基于可解吸瓦斯指标的有效抽采半径合理判据研究

孙小明

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013）

预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出、避免工作面瓦斯超限的根本措施，预抽瓦斯效果除了受到煤层地质条件、抽采系统工况、封孔方式等因素影响之外，还与钻孔有效抽采半径密切相关。有效抽采半径直接关系到预抽钻孔的密度和抽采时长，合理的抽采半径有助于消除抽采空白带、提高瓦斯抽采效率，节约瓦斯治理成本。在工程实践中，存在“抽采影响半径”、“有效抽采半径”、“排放半径”、“有效抽采影响半径”等概念，意思相近却各有特指，在实际应用中容易混为一谈，甚至在文献中也存在混淆的情况。因此，通过查阅有效抽采半径的研究文献[1-4]以及煤矿企业相关的技术报告等资料，结合《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》（以下简称《暂行规定》）等行业标准、规范，认为“有效抽采半径”是指在一定的煤层地质条件和抽采工况下，在一定时间内以抽采钻孔为中心，孔周围煤体内瓦斯压力和含量等指标可降低到界定指标以下的范围。该定义符合工程实践中对钻孔布置的要求，最能体现抽采钻孔合理布置间距的需要。但是有效抽采半径界定指标的判定依据却尚无统一标准，为现场应用带来了极大困惑。为此，从瓦斯抽采的本质目标出发，提出了基于抽采达标要求的有效抽采半径判定方法，以期满足高瓦斯、突出矿井瓦斯治理的需求。

1 瓦斯运移规律

瓦斯运移规律是研究瓦斯抽采的基础，瓦斯在煤体中的运移受到渗流场和应力场的共同作用，瓦斯渗流与煤层变形之间相互耦合[5]。钻孔施工完成后，孔周围应力重新分布，煤体缓慢蠕变形成弹性区、塑性软化区和卸压破裂区，导致渗透率增大，利于瓦斯抽采。随着抽采时间的延长，钻孔周围瓦斯压力不断下降，煤体的有效应力增大从而导致煤层孔隙被压缩，与此同时煤层瓦斯解吸导致煤体骨架产生连续的收缩变形裂隙，前者的孔隙压缩效应大于后者的孔隙增生效应，因而总体呈现出孔隙率降低，瓦斯抽采效果逐渐减弱的趋势[6-7]。

煤层钻孔抽采瓦斯的过程，即是钻孔联通煤体的裂隙、孔隙、层理、割理等瓦斯运移通道，使得游离瓦斯和解吸瓦斯在扩散、渗流作用下运移到抽采钻孔，并通过负压抽采作用抽出。受钻孔周围煤体骨架的变形效应和煤体透气性影响，离钻孔越远的瓦斯运移到钻孔中所受阻力越大，需要的时间越长，因而抽采量是与抽采时间和距离相关的函数。为了满足瓦斯治理的时效性要求，在某一时间段内将煤层瓦斯含量或瓦斯压力降低到预定指标，就需要根据有效抽采半径布置钻孔进行规模化抽采。

2 有效抽采半径判定依据

2.1 有效抽采半径判据现状

基于对瓦斯运移规律的认识，业内形成了以现场实测法和数值模拟法为主的有效抽采半径测试方法，其中现场实测法又有压降法[8]、流量法[9]、残余瓦斯含量法[10]、瓦斯储量法[1]、示踪气体法[11]等。对于这些方法，前人经过不断的研究与改进，其操作流程、优缺点、适用条件都已得到广泛认可，然而抽采半径的判定依据却仍然莫衷一是，主要存在以下几种情况：

1）将瓦斯压力降低到0.74 MPa 或瓦斯含量降低到8 m3/t 以下的区域认定在有效抽采半径内，该判定方法是以消除煤层突出危险性为主要目标，可作为突出煤层的有效抽采半径的界定指标。另外，考察出煤层始突深度的瓦斯压力或瓦斯含量的矿井，可将考察的临界值作为有效抽采半径的判据。

2）在抽采钻孔旁设置压力测试孔，连续3 次测试钻孔瓦斯压力都比预抽前降低10%以上，表明该测试孔处于抽采钻孔的抽采半径之内，符合该条件的最远钻孔的距离即为抽采半径。该方法本质上是反映了抽采影响半径而非有效抽采半径，因此对工程实践指导意义有限。

