淮北礦區(qū)鉆孔抽采半徑測(cè)定研究報(bào)告淮北礦區(qū)鉆孔抽采半徑測(cè)定研究報(bào)告中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院淮北礦業(yè)股份有限公司通防處二○一二年八月淮北礦區(qū)鉆孔抽采半徑測(cè)定研究報(bào)告目錄1前言 12鉆孔周?chē)后w中瓦斯流動(dòng)理論及影響因素 32.1瓦斯在煤層中的流動(dòng)狀態(tài) 32.2抽排鉆孔瓦斯徑向流動(dòng)模型 42.3瓦斯抽采效果影響因素 62.3.1抽采時(shí)間 72.3.2抽采負(fù)壓 72.3.3鉆孔直徑 72.3.4鉆孔施工及封孔質(zhì)量 82.3.5煤體滲透特性 82.3.6地應(yīng)力 92.3.7瓦斯壓力 102.3.8煤體吸附特性 113抽采鉆孔瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬分析 123.1數(shù)值模型建立 123.1.1數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介 123.1.2鉆孔瓦斯?jié)B流模型的建立 133.2模擬參數(shù)設(shè)置 143.2.1模型基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置 143.2.2模型邊界設(shè)置 153.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析 153.3.1抽采時(shí)間的影響 153.3.2抽采負(fù)壓的影響 203.3.3煤層滲透率的影響 213.3.4鉆孔孔徑的影響 234瓦斯抽排半徑測(cè)定方法 264.1穿層鉆孔抽采半徑測(cè)試方法 264.1.1平行鉆孔布置法 264.1.2終孔圓周布置法 274.2順層鉆孔抽采半徑測(cè)試方法 284.2.1測(cè)試原理 284.2.2測(cè)試方法 294.3煤巷掘進(jìn)工作面淺孔排放半徑測(cè)試方法 305瓦斯抽排半徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析 325.1蘆嶺礦穿層鉆孔抽采半徑測(cè)定及結(jié)果分析 325.1.1測(cè)試地點(diǎn)概況 325.1.2鉆孔施工參數(shù)及鉆孔間距的確定 335.1.3有效抽采半徑確定依據(jù) 345.1.4測(cè)試結(jié)果及分析 355.1.5抽采后煤層消突效果 425.2楊柳礦穿層鉆孔抽采半徑測(cè)定及結(jié)果分析 445.2.1測(cè)試地點(diǎn)概況 445.2.2鉆孔設(shè)計(jì)及施工參數(shù) 455.2.3測(cè)試結(jié)果及分析 455.3祁南礦順層鉆孔抽采半徑測(cè)定及結(jié)果分析 495.3.1測(cè)試地點(diǎn)概況 495.3.2鉆孔設(shè)計(jì)及施工參數(shù) 495.3.3測(cè)試結(jié)果及分析 505.4祁南煤礦穿層鉆孔抽采半徑測(cè)定及結(jié)果分析 545.4.1鉆孔設(shè)計(jì)及施工參數(shù) 545.4.2測(cè)試結(jié)果及分析 555.5祁南煤礦掘進(jìn)工作面鉆孔排放半徑測(cè)定及結(jié)果分析 585.5.1鉆孔設(shè)計(jì)及施工參數(shù) 585.5.2測(cè)試結(jié)果及分析 586瓦斯抽采半徑預(yù)測(cè)程序設(shè)計(jì) 616.1鉆孔瓦斯抽采半徑程序解算模型及算法 616.2程序設(shè)計(jì)流程圖 626.3程序界面及算例 637總結(jié) 66淮北礦區(qū)鉆孔抽采半徑測(cè)定研究報(bào)告PAGE66PAGE691前言淮北礦區(qū)隨著開(kāi)采深度的增加，煤層瓦斯壓力、含量相對(duì)增加，采掘工作面瓦斯涌出量也逐漸增加，嚴(yán)重制約著礦井的安全生產(chǎn)。預(yù)抽煤層瓦斯是大多數(shù)突出礦井采取的防突措施。目前淮北礦區(qū)瓦斯治理多采用穿層鉆孔及順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯措施以降低煤層瓦斯含量進(jìn)而降低工作面瓦斯涌出量，達(dá)到治理瓦斯的目的。其中，有效抽采半徑是該措施的一個(gè)重要參數(shù)，直接關(guān)系到預(yù)抽鉆孔間距的設(shè)計(jì)，影響瓦斯抽采的效果。若抽采鉆孔間距較大，易出現(xiàn)抽采盲區(qū)，達(dá)不到抽采效果，留下安全隱患；若抽采鉆孔間距較小，則容易造成工期延長(zhǎng)及工程量浪費(fèi)。所以，比較準(zhǔn)確地測(cè)定抽采鉆孔的抽采半徑，可避免設(shè)計(jì)及施工的盲目性，提高抽采效果及施工進(jìn)度。對(duì)抽采瓦斯防治突出及瓦斯超限具有十分重要的意義。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的鉆孔瓦斯抽采半徑的測(cè)試方法主要有鉆孔測(cè)試法和計(jì)算機(jī)模擬法及二者相結(jié)合的方法。在有效性指標(biāo)的確定上，鉆孔測(cè)試法國(guó)內(nèi)外采用的指標(biāo)主要有以下三種：瓦斯壓力指標(biāo)、瓦斯含量指標(biāo)、相對(duì)瓦斯壓力指標(biāo)。計(jì)算機(jī)模擬法主要應(yīng)用的指標(biāo)有含量指標(biāo)和壓力指標(biāo)。國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦區(qū)抽采鉆孔抽采半徑為2.5-4m，多數(shù)礦井抽采半徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到，并沒(méi)有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，造成了抽采鉆孔設(shè)計(jì)及施工的盲目性。因此，淮北礦區(qū)有必要現(xiàn)場(chǎng)考察抽采鉆孔的抽采半徑，為礦區(qū)抽采鉆孔設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。受淮北礦業(yè)股份有限公司通防處委托，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)結(jié)合淮北礦區(qū)煤層瓦斯賦存狀況，開(kāi)展了淮北礦區(qū)鉆孔抽采半徑測(cè)定的研究。兩年來(lái)具體研究工作如下：①理論分析了影響瓦斯抽采鉆孔抽采效果的因素，建立了鉆孔瓦斯抽采流動(dòng)模型；②運(yùn)用流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)瓦斯抽采鉆孔在非穩(wěn)態(tài)、單一抽采因素下的抽采流場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，找出鉆孔抽采影響因素對(duì)抽采半徑及瓦斯抽采量的影響關(guān)系；③根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的穿層及順層鉆孔抽采半徑測(cè)試方法，結(jié)合淮北礦區(qū)實(shí)際情況，優(yōu)選出穿層及順層鉆孔抽采半徑最佳測(cè)試方法，即:針對(duì)穿層鉆孔抽采半徑傳統(tǒng)測(cè)試方法中存在的缺陷，制定出以相對(duì)瓦斯壓力為觀測(cè)指標(biāo)，以實(shí)際煤層賦存狀況進(jìn)行三維制圖的圓周布孔法來(lái)測(cè)定穿層鉆孔抽采半徑；采用流量法測(cè)試順層鉆孔瓦斯抽采半徑。④現(xiàn)場(chǎng)對(duì)淮北礦區(qū)三個(gè)典型突出礦井蘆嶺礦、祁南礦和楊柳礦穿（順）層抽采半徑進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)已有測(cè)定方法的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了鉆孔設(shè)計(jì)，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)抽采鉆孔的設(shè)計(jì)及施工。⑤根據(jù)瓦斯流動(dòng)連續(xù)性、瓦斯運(yùn)動(dòng)方程、煤層瓦斯含量方程及瓦斯?fàn)顟B(tài)方程，結(jié)合一維徑向流場(chǎng)瓦斯流動(dòng)初始及邊界條件，采用VB編程，運(yùn)用迭代算法解算瓦斯壓力梯度微分方程，得出瓦斯抽采影響半徑及有效半徑。對(duì)比程序解算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，吻合度較高，并對(duì)解算程序進(jìn)行了修正與完善，最終開(kāi)發(fā)出適用與淮北礦區(qū)瓦斯抽采半徑解算的應(yīng)用程序。通過(guò)以上的研究工作，能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)定與解算淮北礦區(qū)瓦斯抽采鉆孔的抽采半徑，可避免鉆孔設(shè)計(jì)及施工的盲目性，提高瓦斯抽采效果及鉆孔施工進(jìn)度。對(duì)預(yù)抽煤層瓦斯防治突出具有十分重要的意義。2鉆孔周?chē)后w中瓦斯流動(dòng)理論及影響因素2.1瓦斯在煤層中的流動(dòng)狀態(tài)瓦斯在煤層中的流動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的運(yùn)移過(guò)程，主要取決于煤層介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)和瓦斯在煤層中的賦存狀態(tài)。煤是一種多孔的微裂隙發(fā)育的介質(zhì)，微裂隙間含有孔隙和大部份與微裂隙相連的毛細(xì)管通路，而孔隙和毛細(xì)管通路的數(shù)目是變化的，它們之間或多或少互有聯(lián)系，其直徑由幾u(yù)m，變化到幾mm不等。瓦斯在煤層中主要是以吸附和游離狀態(tài)賦存在煤體中，其中呈游離狀態(tài)壓縮在微裂隙和大孔隙中的較少，大部份為吸附在煤體中。根據(jù)煤體中的孔隙分布和煤層中的裂隙系統(tǒng)可知：瓦斯在煤層中的流動(dòng)主要是層流滲透運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其中前者基本上服從Darcy滲透定律，且主要發(fā)生在煤體大孔和微裂隙中，后者則基本上服從Fick擴(kuò)散定律，且主要發(fā)生在煤體微孔隙之中。