順層鉆孔預抽煤層瓦斯精準布孔模式及工程實踐

林海飛，季鵬飛，孔祥國，李樹剛，竇桂東，李 可

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.煤炭行業(yè)西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心，陜西 西安 710054；4.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 710054)

我國大部分礦區(qū)煤層瓦斯含量較高，瓦斯災害防控壓力大，制約了礦井安全生產。鉆孔預抽煤層瓦斯技術是降低煤層瓦斯含量，預防瓦斯事故發(fā)生，實現煤炭安全開采的根本措施。其中，順層鉆孔預抽煤層瓦斯技術在礦井瓦斯治理方面應用效果顯著。針對煤層瓦斯賦存的區(qū)域性特點，關鍵是精準確定順層鉆孔布置參數，實現煤層瓦斯定時定點預抽達標，對防治礦井瓦斯災害具有重要意義。

順層鉆孔預抽煤層瓦斯時的影響因素眾多，目前多集中于研究煤層瓦斯壓力、抽采負壓等單因素對其影響，而實際上各因素間存在交互作用。鑒于此，筆者針對彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存特點，采用響應面法設計順層鉆孔參數優(yōu)化方案，建立含瓦斯煤體流固耦合理論模型，利用COMSOL軟件建立三維鉆孔預抽模型，研究不同煤層瓦斯賦存條件下布孔參數單因素及交互因素對瓦斯抽采效果的影響規(guī)律，并對布孔參數進行優(yōu)化設計，以期實現煤層瓦斯精準預抽，并形成一套靈活、簡單、多選擇并且適用于彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存特點的順層預抽鉆孔參數選擇方法。

1 含瓦斯煤體流固耦合抽采模型

1.1 基本假設

根據煤層瓦斯賦存特點，提出如下假設：① 煤體均質且各向同性；② 煤體骨架變形、孔隙壓力及吸附解吸效應引起的變形遠小于煤體自身尺度；③ 視煤體為理想線彈性體，應力應變滿足廣義胡克定律；④ 瓦斯擴散服從Fick定律，滲流服從Darcy定律；⑤ 預抽過程忽略煤體中水分、灰分和賦存溫度變化的影響。

1.2 含瓦斯煤體滲透率動態(tài)演化方程

滲透率是研究煤體瓦斯運移規(guī)律的關鍵參數之一。瓦斯抽采過程中，煤層原始應力狀態(tài)被破壞，引起煤體變形，導致孔隙率發(fā)生改變。而滲透率與孔隙率相關，任意時刻煤體滲透率可通過Kozeny-Carman方程與孔隙率建立聯系。另外，外部應力、孔隙壓力和吸附解吸效應均對煤體孔隙產生影響，考慮以上3個因素建立了含瓦斯煤體滲透率動態(tài)演化模型：

(1)

式中，為任意時刻煤體滲透率，m；為煤體初始滲透率，m；為任意時刻煤體孔隙率，%；為煤體初始孔隙率，%；為有效應力系數；0為煤體初始體應變；為初始瓦斯壓力，MPa；為煤基質體積模量，MPa；為煤體初始吸附應變；為任意時刻煤體的體應變；為任意時刻瓦斯平衡壓力，MPa；為任意時刻煤體吸附應變。

1.3 煤體瓦斯擴散滲流控制方程

原始狀態(tài)煤層瓦斯處于吸附-解吸動態(tài)平衡狀態(tài)，吸附態(tài)瓦斯在任意平衡壓力時的含量，可由廣義Langmuir方程表述為

(2)

式中，為平衡壓力時的吸附態(tài)瓦斯含量，kg/m；為標況下的瓦斯密度，kg/m；為煤體密度，kg/m；,為Langmuir體積/壓力常數，m/kg,MPa。

鉆孔預抽煤層瓦斯時原始平衡狀態(tài)被打破，吸附態(tài)瓦斯解吸到煤體微孔隙并在濃度梯度作用下以Fick擴散為主的方式運移到裂隙中；而煤體裂隙中游離態(tài)瓦斯在壓力梯度作用下以Darcy滲流的方式在裂隙中運移。綜合考慮瓦斯擴散與滲流過程，構建了煤體瓦斯運移方程:

(3)

式中，為任意時刻吸附態(tài)瓦斯含量，kg/m；為瓦斯擴散系數，m/s；為解吸擴散系數，反映吸附態(tài)瓦斯解吸并向裂隙擴散的難易程度，s；為瓦斯摩爾質量，g/mol；為摩爾氣體常數，J/(mol·K)；為煤體溫度，K；為瓦斯動力黏性系數，Pa·s。

