半径为0.7 m 左右；
当抽采时间达到70 d 时，钻孔有效抽采半径可达1.2 m 左右；
当抽采时长为150 d 时，钻孔有效抽采半径可达3.0 m 左右。
在数值模拟结果的基础上，先在15123 底抽巷开展瓦斯抽采效果测试。现场共施工压力测试钻孔2 个，抽放孔1 个，钻孔孔径均为110 mm，倾角为30°，钻孔与巷道夹角为90°。施工过程中，先施工压力测试孔，测试孔距抽采孔间距分别为0.7 m、1.2 m，具体钻孔布置方式如图4 所示。
图4 钻孔布孔方式Fig.4 Drilling hole arrangement method
钻孔施工完成后，安装压力表，采用“两堵一注”封孔方式封孔，观测压力表读数变化，待压力读数稳定后，施工抽采钻孔，对抽采钻孔进行抽放，每天观测并记录周围2 个考察钻孔的压力表读数。现场共观测压力表读数70 d，考察孔压力随时间变化结果如图5 所示。
图5 观测孔瓦斯压力衰减变化Fig.5 Observation hole gas pressure attenuation change
根据钻孔压力测试结果可知，随着抽采时间的增加，钻孔瓦斯压力逐渐降低，且在一定时间后，压力衰减逐渐平缓。钻孔瓦斯初始压力分别为1.03 MPa 和1 MPa；
抽采40 d 后，1 号考察孔压力下降至0.7 MPa，2 号考察孔压力下降至0.86 MPa；
抽采70 d 后1 号考察孔压力下降至0.63 MPa，2 号考察孔压力下降至0.68 MPa，2 个钻孔压力均降至0.7 MPa 以下。即抽采40 d 后，钻孔有效抽采半径为1.5 m，抽采70 d 后，钻孔有效抽采半径为1.85 m。
本文以新景矿15121 底抽巷穿层钻孔抽采效果考察为研究对象，结合煤层自身煤岩物理参数，通过建立穿层钻孔瓦斯抽采模型，利用comsol 软件模拟底抽巷穿层钻孔瓦斯效果随时间的变化情况，结合数值模拟结果，对现场钻孔布孔间距进行设计，通过现场实测检验数值模拟结果的有效性，两者相互印证。现场实测结果与数值模拟结果基本一致，钻孔有效抽采半径考察结果表明，随着抽采时间的增加，钻孔周围瓦斯压力逐渐降低。抽采40 d后，新景矿15121 底抽巷穿层钻孔有效抽采半径为1.5 m；
抽采70 d 后，钻孔有效抽采半径可达1.8 m；
预计抽采250 d 后，钻孔有效预计可达2.8 m。在底抽巷进行穿层钻孔瓦斯抽采时，可根据钻孔抽采半径对布孔位置进行优化。
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