因此，瓦斯在煤體中的運(yùn)動(dòng)可以認(rèn)為是一個(gè)擴(kuò)散滲透的過(guò)程。瓦斯抽排過(guò)程中，鉆孔周?chē)后w中瓦斯壓力分布不均勻，在煤層中就會(huì)形成一定的瓦斯流動(dòng)范圍，這一范圍通常被稱(chēng)為流場(chǎng)。瓦斯流場(chǎng)按空間流向可以劃分為三種形式：即球向流動(dòng)、單向和徑向流動(dòng)。瓦斯在煤層由高瓦斯區(qū)域向低瓦斯區(qū)域運(yùn)移，流向、流速和瓦斯壓力梯度及瓦斯?jié)舛榷紝儆谕咚沟牧鲃?dòng)狀態(tài)。（1）單向流動(dòng)在三維空間內(nèi)，只存在一個(gè)方向的流速，其余2個(gè)方向流速均為0。在礦井掘進(jìn)過(guò)程中如沿煤層開(kāi)掘巷道，平巷全部開(kāi)切煤層，且巷道高度大于煤層厚度，則巷道兩翼的瓦斯流動(dòng)都沿著垂直于巷道的開(kāi)掘方向，形成相互平行、且方向相同的流場(chǎng)，如圖2-1（a）所示稱(chēng)為瓦斯單向流動(dòng)。a.單向流b.徑向流圖2-1瓦斯流動(dòng)示意圖（1.流向、2.等壓線、3.巷道）（2）徑向流動(dòng)在三維空間的2個(gè)方向存在分速度，另一個(gè)方向的分速度為0。比如礦井中的豎井、石門(mén)、及鉆孔垂直穿透煤層時(shí)，煤壁內(nèi)的瓦斯流動(dòng)都屬于徑向流動(dòng)，形成的流場(chǎng)為徑向流場(chǎng)。如圖2-1（b）所示為瓦斯徑向流動(dòng)。一般情況下，其等壓力線與煤壁平行且呈近似同心圓形。（3）球向流場(chǎng)在三維空間內(nèi)3個(gè)方向都存在分速度，例如在厚煤層礦井中，掘進(jìn)煤巷的工作面煤壁內(nèi)，石門(mén)或鉆孔即將進(jìn)入煤層時(shí)從中涌出的瓦斯流動(dòng)基本上都屬于球向流動(dòng)。球向流動(dòng)的特點(diǎn)在于：在煤體中形成類(lèi)似同心球狀的瓦斯壓力等值線，流線則一般呈放射網(wǎng)狀。2.2抽排鉆孔瓦斯徑向流動(dòng)模型當(dāng)鉆孔垂直貫穿煤層時(shí)，煤層中將會(huì)形成同心圓狀的瓦斯壓力等值線，瓦斯將向鉆孔流動(dòng)，符合徑向流理論。一般情況下，徑向流動(dòng)屬于平面流動(dòng)，其特征是在三維空間中有二向流動(dòng)。由于煤層本身介質(zhì)性質(zhì)的變化不均，以及受礦井周?chē)鷹l件的影響，瓦斯在煤層中的流動(dòng)也存在均質(zhì)與非均質(zhì)、穩(wěn)定與非穩(wěn)定的徑向流。但從宏觀上看，在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)，除斷層、褶皺、煤層變厚變薄等地質(zhì)構(gòu)造帶外，可以看作是均質(zhì)的：煤層內(nèi)的原始瓦斯壓力在一定的區(qū)域內(nèi)也可以看作是均勻的。因此，為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，按下列假設(shè)來(lái)建立抽排鉆孔瓦斯徑向流動(dòng)模型。（1）煤層頂?shù)装逋笟庑员让簩右〉枚?，因此，可以將煤層頂?shù)装逡暈椴煌笟鈳r層；（2）煤層各向同性，透氣系數(shù)及孔隙率不受煤層中瓦斯壓力變化的影響，但在巷道及鉆孔周?chē)男秹悍秶鷥?nèi)增大；（3）瓦斯可視為理想氣體，瓦斯?jié)B流過(guò)程按等溫過(guò)程來(lái)處理；（4）吸附瓦斯符合朗格繆爾方程，煤層中瓦斯解析在瞬間完成；（5）瓦斯為理想氣體，瓦斯在煤層中流動(dòng)為層流滲透，且服從達(dá)西定律。根據(jù)以上假設(shè)，徑向流場(chǎng)的瓦斯在煤層中流動(dòng)的微分方程以遵循流體在多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律為基礎(chǔ)。根據(jù)多孔介質(zhì)動(dòng)力學(xué)、煤層瓦斯吸附理論可以推出如下方程：（2-1）上式分別是：瓦斯流動(dòng)連續(xù)性方程、瓦斯運(yùn)動(dòng)方程、煤層瓦斯含量方程和瓦斯?fàn)顟B(tài)方程。式中：——瓦斯質(zhì)量轉(zhuǎn)移矢的散度；——瓦斯壓力時(shí)的瓦斯密度；——瓦斯壓力時(shí)的瓦斯密度；——煤層瓦斯壓力Pa；——1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；——煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)速度矢；——瓦斯源的質(zhì)量強(qiáng)度；t——時(shí)間變量，s；——瓦斯壓力梯度；——煤的滲透率；——瓦斯的絕對(duì)粘度；——煤體吸附瓦斯的最大值，；——煤體吸附瓦斯的常數(shù)，；——單位體積煤所含的游離瓦斯量，，（或者為煤體的孔隙率）；——煤質(zhì)參數(shù)，c=1——；——煤的灰份；——煤的水份。結(jié)合一維徑向流場(chǎng)瓦斯流動(dòng)的初值條件和邊界條件，當(dāng)t=0時(shí)，煤層瓦斯壓力等于原始瓦斯壓力；當(dāng)r=，即抽采鉆孔孔徑處的瓦斯壓力等于鉆孔抽采壓力。根據(jù)上述2-1式，可得煤層瓦斯流場(chǎng)內(nèi)瓦斯壓力函數(shù)隨時(shí)空變化的控制微分方程：（2-2）（2-3）式中：——煤層原始瓦斯壓力，Pa；——煤層鉆孔的抽采壓力，Pa；——煤層透氣性系數(shù)，；與滲透率的關(guān)系如下式：——徑向流場(chǎng)的半徑變量，m；——抽采鉆孔半徑，m；R——徑向流場(chǎng)的影響半徑，m。式（2-2）中的瓦斯流動(dòng)方程是非線性的二階偏微分方程，求解是極其困難的，可通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值算法求出在給定條件下鉆孔周?chē)咚箟毫﹄S抽采時(shí)間增加的變化，得出近似解，來(lái)研究煤層鉆孔周?chē)耐咚箟毫Ψ植家?guī)律及其在煤層抽排瓦斯中的應(yīng)用。2.3瓦斯抽采效果影響因素瓦斯抽采效果受多種因素影響，分析各影響因素對(duì)瓦斯抽采效果的影響機(jī)制，找出主要影響因素，有針對(duì)性的采取措施，可顯著提高瓦斯抽采效果。瓦斯抽采效果的影響因素主要包括主觀因素和客觀因素兩個(gè)方面，主觀因素主要是指抽采參數(shù)及鉆孔施工封孔質(zhì)量等對(duì)抽采效果的影響因素，主要包括：抽采時(shí)間、抽采負(fù)壓、鉆孔直徑、鉆孔的施工及封孔質(zhì)量等；客觀因素主要是煤層的滲透特性對(duì)抽采效果的影響，主要包括：煤層瓦斯壓力、地應(yīng)力、煤體吸附特性等。以下就各因素對(duì)瓦斯抽采效果的影響機(jī)制進(jìn)行分析。2.3.1抽采時(shí)間隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔抽采總量增加，鉆孔周?chē)后w瓦斯被不斷抽出，抽采影響區(qū)域范圍增大；大量實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究表明，抽采初期，鉆孔瓦斯抽采濃度及流量較大；在抽采后期，抽采量不再增加或呈負(fù)指數(shù)規(guī)律逐漸減小。該規(guī)律表明，隨著抽采時(shí)間的增加，能夠增加瓦斯抽采量，但存在最佳極限抽采時(shí)間，超過(guò)這個(gè)時(shí)間，即使延長(zhǎng)抽采時(shí)間，瓦斯抽采純量增加很少。若延長(zhǎng)抽采時(shí)間可導(dǎo)致延誤工期，造成抽采工程量浪費(fèi)。因此礦井應(yīng)根據(jù)煤層瓦斯賦存情況，結(jié)合抽采半徑測(cè)試結(jié)果，在滿(mǎn)足煤層消突及降低瓦斯涌出量的前提下，綜合確定最佳抽采時(shí)間。既保障抽采效果，同時(shí)降低抽采費(fèi)用。2.3.2抽采負(fù)壓為使煤體瓦斯易于流向鉆孔，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為提高抽采負(fù)壓可相應(yīng)提高煤體中瓦斯流動(dòng)的壓力差，從而達(dá)到提高煤層瓦斯抽采率的目的。但是，從瓦斯在煤層中的運(yùn)移情況來(lái)看，瓦斯能夠在煤體內(nèi)運(yùn)移需要兩個(gè)條件，即壓力差和移動(dòng)通道的存在。前者為瓦斯壓力差，構(gòu)成了瓦斯在煤體中運(yùn)移的動(dòng)力，后者則為煤體中存在的裂隙，構(gòu)成了瓦斯在煤體中運(yùn)移的通道。所以要增大瓦斯在煤體中的流量，一方面應(yīng)加大壓力差，另一方面應(yīng)增大煤層的透氣性，而提高抽采負(fù)壓，對(duì)煤層中瓦斯壓力差的增大是有限的（因?yàn)槠錁O限值只能達(dá)到0.1Mpa，況且提高抽采負(fù)壓對(duì)抽采設(shè)備的要求也有所提高，因而受到一定限制）。相關(guān)研究表明，提高負(fù)壓對(duì)煤體透氣性的提高也不大。因此，提高抽采負(fù)壓對(duì)鉆孔瓦斯涌出量影響不大，撫順院在鶴壁六礦所做的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一觀點(diǎn)，即提高抽采負(fù)壓對(duì)鉆孔瓦斯涌出量影響不大。但在瓦斯抽采過(guò)程中，應(yīng)保障各類(lèi)鉆孔抽采負(fù)壓符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的要求。2.3.3鉆孔直徑鉆孔直徑對(duì)瓦斯抽采效果的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是增大鉆孔直徑相應(yīng)增大了與煤體的接觸面積；二是增大鉆孔直徑導(dǎo)致鉆孔周?chē)后w的卸壓圈增大，因而對(duì)瓦斯抽采產(chǎn)生一定的影響，如圖2-2所示。但是，這都是有限的。相關(guān)理論研究表明，在鉆孔抽采前期，孔徑大的鉆孔抽采瓦斯流量大；而鉆孔抽采后期，孔徑的大小對(duì)瓦斯抽采量影響不大，即可認(rèn)為，在一定孔徑范圍內(nèi)的鉆孔，經(jīng)過(guò)一定抽排時(shí)間后，不同孔徑大小鉆孔抽采的瓦斯量基本是相同的。