3）以瓦斯预抽率大于30%作为判定依据。即根据单孔抽采量与钻孔控制范围内瓦斯储量计算预抽率，从而得到不同预抽率下的抽采半径[12]；另外，预抽率大于30%，也就是煤层抽采后的残余瓦斯含量应小于抽采前瓦斯含量的70%，以此反算出抽采达标时的残余瓦斯含量或残余瓦斯压力，作为有效抽采半径的判据。该方法判据简便，便于现场实践，因而应用广泛。一般认为，该判定依据引自2010 版《煤矿安全规程》，预抽煤层瓦斯后，必须对预抽瓦斯防治突出效果进行检验，煤层瓦斯预抽率大于30%。然而，2016 版《规程》要求：“有突出危险煤层的新建矿井必须先抽后建。矿井建设开工前，应当对首采区突出煤层进行地面钻井预抽瓦斯，且预抽率应当达到30%以上。”预抽率达到30%以上是针对地面钻井预抽而言，不适于指导井下预抽钻孔。

2.2 基于抽采达标的有效抽采半径判据

对于以消除突出危险性为目标的抽采钻孔，一般均以突出临界值作为判定抽采是否有效的依据，而对于以降低煤层瓦斯含量、防止回采过程中出现瓦斯超限为目标的有效抽采半径判断依据，可根据《暂行规定》的要求，从可解吸瓦斯量这一指标出发，探索得到相应的有效抽采半径，该方法得出的有效抽采半径具有一定的权威性，可以有效指导现场实践，满足现场瓦斯治理的需求。

对于瓦斯涌出量主要来自于开采层的采煤工作面，评价范围内煤的可解吸瓦斯量满足规定的，判定采煤工作面评价范围瓦斯抽采效果达标。采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量应达到的指标见表1。

可解吸瓦斯量Wj为：

表1 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量应达到的指标Table 1 Indicators of desorption gas content before mining in coal face

式中：Wj为煤的可解吸瓦斯量，m3/t；WCY为抽采瓦斯后煤层的残余瓦斯含量，m3/t；WCC为煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量；a、b 为瓦斯吸附常数；Ad为煤的灰分，%；Mad为煤的水分，%；π 为煤的孔隙率，m3/m3；ρ 为煤的密度，t/m3。

工作面日产量以及开采煤层的各项物理指标均为确定值，可根据表1、式（1）、式（2）计算得到相应的煤层残余瓦斯含量。

为便于现场考察数据，可由式（3）将抽采达标时的煤层瓦斯含量转化为瓦斯压力，通过压降法实时观测数据，当煤层瓦斯压力降低到相应指标时，该抽采时长下的钻孔间距即为有效抽采半径。在工程应用误差允许范围内，还可采用周世宁院士[13]提出的瓦斯含量法，即式（4）。

式中：W 为煤层瓦斯含量，m3/t；p 为瓦斯压力，MPa；α 为含量系数，m3/（t·MPa0.5）。

对于瓦斯涌出量主要来自于邻近层或围岩的采煤工作面，应综合考虑本煤层抽采、邻近层抽采和风排瓦斯量，使工作面瓦斯抽采率满足《暂行规定》中对应的瓦斯涌出量的指标。

2.3 以可解吸瓦斯量为判据的合理性

煤层瓦斯含量由可解吸瓦斯量和常压不可解吸量2 部分组成。可解吸瓦斯量是瓦斯治理的对象，其脱离煤体经历3 个过程，首先是通过煤壁涌出和钻孔抽采，其次在落煤期间大量解吸逸散在采掘空间内，随工作面风流流出采场，最后是随煤体运输过程中不断缓慢解吸释放。其中，第2 个阶段是造成工作面、上隅角瓦斯超限的主要原因，所以瓦斯治理工作的关键，除了工作面合理配风以外，就是需要通过高效抽采将可解吸瓦斯量减低到一定程度，使采煤过程中解吸出的瓦斯不足以引起瓦斯超限，从而实现安全生产。以可解吸瓦斯量作为有效抽采半径的判定依据，是基于瓦斯抽采的核心目标，具有合理性。

3 有效抽采半径现场实测

为了考察基于抽采达标的有效抽采半径测试方法的实用性，在试验矿井1204 工作面开展现场实测。试验矿井为高瓦斯矿井，矿井相对瓦斯涌出量19.17 m3/t。井田内主要可采煤层为山西组03、2、4号煤层和太原组5 上、5、6、8+9 号煤层，首采2 号煤层属贫煤，平均厚度2.79 m，工作面日产量约4 200 t，工作面瓦斯涌出主要来源于本煤层。矿井采用中央分列式通风，走向长壁一次采全高的采煤方法。