因此，對(duì)于短期內(nèi)需要加快抽排瓦斯的煤層，可適當(dāng)加大鉆孔直徑以加快煤層中瓦斯的釋放；反之對(duì)于長(zhǎng)期抽采的煤層（如預(yù)抽煤層瓦斯），由于孔徑大小對(duì)瓦斯抽采量的影響不大，為了減少工程量，節(jié)省費(fèi)用和便于封孔，可采用孔徑較小的鉆孔進(jìn)行抽采。撫順院進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)抽試驗(yàn)研究表明，直徑為300mm的鉆孔與直徑為75mm的鉆孔相比較，在抽采期內(nèi)，大直徑鉆孔的瓦斯涌出量高于小直徑鉆孔的瓦斯涌出量；抽采時(shí)間相同時(shí)，鉆孔直徑越大，抽采率越高，但抽采率的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)比直徑的增長(zhǎng)幅度小，相反，施工難度卻增加。一般情況下，結(jié)合我國(guó)的鉆進(jìn)技術(shù)及淮北礦區(qū)煤層瓦斯賦存情況，孔徑在105~155mm之間較為理想。2.3.4鉆孔施工及封孔質(zhì)量對(duì)于順層鉆孔，由于在全煤中施工，很容易造成塌孔、堵孔，因此鉆孔施工情況的好壞直接影響到瓦斯抽采結(jié)果。順層鉆孔應(yīng)保證鉆孔始終在煤層中，若鉆孔施工質(zhì)量不佳，施工過(guò)程中對(duì)鉆孔方位和傾角控制不準(zhǔn)，由于鉆孔長(zhǎng)度大，鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，會(huì)發(fā)生偏移，鉆孔容易進(jìn)入煤層頂?shù)装?，從而減少鉆孔有效抽采長(zhǎng)度，降低抽采效果。封孔質(zhì)量的好壞，直接決定著鉆孔抽采負(fù)壓，及抽采流量和濃度。若鉆孔的封孔質(zhì)量不佳，則孔內(nèi)容易漏風(fēng)，瓦斯抽采濃度降低，抽采純量減少。因此，在保證抽采泵站的負(fù)壓穩(wěn)定不變的情況下，盡可能地減少開(kāi)孔位置處漏風(fēng)量，提高鉆孔的封孔質(zhì)量，增加單孔抽采瓦斯量。2.3.5煤體滲透特性煤層滲透率主要通過(guò)煤層透氣性系數(shù)表達(dá)，它對(duì)鉆孔抽采半徑及瓦斯抽采量影響較大，是影響瓦斯抽排鉆孔抽排效果最重要的客觀因素之一。往往滲透率大的煤層比滲透率小的煤層瓦斯壓力及瓦斯流量隨抽采時(shí)間降低得快?！兜V井瓦斯抽放規(guī)范AQ1027》中以煤層透氣性系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)煤層瓦斯抽采難易程度，從目前的技術(shù)條件來(lái)看，只有透氣性好的煤層，其抽采效果才好，而提高煤層瓦斯抽采率的一個(gè)最主要的方面就是如何提高煤層的透氣性。實(shí)驗(yàn)表明：煤體透氣性變化的主要影響因素有地應(yīng)力、瓦斯壓力。2.3.6地應(yīng)力瓦斯抽采鉆孔施工過(guò)程中，鉆孔周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)便會(huì)重新分布，煤體向孔洞方向發(fā)生流變、膨脹變形，造成煤體塑性破壞，彈性能得以釋放。鉆孔周?chē)后w經(jīng)歷了原始應(yīng)力、集中應(yīng)力、峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力四個(gè)過(guò)程。鉆孔未施工至煤層時(shí)，煤體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，隨著孔洞逐漸形成，孔洞煤體支承壓力轉(zhuǎn)移至鄰近煤體上，造成鄰近區(qū)域煤體出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著孔洞影響范圍的逐步擴(kuò)大，鄰近單元體集中應(yīng)力高于煤體強(qiáng)度后，煤體發(fā)生塑性破壞，不能繼續(xù)承載較大的應(yīng)力，集中應(yīng)力峰值向深部煤體轉(zhuǎn)移，煤體承受的應(yīng)力逐漸減小，最終低于原巖應(yīng)力，使煤體卸壓。鉆孔孔徑的大小對(duì)煤體應(yīng)力及塑性區(qū)半徑影響較大。圖2-2是基于拉格朗日快速有限差分程序（FLAC3D）進(jìn)行數(shù)值模擬得出的不同孔徑下鉆孔周?chē)后w應(yīng)力及塑性區(qū)分布云圖。0.2m孔徑應(yīng)力0.2m孔徑塑性區(qū)0.4m孔徑應(yīng)力0.4m孔徑塑性區(qū)0.6m孔徑應(yīng)力0.6m孔徑塑性區(qū)圖2-2不同孔徑下煤體應(yīng)力分布云圖及塑性區(qū)范圍數(shù)值模擬結(jié)果可知，低于原始應(yīng)力區(qū)域的邊界至鉆孔中心的徑向位移表示鉆孔卸壓影響范圍，鉆孔周?chē)鷳?yīng)力集中位置隨孔徑增大而遠(yuǎn)離鉆孔。鉆孔孔徑增加，應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離鉆孔中心，鉆孔卸壓范圍增加。鉆孔施工使鉆孔周?chē)后w卸壓，鉆孔周?chē)后w裂隙擴(kuò)展，同時(shí)產(chǎn)生次生裂隙，裂隙相互貫通，提供了瓦斯運(yùn)移通道，大量吸附瓦斯解吸為游離瓦斯并沿裂隙通道向鉆孔運(yùn)移，可顯著增加鉆孔抽采效果。以上為鉆孔施工過(guò)程中鉆孔周?chē)后w的應(yīng)力變化規(guī)律，但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解應(yīng)力變化過(guò)程中鉆孔煤體透氣性的變化過(guò)程是十分困難的，目前一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)了解這一變化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)瓦斯壓力不變時(shí)，隨著圍壓（模擬地應(yīng)力）的增加，滲透率開(kāi)始下降很快；但是，當(dāng)圍壓增至6~7Mpa，滲透率下降非常緩慢。當(dāng)圍壓大于10Mpa時(shí)，煤樣滲透氣體量非常小，說(shuō)明煤體滲透率對(duì)地應(yīng)力十分敏感，即地應(yīng)力對(duì)煤層的滲透率有著重要的影響。因此，為提高現(xiàn)場(chǎng)煤層滲透率，提高瓦斯抽采效果，采用煤層卸壓是一項(xiàng)重要措施，這也是現(xiàn)行大多數(shù)防治煤與瓦斯突出措施，如預(yù)抽煤層瓦斯、開(kāi)采保護(hù)層和水力沖孔等措施中，為提高煤層瓦斯抽采率而廣泛采用的方法。2.3.7瓦斯壓力瓦斯壓力對(duì)井下瓦斯在煤層中的運(yùn)移起著動(dòng)力源的作用，即在煤體中，只有具備一定壓力差的瓦斯才能在煤層中流動(dòng)。采用地應(yīng)力不變情況下模擬井下煤層中瓦斯壓力的變化對(duì)煤體滲透率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在圍壓不變時(shí)，隨著瓦斯壓力的升高，開(kāi)始時(shí)，煤樣吸附氣體量增多，克林伯格效應(yīng)（氣體分子在固體表面上的滑流現(xiàn)象）逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致煤樣滲透率的降低；當(dāng)瓦斯壓力超過(guò)一定值時(shí)，由于煤樣對(duì)氣體的吸附隨瓦斯壓力升高而逐漸達(dá)到平衡，克氏效應(yīng)相對(duì)于較大的瓦斯壓力消弱了，因而滲透率又有所回升，最終瓦斯壓力P與煤樣滲透率K間的關(guān)系呈“V”形。實(shí)驗(yàn)表明：克氏效應(yīng)只發(fā)生在瓦斯壓力小于1MPa范圍內(nèi)，因此認(rèn)為，煤層瓦斯壓力低不利于瓦斯抽采的原因，不僅和瓦斯壓力低造成抽采范圍內(nèi)形成的壓力差小有關(guān)，而且還和瓦斯壓力低，克氏效應(yīng)顯著，從而造成煤層透氣性低有關(guān)。因此在預(yù)抽煤層瓦斯中，若原始煤層瓦斯壓力小于1MPa，則可能對(duì)煤層瓦斯抽采不利，抽采效果可能不好。2.3.8煤體吸附特性煤體對(duì)瓦斯的吸附對(duì)煤的滲透性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明：對(duì)于同一煤樣，在相同的條件下，煤吸附氣體所呈現(xiàn)的吸附性越強(qiáng)，煤樣滲透率越低；而且隨著孔隙壓力的增大，這種關(guān)系越加明顯。主要是因?yàn)槊旱臐B透率同煤的孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙有關(guān)，且只和中孔、大孔以及裂隙有關(guān)。由于煤吸附氣體后會(huì)發(fā)生膨脹變形，且吸附氣體時(shí)的吸附性越強(qiáng)變形量越大，因此，當(dāng)抽采鉆孔周?chē)后w的圍壓保持一定無(wú)法沿徑向產(chǎn)生變形時(shí)，微孔隙或微裂隙在吸附氣體后所產(chǎn)生的變形必然向內(nèi)，從而影響中孔和大孔及裂隙的容積，使?jié)B透容積減?。涣硗?，從煤體骨架所受的力來(lái)看，由于煤樣所受的圍壓力等于骨架力、吸附應(yīng)力、氣體壓力之和，因而在圍壓力和氣體壓力保持不變的情況下，吸附應(yīng)力越大，則骨架所承受應(yīng)力就越小，因而在同樣力的作用下其變形值就越大。煤吸附氣體時(shí)，氣體分子會(huì)占據(jù)孔道面積，從而使構(gòu)成滲透的孔截面減小，因而煤的滲透率就降低。滲透率低，往往能保持高的瓦斯壓力，而高瓦斯壓力低滲透率，會(huì)使瓦斯壓力梯度增大，這是突出的直接原因之一。3抽采鉆孔瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬分析本章運(yùn)用流體力學(xué)軟件FLUENT建立數(shù)值模型，模擬抽采鉆孔周?chē)后w中瓦斯壓力分布，研究抽采過(guò)程中煤體瓦斯?jié)B流規(guī)律。通過(guò)改變模型參數(shù)及邊界條件模擬抽采時(shí)間、煤層滲透率、抽采負(fù)壓、瓦斯壓力及鉆孔直徑等因素對(duì)抽采鉆孔周?chē)后w瓦斯壓力分布的影響規(guī)律，得出抽采鉆孔瓦斯?jié)B流規(guī)律及影響因素，為抽采半徑測(cè)定提供理論指導(dǎo)。3.1數(shù)值模型建立3.1.1數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介Fluent是目前國(guó)際上較領(lǐng)先的CFD軟件之一，在流體建模中有廣泛的應(yīng)用。用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而達(dá)到了最佳的收斂速度和求解精度。Fluent軟件有如下特點(diǎn)：（1）慣性或非慣性坐標(biāo)系、復(fù)數(shù)基準(zhǔn)坐標(biāo)系、滑移網(wǎng)格以及動(dòng)靜翼相互作用模型化后的接續(xù)界面在Fluent中可以很方便地找到并設(shè)置。（2）Fluent內(nèi)部集存大量的物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，里面提供了多種材料屬性參數(shù)，此外用戶(hù)可以非常便捷地指定自己的材料。（3）高效并行計(jì)算能力，提供相關(guān)自動(dòng)/手動(dòng)分區(qū)算法；內(nèi)設(shè)MPI并行機(jī)制，大幅提高了并行運(yùn)算速度。此外，F(xiàn)luent的動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡功能，確保全局高效并行計(jì)算。（4）Fluent軟件開(kāi)發(fā)出便捷的圖形窗口面向廣大用戶(hù)，并向用戶(hù)提供了二次開(kāi)發(fā)接口(UDF)。（5）Fluent具有后續(xù)數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，可對(duì)圖形分析處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，而后創(chuàng)建可視化的圖形并且給出相應(yīng)的圖表、曲線分析圖等。Fluent計(jì)算主要步驟有：（1）繪制幾何模型，生成網(wǎng)格；（2）選擇適當(dāng)?shù)那蠼馄?；?）導(dǎo)入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格；（4）選擇計(jì)算模型，確定解的基本模型方程：無(wú)粘流、層流還是湍流、考慮有無(wú)化學(xué)反應(yīng)、考慮傳熱與否、是否使用多孔介質(zhì)模型；（5）確定附加模型，指定材料的物理性質(zhì)；（6）確定邊界條件；（7）調(diào)節(jié)解的控制參數(shù)，計(jì)算求解。圖3-1為Fluent求解計(jì)算的基本程序結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-1基本程序結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2鉆孔瓦斯?jié)B流模型的建立（1）基本假設(shè)模擬方案中需要假設(shè)的條件包括：①煤層各向同性，煤層中的瓦斯壓力變化不影響其透氣性系數(shù)及孔隙率，但在鉆孔周?chē)鷥?nèi)的卸壓范圍內(nèi)增大；②可將瓦斯按理想氣體，瓦斯?jié)B流過(guò)程視為等溫過(guò)程處理；③煤層中瓦斯解析在瞬間完成；④可以將煤層頂?shù)装逡暈椴煌笟鈳r層；⑤瓦斯在煤層中的流動(dòng)符合達(dá)西定律；⑥煤層中的瓦斯含量滿(mǎn)足以下方程：(3-1)式中，是煤的最大瓦斯吸附量，單位；是煤的吸附常數(shù)，單位；是瓦斯壓力，單位；是煤的密度，單位；φ是煤的孔隙體積，單位；是煤的灰分，單位；是煤的水分，單位。（2）幾何模型的建立根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立了順層抽采鉆孔的二維模型，包括水平與豎直走向的切面模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，水平走向的橫切面模型其中煤儲(chǔ)層沿鉆口方向距離設(shè)置為120m，煤儲(chǔ)層寬50m，鉆孔長(zhǎng)60m，鉆孔在煤層中間位置，封孔深度為10m，共劃分了14410個(gè)網(wǎng)格，其中對(duì)鉆孔加密部分5140個(gè)網(wǎng)格。煤壁切面的數(shù)值模型的大小為20×3（長(zhǎng)×寬），鉆孔孔徑分別設(shè)置為75mm、95mm、110mm，共劃分了2796個(gè)網(wǎng)格，其中對(duì)鉆孔加密部分為876個(gè)網(wǎng)格。通過(guò)模型建立與網(wǎng)格劃分后的二維模型圖，如3-2所示。整個(gè)模型區(qū)域采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于鉆孔周?chē)鷫毫μ荻缺容^大，對(duì)此處網(wǎng)格進(jìn)行了加密。圖3-2數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分圖3.2模擬參數(shù)設(shè)置3.2.1模型基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，將煤層設(shè)置為多孔介質(zhì)滲流邊界，模型應(yīng)用于層流條件下的計(jì)算，瓦斯在煤層中的滲流模型選擇多孔介質(zhì)，分組進(jìn)行五種不同條件下的模擬實(shí)驗(yàn)，條件參數(shù)設(shè)置如下：抽采時(shí)間分別為（2d、4d、10d、20d、50d）鉆孔抽采負(fù)壓分別為（-8KPa、-15KPa、-30KPa）煤層滲透率分別為（、、單位：m2）鉆孔直徑分別為（75mm、95mm、110mm）煤層原始瓦斯壓力分別為（2MPa、2.5MPa、3MPa）3.2.2模型邊界設(shè)置將上面得到的網(wǎng)格模型（圖3-2）導(dǎo)出，采用FLUENT進(jìn)行解算。假設(shè)氣體為理想氣體，加入能量方程；由于煤層中瓦斯流速很小，設(shè)為層流；氣體流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)的模型，煤體采用多孔介質(zhì)模型；由于抽采與時(shí)間有關(guān)，流體設(shè)為非穩(wěn)態(tài)流；通過(guò)不同抽采時(shí)間、改變煤層抽采負(fù)壓、滲透率、鉆孔直徑等參數(shù)，來(lái)模擬不同參數(shù)下流場(chǎng)抽采規(guī)律，在對(duì)進(jìn)口邊界進(jìn)行初始化后，進(jìn)行數(shù)值解算。3.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析3.3.1抽采時(shí)間的影響圖3-3～3-7是在煤層滲透率為2.22×10-17m2，鉆孔直徑75mm，瓦斯壓力2MPa及抽采負(fù)壓-8KPa情況下，不同抽采時(shí)間（2d、4d、10d、20d、50d）階段煤層壓力分布。圖3-3抽采時(shí)間為2d時(shí)的瓦斯壓力分布圖3-4抽采時(shí)間為4d時(shí)的瓦斯壓力分布圖3-5抽采時(shí)間為10d時(shí)的瓦斯壓力分布圖3-6抽采時(shí)間為20d時(shí)的瓦斯壓力分布圖3-7抽采時(shí)間為50d時(shí)的瓦斯壓力分布鉆孔抽采瓦斯時(shí)，煤體中的某點(diǎn)瓦斯壓力與抽采負(fù)壓的壓差超過(guò)滲流啟動(dòng)壓力時(shí)，瓦斯開(kāi)始向鉆孔流動(dòng)，吸附瓦斯解吸為游離瓦斯補(bǔ)充流走的瓦斯，同時(shí)更遠(yuǎn)處的瓦斯也緩慢的向該點(diǎn)擴(kuò)散。從鉆孔邊緣至煤體瓦斯壓力梯度為0處，就是鉆孔抽采瓦斯的影響范圍。影響范圍額定大小主要由煤體透氣性決定，隨抽采時(shí)間的延長(zhǎng)向外延伸，并存在一個(gè)極限影響范圍。影響范圍內(nèi)達(dá)到消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的區(qū)域認(rèn)為有效，由此可確定有效抽采半徑。相關(guān)規(guī)定對(duì)消突指標(biāo)的確定不一致，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》認(rèn)為殘余瓦斯壓力小于0.74Mpa或殘余瓦斯含量小于8m3/t為突出危險(xiǎn)區(qū)?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定以預(yù)抽率大于30%為指標(biāo)。本次數(shù)值模擬選擇抽采率大于30%為評(píng)價(jià)指標(biāo)，煤層瓦斯壓力下降30%的等壓線位置距離鉆孔中心線的距離即為鉆孔瓦斯抽采半徑。從圖3-3、3-4、3-5、3-6、3-7可以看出，隨著抽采時(shí)間的增加，抽采影響區(qū)域逐漸增加。鉆孔附近的瓦斯壓力衰減范圍逐漸向鉆孔兩幫，煤層深部延伸；沿y軸方向瓦斯壓力則沿垂直煤壁向煤層深部呈逐漸衰減趨勢(shì)。圖3-8抽采2d時(shí)鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線圖3-9抽采10d時(shí)鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線圖3-10抽采50d時(shí)鉆孔徑向壓力分布曲線圖3-8至3-10是不同抽采時(shí)間下（2d、10d、50d），不同孔深（橫坐標(biāo)分別為x=30m、x=60m、x=80m）處鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線。由圖可知，隨著抽采時(shí)間延長(zhǎng)，鉆孔深部（x=80m）附近煤層瓦斯壓力基本無(wú)變化；x=60m與x=30m處鉆孔徑向壓力變化規(guī)律一致，都呈衰減趨勢(shì)，且50d時(shí)的抽采影響范圍明顯大于抽采2d與10d的范圍。圖3-10可知，當(dāng)抽采50d后有效抽采半徑為3.8m，抽采影響半徑為19m。圖3-8是煤層滲透率為2.22×10-17m2，抽采負(fù)壓-8KPa條件下，抽采2d時(shí)，沿y軸方向分別為x=30m、x=60m、x=80m處鉆孔瓦斯壓力分布狀況，從圖中可以明顯看出，在x=80處，由于不在鉆孔的抽采卸壓范圍之內(nèi)，瓦斯壓力值等于煤層原始瓦斯壓力。x=60處（即鉆孔末端位置），瓦斯壓力最低衰減至1.77MPa，相比原始煤層瓦斯壓力衰減了11.5%。x=30m處（距離鉆孔末端30m位置），瓦斯壓力變化最大，最低衰減至1.55MPa，在原基礎(chǔ)上衰減了22.5%。