考察有效抽采半径的方法有现场实测法和数值模拟法，数值模拟法可以节省现场测试的工程量和测试时间，并且得到有效抽采半径随时间变化的连续曲线，而且诸多学者在建立瓦斯流动数学模型时，已经在流固耦合理论的基础上，进一步细化考虑了煤层埋深[14]、渗流场和煤层变形场控制方程[15]等多因素对瓦斯流动规律的影响，但是一系列的简化和假定条件，导致模拟计算的结果其偏离度难以确定，不利于直接指导实践。因此，结合矿井条件，试验采用压降法实测有效抽采半径。

1）选择未施工瓦斯抽采钻孔的1204 运输巷里程900～950 m 范围作为现场测试地点。在巷道里程900 m 处施工1#、2#压力测试孔，在巷道里程930 m处施工3#、4#压力测试孔。孔径均为94 mm，倾角5°，采用“两堵一注”方法封孔，孔深35 m，封孔深度为33 m，保证封孔段不漏气。钻孔布置图如图1。

图1 钻孔布置图Fig.1 Drilling layout drawing

2）封孔材料凝固后，安装压力表，连续测试钻孔瓦斯压力变化情况。

3）待压力稳定后，分别施工A、B 抽采钻孔。A孔距1#孔1.0 m，距2#孔1.5 m；B 孔距3#孔2.0 m，距4#孔2.5 m，用于考察不同间距的瓦斯压力变化情况。抽采孔孔径94 mm，孔深35 m，倾角5°，采用“两堵一注”封孔，封孔长度为10 m，抽采负压为20 kPa。每天读取压力表数据，做好记录并绘制各钻孔的瓦斯压力曲线。

根据前文2.2 小结阐述的有效抽采半径判定方法，1204 工作面回采前应满足可解吸瓦斯量Wj≤5.5 m3/t。2 号煤层吸附常数a 值为31.313 m3/t，吸附常数b 值为0.432 MPa-1，煤的水分0.76%，灰分12.73%，孔隙率为2.11 m3/m3，密度为1.37 m3/t。结合式（1）、式（2）计算可得抽采后的残余瓦斯含量WCY≤7.9 m3/t，由式（3）计算可得抽采达标时煤层残余瓦斯压力应降低到0.33 MPa 以下。因此，在一定时间内，能将瓦斯压力降低到该界定指标以下的钻孔间距即为有效抽采半径。

各钻孔瓦斯压力随抽采时间变化曲线如图2。由图2 可知：①1#测压孔初始最大压力为0.52 MPa，抽采孔接抽后，压力持续下降，在第10～20 d下降较快，抽采50 d 后，压力下降至0.32 MPa，低于界定指标0.33 MPa，说明经过50 d 时间，A 钻孔周围1 m 范围内瓦斯抽采达标；②2#测压孔初始最大压力为0.66 MPa，为本次测试的最大压力，抽采孔接抽后，在第12～25 d 压力下降较快，抽采79 d 后，瓦斯压力下降至0.32 MPa，低于界定指标0.33 MPa，说明经过79 d 时间，A 钻孔周围1.5 m 范围内瓦斯抽采达标；③3#和4#测压孔初始最大压力分别为0.5、0.45 MPa，开始抽采后，瓦斯压力下降较小，基本保持稳定，观测到第100 d 后，压力分别降低到0.42、0.4 MPa，仍高于0.33 MPa 的界定指标。

图2 瓦斯压力随抽采时间变化曲线Fig.2 Curves of gas pressure changing with extraction time

根据测试结果，抽采79 d 时有效抽采半径可达1.5 m，结合1204 工作面的采掘接替时间安排，采用3.0 m 的钻孔间距布置本煤层抽采钻孔进行预抽。为了验证该有效抽采半径参数的合理性，对1204 回采工作面上隅角瓦斯浓度进行连续1 个月的观测，均保持在0.28%～0.66%范围内，未出现瓦斯超限情况，表明该有效抽采半径可有效指导本煤层预抽钻孔的布置。

4 结 论

1）基于抽采达标的要求，确立了以工作面日产量对应的可解吸瓦斯量为有效抽采半径的核心判据，并且建立了有效抽采半径的测试方法。该判定依据的来源具有一定的权威性，测试方法简便易行，有助于形成规范的有效抽采半径测试标准。当矿井回采进入新采区或遇到瓦斯地质异常区域时，可及时重新考察有效抽采半径指导钻孔布置，提升矿井瓦斯治理水平。

2）利用有效抽采半径测试方法开展了现场试验，在1204 工作面瓦斯地质条件和20 kPa 抽采负压情况下，抽采50 d 时，有效抽采半径可达1.0 m，抽采79 d 时，有效抽采半径可达1.5 m，以此参数指导本煤层抽采钻孔布置，实现了工作面瓦斯有效治理，反映了该判据的合理性和实用性。