由此可知，鉆孔周?chē)咚顾p規(guī)律為：隨著抽采時(shí)間的增加，沿鉆孔徑向向鉆孔兩幫深部延伸，且越靠近鉆孔，瓦斯壓力衰減越快，沿煤巷（鉆口兩側(cè)煤幫），受鉆孔瓦斯徑向滲流作用、鉆孔抽采時(shí)間影響，向煤儲(chǔ)層深部延伸，且越靠近鉆孔衰減區(qū)域逐漸擴(kuò)大，衰減速度越快。圖3-11抽采4d時(shí)鉆孔徑向瓦斯壓力分布曲線圖3-11是煤層滲透率為2.22×10-17m2，抽采負(fù)壓-8KPa條件下，抽采4d時(shí)，沿x方向分別為y=27m、y=30m、y=35m處（即距鉆孔中線線徑向距離分別為2m、5m、10m）瓦斯壓力分布狀況。分析圖可知，徑向距離2m處瓦斯壓力最早出現(xiàn)下降，其次是y=30m與y=35m區(qū)域，且y=27m區(qū)域瓦斯壓力下降幅度大于y=30m、y=35m處區(qū)域。這也符合了鉆孔周?chē)咚節(jié)B流的基本規(guī)律，即在鉆孔周?chē)秹簠^(qū)內(nèi)，由于鉆孔施工，使煤層地應(yīng)力卸載，煤層透氣性升高，促使瓦斯流動(dòng)的趨勢(shì)加強(qiáng)，但孔周?chē)咚沟牧鲃?dòng)并不受卸壓半徑的限制，當(dāng)瓦斯流場(chǎng)到達(dá)卸壓區(qū)邊界時(shí)會(huì)向卸壓區(qū)外擴(kuò)展，只是在卸壓區(qū)外的流動(dòng)趨勢(shì)和流場(chǎng)的擴(kuò)展速度大為減弱，減弱的程度與原始煤層瓦斯參數(shù)有關(guān)。3.3.2抽采負(fù)壓的影響構(gòu)建了三種抽采負(fù)壓下（-8KPa、-15KPa、-30KPa），鉆孔周?chē)后w瓦斯?jié)B流模型，得出不同抽采負(fù)壓下鉆孔周?chē)后w瓦斯壓力分布見(jiàn)圖3-12~3-14。圖3-12負(fù)壓為-8KPa抽采50d時(shí)的瓦斯壓力分布圖3-13負(fù)壓為-15KP抽采50d時(shí)的瓦斯壓力分布圖3-14負(fù)壓為-30KPa抽采50d時(shí)的瓦斯壓力分布圖3-15是煤層滲透率為2.22×10-17m2時(shí)，不同抽采負(fù)壓下鉆孔抽采量隨抽采時(shí)間變化規(guī)律，可以看出，鉆孔瓦斯抽采量隨抽采時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，且抽采負(fù)壓越大，瓦斯抽出量越大，但抽采流量增幅不高。受管路及鉆孔密封性的影響，且對(duì)抽采設(shè)備的要求也有所提高，因而現(xiàn)場(chǎng)提高抽采負(fù)壓會(huì)受到一定限制，想把抽采負(fù)壓提高很多是比較困難的。因此應(yīng)根據(jù)抽采情況選擇合理的抽采負(fù)壓，根據(jù)模擬結(jié)果及相關(guān)規(guī)定，鉆孔的抽采負(fù)壓應(yīng)保持在-15~30kPa。圖3-15抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采量的影響3.3.3煤層滲透率的影響根據(jù)煤層滲透率與垂向應(yīng)力（埋深）關(guān)系可知，主煤儲(chǔ)層滲透率具有隨埋深加大呈指數(shù)減小、隨煤儲(chǔ)層壓力增大而減小的趨勢(shì)。滲透率在相似埋深條件下的變化可高達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，本次模擬對(duì)煤層滲透率的影響研究根據(jù)礦井實(shí)際情況選擇在10-15~10-19數(shù)量級(jí)之間。構(gòu)建了三種煤層滲透率條件下，抽采鉆孔周?chē)后w瓦斯?jié)B流模型，鉆孔周?chē)后w瓦斯壓力分布見(jiàn)圖3-16~3-18。圖3-16煤層滲透率為2.22×10-15m2時(shí)瓦斯壓力分布圖3-17煤層滲透率為2.22×10-17m2時(shí)瓦斯壓力分布圖3-18煤層滲透率為2.22×10-19m2時(shí)瓦斯壓力分布圖3-19抽采10d鉆孔深度30m處不同滲透率條件下鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線圖3-19是抽采10天時(shí)在不同滲透率條件下鉆孔深度30m處煤層瓦斯壓力分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)煤層滲透率為2.22×10-15m2時(shí)，鉆孔周?chē)咚箟毫ο陆堤荻缺容^明顯，影響瓦斯壓力下降的區(qū)域較大；當(dāng)煤層滲透率為2.22×10-17m2時(shí)，煤層滲透率較小，負(fù)壓帶集中在鉆孔附近，因此，鉆孔附近瓦斯壓力下降幅度最大。由數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，當(dāng)抽采率大于30%時(shí)，抽采10d時(shí)的抽采影響半徑在20m以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤層滲透率分別為2.22×10-17與2.22×10-19時(shí)的抽采影響半徑。由此可以得到，原始煤層滲透率越大，瓦斯抽采半徑越大，抽采效果越好。3.3.4鉆孔孔徑的影響根據(jù)2.3.3節(jié)的理論分析可知，鉆孔直徑對(duì)瓦斯抽采效果的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是增大鉆孔直徑相應(yīng)增大了與煤體的接觸面積；二是增大鉆孔直徑導(dǎo)致鉆孔周?chē)后w的卸壓圈增大，因而對(duì)瓦斯抽采產(chǎn)生一定的影響，但影響是有限的。本節(jié)構(gòu)建了三種孔徑條件下（孔徑分別為75mm、95mm、110mm），抽采鉆孔周?chē)后w瓦斯?jié)B流模型，鉆孔周?chē)后w瓦斯壓力分布見(jiàn)圖3-20~3-22。圖3-20鉆孔孔徑75mm抽采10d的瓦斯壓力分布圖3-21鉆孔孔徑95mm抽采10d的瓦斯壓力分布圖3-22鉆孔孔徑110mm抽采10d的瓦斯壓力分布由圖3-20~3-22及圖2-2分析可知，鉆孔孔徑對(duì)鉆孔瓦斯抽采半徑有影響，當(dāng)抽采時(shí)間一定時(shí)，孔徑越大的，鉆孔周?chē)后w卸壓越明顯，瓦斯抽采量相對(duì)提高，鉆孔周?chē)后w瓦斯壓力下降加快，但瓦斯壓力下降幅度遠(yuǎn)小于鉆孔孔徑增加幅度。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，鉆孔孔徑也不是越大越好，因受施工難度及封孔質(zhì)量影響，過(guò)度增加孔徑會(huì)影響瓦斯抽采效果?；幢钡V區(qū)多年抽采經(jīng)驗(yàn)表明，選用75mm~110mm的鉆孔孔徑較為合適。4瓦斯抽排半徑測(cè)定方法有效抽排半徑測(cè)定方法主要分為理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定兩類(lèi)。因不同礦區(qū)煤層、地質(zhì)、瓦斯及抽采工藝各異，鉆孔瓦斯抽排半徑不同，理論計(jì)算往往需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定諸多煤層及瓦斯參數(shù)，受參數(shù)測(cè)試準(zhǔn)確性影響造成計(jì)算結(jié)果偏差較大，無(wú)法指導(dǎo)鉆孔設(shè)計(jì)。而現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定鉆孔瓦斯抽排半徑，測(cè)試結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可直接指導(dǎo)鉆孔設(shè)計(jì)。因此，本章主要介紹本次穿層、順層鉆孔抽采半徑和煤巷掘進(jìn)工作面淺孔排放半徑的測(cè)試方法，即：針對(duì)傳統(tǒng)方法測(cè)試穿層抽采半徑存在的缺陷，制定出以相對(duì)瓦斯壓力為觀測(cè)指標(biāo)，以實(shí)際煤層賦存狀況進(jìn)行三維制圖的圓周布孔法來(lái)測(cè)定穿層鉆孔抽采半徑；采用流量法測(cè)試順層鉆孔瓦斯抽采半徑及煤巷掘進(jìn)工作面淺孔瓦斯排放半徑。4.1穿層鉆孔抽采半徑測(cè)試方法采用鉆孔測(cè)試法測(cè)定穿層鉆孔抽采半徑主要有兩種，都是采用相對(duì)瓦斯壓力作為觀測(cè)指標(biāo)，按布孔方式不同分為平行鉆孔布置法和終孔圓周布置法。4.1.1平行鉆孔布置法鉆孔平行布置法具體實(shí)施步驟如下：①選擇合適的地點(diǎn)（在巖石巷道中，煤層為原始狀態(tài)，煤層頂?shù)装逋暾┫蛎簩邮┕ひ慌艤y(cè)壓考察鉆孔，如圖4-l所示；②測(cè)壓鉆孔施工完畢后，立即封孔測(cè)定該地點(diǎn)煤層原始瓦斯壓力；③待各考察孔壓力穩(wěn)定后，在2#考察孔另一側(cè)施工待考察抽采鉆孔，為1號(hào)孔。1號(hào)孔施工完畢后，封孔進(jìn)行抽采。④以負(fù)壓抽采第一天作為觀測(cè)第一天，每天觀察記錄各考察孔的瓦斯壓力值。如果n(n=2、3…n)號(hào)考察孔以及n號(hào)考察孔之前的測(cè)壓考察鉆孔的壓力均小于預(yù)抽瓦斯有效性指標(biāo)（壓力值P），而n號(hào)孔之后的考察孔的壓力大于P，令d=d1+d2+…+dn，則d即為抽采鉆孔的有效抽采半徑。圖4-1穿層測(cè)試鉆孔平行布置示意圖4.1.2終孔圓周布置法終孔圓周布置方式是在鉆孔平行布置方法的基礎(chǔ)上對(duì)鉆孔終孔布置方位作了優(yōu)化，由于平行布置對(duì)打鉆質(zhì)量要求很高，很容易造成測(cè)試結(jié)果偏差，而圓周布置則將打鉆集中在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域進(jìn)行，減輕了人力物力，重點(diǎn)則偏向于鉆孔設(shè)計(jì)，與真實(shí)結(jié)果基本無(wú)偏差，其中具體實(shí)施步驟如下：①選擇合適的地點(diǎn)（最好選擇在底板巖巷中，煤層為原始狀態(tài)，煤層頂?shù)装逋暾┫蛎簩邮┕?shù)個(gè)穿過(guò)煤層全厚的測(cè)壓鉆孔，1#抽采孔到2#、3#、4#…n#觀測(cè)孔的距離依次增加。②測(cè)壓鉆孔施工完畢后，立即封孔測(cè)定該地點(diǎn)煤層原始瓦斯壓力。③待各測(cè)壓孔壓力穩(wěn)定后，在鉆場(chǎng)或巷幫位置施工一穿層抽采鉆孔，作為1號(hào)孔，其終孔位置位于考察鉆孔所在圓的中心。待鉆孔施工完畢后，封孔進(jìn)行抽采。④以開(kāi)始負(fù)壓抽采第一天作為觀測(cè)第一天，每天觀察并記錄各測(cè)壓孔的瓦斯壓力值。如果n(n=2、3…n)號(hào)測(cè)壓孔以及n號(hào)測(cè)壓孔之前的測(cè)壓孔的壓力均小于預(yù)抽瓦斯有效性指標(biāo)（壓力值P），而n號(hào)孔之后的測(cè)壓孔的壓力大于P，n號(hào)孔與1號(hào)孔的煤層終孔點(diǎn)間距即為抽采鉆孔的有效抽采半徑。圖4-2、4-3分別為穿層鉆孔開(kāi)孔和終孔圓周布置三維示意圖與測(cè)試地點(diǎn)巷道與煤層層位三維示意圖。圖4-2穿層鉆孔終孔圓周布置三維示意圖圖4-3穿層鉆孔測(cè)定煤層抽采半徑三維示意圖相對(duì)于平行鉆孔布置法，終孔圓周布置法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①終孔圓周布置法開(kāi)孔位置相對(duì)集中，可在一個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)完成所有考察鉆孔，而平行布孔法，鉆孔需要平行布置，開(kāi)孔位置所占用空間較大；②終孔圓周布置法，鉆孔分別施工至不同方向，考察孔之間相互影響較小，瓦斯壓力穩(wěn)定較快，平行孔受施工條件限制，鉆孔都沿同一方位施工，若有誤差，造成鉆孔見(jiàn)影響較大，孔底間距誤差相對(duì)較大；③終孔圓周布置法是沿鉆孔環(huán)向布孔，較平行徑向布孔減小了煤層各項(xiàng)異性對(duì)瓦斯抽采半徑測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試精度更高；綜合以上分析，課題組選擇終孔圓周布置法測(cè)定淮北礦區(qū)穿層鉆孔瓦斯抽采半徑。4.2順層鉆孔抽采半徑測(cè)試方法4.2.1測(cè)試原理順層鉆孔瓦斯抽采半徑常用測(cè)定方法包括：壓降法、計(jì)算機(jī)模擬法、氣體示蹤法和鉆孔流量法等。由于本煤層瓦斯壓力測(cè)試難度較大，故采用鉆孔流量法測(cè)定順層鉆孔瓦斯抽采半徑。其原理是：自然排放情況下，鉆孔瓦斯流量衰減一般隨時(shí)間呈指數(shù)形式改變，因此鉆孔瓦斯涌出初速度和鉆孔瓦斯?jié)舛榷伎梢宰鳛殂@孔瓦斯抽采半徑測(cè)定的考察指標(biāo)，鉆孔瓦斯涌出初速度q作為一種反映煤的物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力和瓦斯壓力的綜合指標(biāo)，其大小受到煤層瓦斯壓力、應(yīng)力狀態(tài)、煤層滲透率、煤的瓦斯放散特性、煤厚及巷道推進(jìn)速度等條件限制。在實(shí)際操作過(guò)程中可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇其中一種指標(biāo)作為抽采半徑考察標(biāo)準(zhǔn)。瓦斯抽采過(guò)程會(huì)造成影響區(qū)域煤層瓦斯壓力、瓦斯含量下降，在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，各觀測(cè)鉆孔的q值每5天衰減率n達(dá)到或超過(guò)10%連續(xù)4次以上的就認(rèn)定該鉆孔在抽采鉆孔的有效抽采影響范圍內(nèi)。4.2.2測(cè)試方法鉆孔瓦斯抽采半徑流量法測(cè)試步驟如下：①在沒(méi)有進(jìn)行過(guò)抽采作業(yè)的工作面進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷（掘進(jìn)巷道新鮮暴露煤壁處）間隔一定距離依次施工若干個(gè)測(cè)試鉆孔，鉆孔互相平行垂直于煤壁，且均布置在煤層中部；②采用聚氨酯封孔，觀測(cè)孔封孔時(shí)預(yù)先在孔內(nèi)鋪設(shè)4分鐵管，露出孔外的4分鐵管接鋼球閥，鋼球閥再接變接，利用膠管連接流量計(jì)，測(cè)量流量時(shí)打開(kāi)鋼球閥，測(cè)量結(jié)束后關(guān)閉鋼球閥。待封孔材料固定后，測(cè)定并記錄各考察孔流量變化規(guī)律，每天記錄一次，鉆孔布置及連接方式見(jiàn)圖4-4；③測(cè)試若干天后，施工1個(gè)抽采孔布置在靠邊一側(cè)的考察孔一定距離處，將抽采孔與抽采管路并接抽采；④抽采孔實(shí)施抽采后，繼續(xù)測(cè)定觀察孔孔內(nèi)瓦斯?jié)舛?、瓦斯涌出初速度變化，將各觀察孔不同抽采時(shí)間的瓦斯?jié)舛?、瓦斯涌出初速度隨抽采時(shí)間變化繪制成曲線；⑤根據(jù)各考察孔瓦斯流量衰減規(guī)律，分析并確定鉆孔有效抽采半徑。圖4-4流量法測(cè)順層鉆孔抽采半徑方案1鉆孔布置圖采用流量法測(cè)定順層鉆孔抽采半徑方案2測(cè)試示意圖見(jiàn)圖4-5，該方法需將鉆孔布置在煤巷新暴露面，具體測(cè)試步驟如下：=1\*GB3①新煤巷掘進(jìn)巷道中，在切眼位置沿煤層走向施工一個(gè)鉆孔（1號(hào)）作為被考察的抽采鉆孔，鉆孔長(zhǎng)53.2m，直徑75mm，封孔材料選用聚氨酯，定時(shí)觀測(cè)抽采鉆孔瓦斯抽采參數(shù)；②在回風(fēng)巷垂直于1號(hào)抽采孔位置施工幾個(gè)考察鉆孔，間隔逐漸增大，且與1號(hào)孔垂距逐漸增大，垂距在2~6m之間；③采用聚氨酯封孔，觀測(cè)孔封孔時(shí)預(yù)先在孔內(nèi)鋪設(shè)4分鐵管，露出孔外的4分鐵管接鋼球閥，鋼球閥再接變接，利用膠管連接流量計(jì)，測(cè)量流量時(shí)打開(kāi)鋼球閥，測(cè)量結(jié)束后關(guān)閉鋼球閥。待封孔材料固定后，測(cè)定并記錄各考察孔流量及瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，每天記錄一次；④將各考察孔在不同抽采時(shí)間下的瓦斯流量、瓦斯?jié)舛入S抽采時(shí)間變化規(guī)律繪制成曲線，分析處理數(shù)據(jù)，最終得到順層鉆孔瓦斯抽采半徑。圖4-5流量法測(cè)順層鉆孔抽采半徑方案2鉆孔布置圖4.3煤巷掘進(jìn)工作面淺孔排放半徑測(cè)試方法因煤層較厚，煤層瓦斯含量較高，煤巷掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯涌出量較高，常造成瓦斯超限，限制煤巷掘進(jìn)速度，影響礦井安全生產(chǎn)。掘進(jìn)工作面淺孔排放作為局部防突措施，廣泛應(yīng)用于淮北礦區(qū)掘進(jìn)工作面瓦斯治理工作中，為了達(dá)到有效排放瓦斯降低掘進(jìn)工作面瓦斯涌出的目的，需科學(xué)的設(shè)計(jì)施工排放鉆孔，尤其是確定排放鉆孔的施工間距，因此需研究確定淮北礦區(qū)煤巷掘進(jìn)工作面鉆孔排放半徑。本課題采用瓦斯流量法測(cè)定測(cè)定煤巷掘進(jìn)工作面淺孔排放半徑，該方法鉆孔布置見(jiàn)圖4-6。其測(cè)定步驟如下：圖4-6排放鉆孔排放半徑測(cè)定鉆孔布置示意圖①沿工作面軟分層施工3～5個(gè)相互平行的測(cè)量孔，孔徑42mm，孔長(zhǎng)5～7m。間距0.3～0.5m。②對(duì)各測(cè)量孔進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度不得小于2m，測(cè)量室長(zhǎng)度為1m。③鉆孔密封后，立即測(cè)量鉆孔瓦斯流量，并每隔10min測(cè)定一次，每一測(cè)量孔測(cè)定次數(shù)不得少于5次。④在距最近的測(cè)量孔邊緣0.5m處，施工一平行于測(cè)量孔的瓦斯排放鉆孔（見(jiàn)圖4-6，其直徑等于待考察排放鉆孔的直徑），鉆孔施工過(guò)程中記錄孔長(zhǎng)、時(shí)間和各考察鉆孔瓦斯流量的變化。⑤排放鉆孔施工完畢后，每隔l0min測(cè)定一次各考察鉆孔的流量。⑥排放鉆孔施工完成后的2h內(nèi)，測(cè)定并繪制各測(cè)量孔瓦斯流量變化曲線。⑦如果連續(xù)三次測(cè)定流量孔的瓦斯流量都比施工排放鉆孔前增高10％，即表明該測(cè)量孔處于排放鉆孔的有效半徑之內(nèi)。符合本項(xiàng)中的上述測(cè)量孔距排放鉆孔最遠(yuǎn)距離即為排放鉆孔的有效排放半徑。5瓦斯抽排半徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析第四章介紹了瓦斯抽排半徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法。本章根據(jù)各種測(cè)試方法，結(jié)合淮北礦區(qū)瓦斯抽采情況，選擇三個(gè)典型突出礦井（蘆嶺煤礦、祁南煤礦、楊柳煤礦），現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各礦井主采突出煤層穿層鉆孔瓦斯抽采半徑、順層鉆孔瓦斯抽采半徑及煤巷掘進(jìn)工作面淺孔瓦斯排放半徑。通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析，得出各主采煤層有效瓦斯抽排半徑（蘆嶺煤礦8煤穿層鉆孔抽采瓦斯半徑、楊柳煤礦10煤穿層鉆孔瓦斯抽采半徑、祁南煤礦7煤穿層鉆孔瓦斯抽采半徑、祁南煤礦7煤順層鉆孔瓦斯抽采半徑、祁南煤礦7煤掘進(jìn)工作面鉆孔瓦斯排放半徑），為礦井抽采鉆孔設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。5.1蘆嶺礦穿層鉆孔抽采半徑測(cè)定及結(jié)果分析5.1.1測(cè)試地點(diǎn)概況蘆嶺煤礦8煤賦存比較穩(wěn)定，平均厚度8m~9m，為特厚極松軟煤層，傾角6~15度之間，頂?shù)装寰鶠樯百|(zhì)泥巖。715工作面為81采區(qū)左翼第三個(gè)階段，其上部與713工作面相鄰，該面已形成系統(tǒng)，尚未回采；下部以工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱為界；右側(cè)以大巷保護(hù)煤柱為界；左側(cè)以F3斷層保護(hù)煤柱為邊界。工作面標(biāo)高-518~-545，工作面走向長(zhǎng)752m，傾斜長(zhǎng)160m，面積120320m2?？紤]到抽采有效半徑由抽采時(shí)間和抽采負(fù)壓等因素決定，8、9煤層為突出危險(xiǎn)煤層，所以推測(cè)鉆孔的有效抽采范圍較大。根據(jù)蘆嶺煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀，將觀測(cè)鉆孔與抽采鉆孔的終孔間距設(shè)計(jì)為2m、4m、6m、8m，實(shí)際終孔間距根據(jù)鉆孔施工情況進(jìn)行調(diào)整。圖5-1為蘆嶺礦=2\*ROMANII8211底板抽采巷示意圖。圖5-1蘆嶺煤礦=2\*ROMANII8211底板抽采巷示意圖5.1.2鉆孔施工參數(shù)及鉆孔間距的確定在II8211抽采巷9#鉆場(chǎng)巷幫巖壁依次施工2~5號(hào)鉆孔，待所有鉆孔瓦斯壓力穩(wěn)定后施工抽采鉆孔，5個(gè)鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表5-1，鉆孔開(kāi)鉆位置設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖5-2。表5-1鉆孔施工參數(shù)表鉆孔編號(hào)鉆孔施工參數(shù)封孔深度/m傾角/°與巷中夾角/°長(zhǎng)度/m1#+28036282#+18左1038303#+20右839314#+30右633265#+32左103325圖5-2穿層鉆孔開(kāi)鉆位置設(shè)計(jì)斷面示意圖由于施工穿層鉆孔要保證鉆孔在煤層待考察平剖面上呈圓周狀，且符合設(shè)計(jì)要求，鉆孔終孔間距在實(shí)際操作中較難確定，考慮到8煤層平均厚度8~9m，煤層較厚，鉆孔實(shí)際施工結(jié)果與理論設(shè)計(jì)存在一定的差異。因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工參數(shù)經(jīng)反算驗(yàn)證鉆孔終孔間距是否符合考查要求，并得出各考察鉆孔至抽采孔的真實(shí)間距。表5-2為Ⅱ8211-9#鉆場(chǎng)瓦斯抽采半徑考察鉆孔的詳細(xì)施工參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，在見(jiàn)煤點(diǎn)、終孔點(diǎn)及穿煤中點(diǎn)考察鉆孔與抽采鉆孔的距離，能夠滿(mǎn)足考查要求；考慮較大安全系數(shù)，以見(jiàn)煤點(diǎn)處考察鉆孔與抽采鉆孔的距離作為此次考察的終孔間距。表5-2Ⅱ8211-9#鉆場(chǎng)瓦斯抽采半徑考察鉆孔施工參數(shù)孔號(hào)方位角/°傾角/°巖石煤巖石煤頂板累深1#02813.543.5132362#左10181644131383#右82016.54.5313.51.5394#右630123.53.5113335#左103212.53.53.5112.533在II8211抽采巷9#鉆場(chǎng)利用壓降法對(duì)鉆孔進(jìn)行抽采影響半徑測(cè)試，以見(jiàn)煤點(diǎn)處觀測(cè)鉆孔與抽采鉆孔距離作為此次抽采半徑考察的間距，鉆孔在見(jiàn)煤點(diǎn)處終孔間距及位置關(guān)系見(jiàn)圖5-3，見(jiàn)煤點(diǎn)、終孔點(diǎn)及穿煤中點(diǎn)處考察鉆孔與抽采鉆孔的實(shí)際間距見(jiàn)表5-3。圖5-3穿層鉆孔抽采半徑考察8煤見(jiàn)煤點(diǎn)終孔間距及位置關(guān)系示意圖表5-31#鉆孔距各鉆孔（見(jiàn)煤點(diǎn)/終孔點(diǎn)/中點(diǎn)）距離孔號(hào)見(jiàn)煤點(diǎn)/m終孔點(diǎn)/m中點(diǎn)/m4#3.275.394.35#4.356.925.63#5.928.167.012#6.979.738.335.1.3有效抽采半徑確定依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》在第一百九十條中指出：在對(duì)煤層瓦斯實(shí)施預(yù)抽后，必須對(duì)預(yù)抽瓦斯防治突出效果進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)的指標(biāo)之一是煤層瓦斯預(yù)抽率大于30%，即抽采后的瓦斯含量小于抽采前的30%以上。在允許存在工業(yè)應(yīng)用誤差的條件下，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量計(jì)算可以用拋物線關(guān)系表示。預(yù)抽率、殘余瓦斯壓力與殘余瓦斯含量的關(guān)系如式5-1，即:(5-1)式中：表示瓦斯預(yù)抽率，單位；表示殘余瓦斯壓力，單位；表示原始瓦斯壓力，單位；表示殘余瓦斯含量，單位；表示原始瓦斯含量，單位；表示煤層瓦斯含量系數(shù)，單位。如按相對(duì)瓦斯壓力指標(biāo)測(cè)試抽采半徑，具體考察標(biāo)準(zhǔn)為：由于瓦斯在鉆孔負(fù)壓下有規(guī)律地排放，故瓦斯涌出量相應(yīng)為含量的減小量，當(dāng)排放就表示測(cè)壓孔位于鉆孔的抽采影響區(qū)域內(nèi)。瓦斯含量與瓦斯壓力抽采前后下降比例符合拋物線關(guān)系，如果煤層預(yù)抽率為30%，即殘余瓦斯含量為原始瓦斯含量的70%，預(yù)抽率增加10%，則瓦斯壓力相應(yīng)的降低19%。通過(guò)計(jì)算知此時(shí)殘余瓦斯壓力為原始瓦斯壓力值的49%，瓦斯壓力下降量為51%?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》要求殘余瓦斯壓力小于0.74MPa或殘余瓦斯含量小于8m3/t為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)，因煤層瓦斯含量測(cè)定操作復(fù)雜，測(cè)定結(jié)果易受影響且不能快速、直接獲取，所以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定時(shí)，取殘余瓦斯壓力小于0.74MPa作為消突指標(biāo)，因本次淮北礦區(qū)瓦斯抽采半徑測(cè)定主要針對(duì)突出煤層的穿層預(yù)抽鉆孔，因此瓦斯有效抽采半徑的確定依據(jù)主要以殘余瓦斯壓力為主。5.1.4測(cè)試結(jié)果及分析II8211抽采巷9#鉆場(chǎng)布置4個(gè)壓力考察鉆孔，自4月9日四個(gè)鉆孔壓力全部穩(wěn)定后，施工預(yù)抽鉆孔并連接抽采管網(wǎng)實(shí)施連續(xù)抽采，2011年3月26日至2012年3月31日對(duì)四個(gè)壓力考察孔進(jìn)行了為期12個(gè)月的瓦斯壓力數(shù)據(jù)觀測(cè)，瓦斯壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5-4。表5-4瓦斯壓力測(cè)定記錄表礦井：蘆嶺礦地點(diǎn)：II8211抽采巷9#鉆場(chǎng)煤層名稱(chēng)：8煤煤層傾角：18°鉆孔編號(hào)時(shí)間2#（6.97m）3#(5.92m)4#(3.27m)5#(4.35m)3.260.423.270.361.050.343.280.260.821.690.683.290.681.241.961.153.300.851.522.031.363.310.981.862.081.434.11.052.152.121.524.21.152.262.141.594.31.182.322.141.654.41.202.382.151.684.51.202.452.151.694.61.202.482.151.694.71.202.502.151.704.81.202.502.151.704.9（負(fù)壓抽采）1.202.502.151.704.101.202.502.151.704.111.202.502.151.704.121.202.502.131.704.131.202.492.121.704.141.202.452.081.704.151.202.352.051.684.161.202.382.031.654.171.202.361.951.634.181.202.351.971.604.191.202.331.891.604.201.202.321.921.534.211.202.321.961.524.221.202.211.881.524.231.202.281.821.564.241.202.261.781.534.251.202.251.761.524.261.202.241.801.514.271.202.351.791.514.291.202.201.761.505.21.202.211.741.505.41.202.181.701.555.71.202.181.681.525.101.202.161.651.505.141.202.101.641.505.181.202.051.621.505.221.202.101.601.505.241.202.001.601.505.281.201.961.601.506.21.121.931.581.456.81.081.861.521.386.121.151.921.491.426.171.081.831.551.376.211.051.791.481.326.261.021.751.421.286.301.051.821.391.357.41.131.751.351.287.91.051.731.361.257.131.001.651.281.237.161.001.711.261.197.201.051.681.321.167.251.021.651.231.147.311.001.651.251.148.40.971.621.211.128.90.951.581.181.088.130.951.521.181.058.180.921.541.131.128.251.031.521.081.098.310.941.471.121.069.40.891.451.051.039.60.871.431.031.029.110.871.401.031.009.150.841.400.981.009.200.831.400.950.989.250.831.400.930.9810.70.921.350.930.9610.200.811.430.910.9510.310.791.340.880.9211.100.751.320.860.9211.190.731.350.850.8811.290.691.280.850.8312.80.681.250.80.8212.170.651.220.800.8012.310.621.180.750.791.100.611.160.750.761.210.591.130.710.731.310.591.130.680.712.100.581.090.650.662.190.531.060.610.613.10.521.040.580.583.120.501.030.530.553.250.481.030.520.513.310.481.020.510.50經(jīng)鉆孔抽采后，2~5號(hào)測(cè)試孔壓力變化曲線見(jiàn)圖5-4。圖5-6為各鉆孔瓦斯壓力衰減率隨時(shí)間變化曲線。圖5-4觀測(cè)孔瓦斯壓力變化曲線圖將各觀測(cè)鉆孔的瓦斯壓力隨時(shí)間變化規(guī)律繪制成曲面如圖5-5所示。圖5-59#鉆場(chǎng)各觀測(cè)鉆孔瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化規(guī)律由圖5-4、5-5可知：在鉆孔抽采之前，四個(gè)觀測(cè)鉆孔的瓦斯壓力值均有一定程度升高，然后趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定后瓦斯壓力分別為2#孔為1.20Mpa、3#孔為2.50Mpa、4#孔為2.15Mpa、5#孔為1.70Mpa，3#、4#、5#鉆孔瓦斯壓力均高于離抽采鉆孔最遠(yuǎn)的2#鉆孔的瓦斯壓力值。各鉆孔瓦斯壓力穩(wěn)定后，抽采鉆孔施工封孔并連接抽采管路，進(jìn)行瓦斯抽采。抽采初期2#鉆孔瓦斯壓力基本無(wú)變化，3#、4#、5#鉆孔瓦斯壓力均出現(xiàn)了不同程度的降低。從圖5-4可以看出，抽采中后期，最遠(yuǎn)處2#鉆孔瓦斯壓力也出現(xiàn)了降低，其他三個(gè)鉆孔瓦斯壓力則呈加速下降趨勢(shì)。至考察結(jié)束，2#鉆孔瓦斯壓力由平衡狀態(tài)的1.2MPa下降至0.48MPa；3#孔從壓力穩(wěn)定時(shí)2.5MPa下降至1.02MPa；4#孔從壓力穩(wěn)定時(shí)的2.15MPa逐漸降低到0.51MPa，這也是所有鉆孔在整個(gè)抽采階段的最大單邊下降幅度；5#孔從壓力穩(wěn)定時(shí)1.7MPa下降至0.5MPa。圖5-6各鉆孔瓦斯壓力衰減率隨時(shí)間變化曲線由圖5-4四個(gè)壓力考察孔的壓力變化趨勢(shì)分析可知：（1）2#壓力測(cè)試孔的壓力在預(yù)抽前一直呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，直至壓力穩(wěn)定。對(duì)預(yù)抽孔進(jìn)行抽采后直至6月初才出現(xiàn)衰減趨勢(shì)，在抽采區(qū)間內(nèi)，瓦斯壓力衰減率為穩(wěn)定壓力時(shí)的60%。（2）3#壓力測(cè)試孔的壓力在預(yù)抽孔抽采后第五天開(kāi)始出現(xiàn)略微下降，然后出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，但總體下降趨勢(shì)不如2#、4#、5#孔明顯。3#鉆孔瓦斯壓力最終為1.02MPa>0.74MPa，因此認(rèn)定3#測(cè)試孔不在鉆孔抽采有效半徑以?xún)?nèi)，而2#鉆孔盡管瓦斯壓力在有效抽采半徑以?xún)?nèi)，但2#鉆孔距離抽采鉆孔6.97m>3#鉆孔至抽采鉆孔的距離5.92m，因3#鉆孔不在瓦斯抽采有效半徑以?xún)?nèi)，則2#鉆孔也不在瓦斯抽采有效半徑以?xún)?nèi)。（3）4#壓力測(cè)試孔的壓力在預(yù)抽前后下降趨勢(shì)最明顯，從瓦斯壓力衰減率隨時(shí)間變化曲線圖可以看出，在4月22日至5月18日之間，只有4#測(cè)試孔的瓦斯壓力衰減率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而后出現(xiàn)了一定程度的下降，但衰減值仍高于其余三個(gè)鉆孔，8月中旬至9月下旬，衰減率又出現(xiàn)了較快增長(zhǎng)。截止考察結(jié)束，4#孔從壓力穩(wěn)定時(shí)2.15MPa逐漸降低到0.51MPa<0.74MPa?？芍?#測(cè)試孔在抽采影響半徑以?xún)?nèi)；瓦斯壓力下降至0.74MPa以下，達(dá)到了有效抽采半徑的范圍指標(biāo)。（4）5#壓力測(cè)試孔和2#、3#和4#孔一樣，預(yù)抽孔抽采第七天開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，從圖中可以看出，抽采結(jié)束后瓦斯壓力穩(wěn)定在0.50MPa<0.74MPa，已經(jīng)達(dá)到抽采半徑的有效范圍。由圖5-6分析可知，2011年5月中旬至7月中旬，5#孔瓦斯壓力衰減率呈遞增趨勢(shì)，最終高于3#與4#孔的衰減率，7月中旬至8月中旬瓦斯壓力衰減率呈遞減趨勢(shì)，8月中旬至9月下旬，衰減率又又出現(xiàn)了較快增長(zhǎng)，呈遞增趨勢(shì)這與3#、4#孔瓦斯壓力衰減趨勢(shì)相似。根據(jù)以上分析可知，2#、3#孔均在瓦斯抽采有效半徑以外，而4#、5#孔均在瓦斯抽采有效半徑以?xún)?nèi)。根據(jù)5.13節(jié)有效抽采半徑確定依據(jù)，選擇有效抽采時(shí)間內(nèi)瓦斯壓力降低至0.74MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆孔徑向距離作為有效抽采半徑，因此課題組選擇相同抽采時(shí)間內(nèi)不同位置處（以考察鉆孔至抽采孔的徑向距離計(jì)算）鉆孔殘余瓦斯壓力進(jìn)行指數(shù)擬合，根據(jù)擬合公式得出0.74MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆孔徑向距離作為有效抽采半徑。如圖5-7所示為抽采不同時(shí)間內(nèi)3#、4#、5#考察鉆孔殘余瓦斯壓力指數(shù)擬合結(jié)果，各抽采時(shí)間段瓦斯壓力降低至0.74MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆孔徑向距離見(jiàn)表5-5。124天192天277天368天圖5-7各鉆孔瓦斯壓力衰減率隨時(shí)間變化曲線表5-5不同抽采時(shí)間瓦斯壓力降低至0.74MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆孔徑向距離抽采時(shí)間/天瓦斯壓力降低至0.74MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆孔徑向距離/m1241.901923.102774.153684.83根據(jù)瓦斯抽采有效半徑的確定指標(biāo)，對(duì)比表5-5可知：當(dāng)抽采時(shí)間為368d時(shí)，抽采有效半徑為4.83m，實(shí)測(cè)有效抽采半徑隨抽時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖5-8。圖5-8實(shí)測(cè)有效抽采半徑隨抽時(shí)間變化曲線5.1.5抽采后煤層消突效果采用底板巷區(qū)域預(yù)抽鉆孔預(yù)抽瓦斯進(jìn)行消突過(guò)程中，鉆孔間距以方向網(wǎng)格布置，如圖5-9所示，已知鉆孔瓦斯有效抽采半徑為4.83m，若孔底間距為4.83×2=9.66m則存在瓦斯抽采盲區(qū)（圖中A區(qū)），為了將預(yù)抽煤層區(qū)域均處于瓦斯抽采有效半徑以?xún)?nèi)，則應(yīng)按圖5-9（b）的布孔方式布置，則孔底間距應(yīng)小于6.83m，鑒于圖中B區(qū)域?yàn)橥咚钩椴芍丿B區(qū)，因此適當(dāng)擴(kuò)大孔底間距，確定為7m。ab圖5-9不同孔底間距控制范圍示意圖預(yù)抽消突效果可由殘余瓦斯壓力和預(yù)抽率檢驗(yàn)。2~5號(hào)測(cè)壓孔預(yù)抽368d后的殘余瓦斯壓力分別為0.48MPa、1.02MPa、0.51MPa和0.5MPa；考察底板巷一鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔90d的抽采純量如圖5-10所示，計(jì)算該鉆場(chǎng)影響范圍內(nèi)煤體瓦斯的預(yù)抽率。相關(guān)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果如表5-6所示。該鉆場(chǎng)368d的預(yù)抽率為30.5%。殘余瓦斯壓力和預(yù)抽率的檢驗(yàn)結(jié)果證明了按有效抽采半徑4.83m、鉆孔間距7m布置鉆孔，消突效果有效。表5-6預(yù)抽率計(jì)算參數(shù)及結(jié)果平均煤厚（m）原始瓦斯含量（）煤體密度（）影響范圍內(nèi)瓦斯儲(chǔ)量（）預(yù)抽瓦斯總量（）預(yù)抽率（%）8.517.31.45431841317230.5圖5-10考察底板巷鉆場(chǎng)鉆孔抽采純量隨時(shí)間變化曲線圖圖5-11運(yùn)順掘進(jìn)期間突出危險(xiǎn)性指標(biāo)1圖5-12運(yùn)順掘進(jìn)期間突出危險(xiǎn)性指標(biāo)2煤巷掘進(jìn)期間對(duì)鉆孔預(yù)抽消突效果進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，突出危險(xiǎn)性指標(biāo)分析如圖5-11、5-12所示。依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界值0.5mL/(g.min1/2)，鉆屑量Smax的臨界值6kg/m。在巷道掘進(jìn)360m過(guò)程中，瓦斯解吸指標(biāo)K1最大值為0.27mL/(g.min1/2)，鉆屑量Smax為3.5kg/m，均遠(yuǎn)小于防突規(guī)定的參考臨界值，且未出現(xiàn)過(guò)夾鉆、噴孔等突出預(yù)兆，證明了按有效抽采半徑4.83m、鉆孔間距7m布置鉆孔，消突效果有效。5.2楊柳礦穿層鉆孔抽采半徑測(cè)定及結(jié)果分析5.2.1測(cè)試地點(diǎn)概況楊柳礦1061工作面位于采區(qū)的西北部，總體為一向東傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向?yàn)楸蔽飨颍貙觾A角4~12°；根據(jù)三維勘探資料，該區(qū)域內(nèi)三維勘探斷層發(fā)育3條。1061機(jī)抽巷位于10煤底板，距10煤法距21~30m，巖性以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，巖巷道施工過(guò)程中揭露多條斷層，其中3條正斷層。10煤層賦存比較穩(wěn)定，平均煤厚m，傾角在0~5°之間。由于受煤層地質(zhì)條件和周?chē)_(kāi)采擾動(dòng)的影響，煤層參數(shù)在測(cè)試過(guò)程中瓦斯壓力浮動(dòng)較大，所以壓力值與含量值難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、準(zhǔn)