1.4 含瓦斯煤體變形控制方程

外力作用下煤體產生應力應變，瓦斯吸附解吸效應引起煤體膨脹/收縮變形，而孔隙壓力作用于孔隙壁同樣使煤體變形。根據彈性力學理論，建立考慮有效應力的平衡方程、幾何方程和應力應變方程，得到含瓦斯煤體應力-應變關系式為

(4)

式中，為剪切模量，MPa；,，,為,方向位移分量；,為張量標記符號，分別取值1,2,3；為泊松比；為方向瓦斯壓力，MPa；為煤體的體積模量，MPa；為方向吸附解吸應變；為方向凈體力分量。

通過耦合瓦斯擴散方程、滲流方程和含瓦斯煤體變形方程(式(1)～(4))，再輔以切合實際的初始/邊界條件，可得到考慮煤體滲透率動態(tài)演化的瓦斯抽采流固耦合理論模型。

2 模擬方案及模擬結果

2.1 模擬方案

..幾何模型與定解條件

陜西彬長礦區(qū)位于黃隴煤田中部，主采4號煤，煤厚0.15～43.87 m，平均厚度10.64～19.39 m，埋深477.80～995.42 m，平均埋深705.00 m。本次研究共收集大佛寺等8個礦井瓦斯參數。其中，埋深瓦斯含量為1.19～8.32 m/t，透氣性系數為0.04～5.34 m/(MPa·d)；瓦斯Langmuir體積、壓力常數依次為19.84～23.06 m/t，0.54～0.95 MPa。

根據彬長礦區(qū)煤層瓦斯實際賦存特征、開采條件和地應力狀態(tài)，建立196.0 m×50.0 m×14.0 m的瓦斯預抽三維模型，如圖1所示。其中，煤層走向長50.0 m，傾向長196.0 m，煤厚14.0 m；煤層走向方向設置50.0 m×3.5 m的巷道煤壁暴露面，巷道氣壓設為標準大氣壓。模擬區(qū)域上覆巖層平均容重為24.5 kN/m，依據垂直地應力等于上覆巖層平均容重與煤層埋深之積，計算得煤層垂直地應力為17.28 MPa，即模型頂部施加均布載荷17.28 MPa，模擬上覆巖層應力；模型底部為固定邊界，四周為滑動邊界，巷道煤壁暴露面為自由邊界。煤層布置平行雙順層鉆孔(模擬最小抽采鉆孔單元瓦斯預抽效果)，孔深180.0 m，封孔長度15.5 m，封孔區(qū)域設為內壁不流通邊界條件。模型采用自由四面體進行非結構化網格劃分，并在鉆孔、巷道煤壁處做加密處理，共劃分226 124～297 387個網格，網格質量0.517 3～0.535 1。瓦斯預抽模型涉及的物性參數由現場實測、實驗室測試所得，具體參數見表1。

圖1 煤層瓦斯預抽三維模型Fig.1 3D model of gas pre-drainage in coal seam

表1 煤層物理特性參數

煤層瓦斯含量、透氣性系數、抽采負壓、鉆孔直徑和布孔間距5個因素的取值按模擬方案依次設置。

..響應面法模擬方案

響應面分析法具有試驗次數少、預測精度高等優(yōu)點，在優(yōu)化設計中不僅可以得到響應目標與設計變量的關系，還可得到設計變量最優(yōu)組合，應用Central Composite響應面分析法，開展方案設計。研究表明，煤層瓦斯含量、透氣性系數、抽采負壓、鉆孔直徑及布孔間距5個因素對鉆孔預抽煤層瓦斯效果影響較顯著，依據前述彬長礦區(qū)瓦斯賦存特征和現場抽采經驗等，開展5因素5水平響應面方案設計，以(0，±1，±)編碼(表2)，共50組優(yōu)化方案(表3)。

表2 設計因素編碼與水平

..響應目標

應用響應面分析法，首先應明確響應目標，目前確定布孔參數的指標主要為有效抽采半徑，該指標主要用于確定布孔間距，對于抽采負壓、鉆孔直徑等抽采工藝參數，目前沒有明確的選擇方法，其參數選擇多依賴于現場抽采經驗。相同預抽時間下，反映了瓦斯抽采效果的好壞，值越大說明抽采效果越好，但該指標無法判別鉆孔間有無抽采盲區(qū)或抽采提前達標，忽略了多鉆孔聯合抽采時的抽采疊加效應，對鉆孔間煤層瓦斯抽采情況判斷不夠精準。

/不僅考慮了抽采負壓、鉆孔直徑、布孔間距等布孔參數對煤層瓦斯抽采效果的影響，同時考慮了多鉆孔聯合抽采的疊加效應，可判斷鉆孔間有無抽采盲區(qū)或抽采提前達標。在抽采疊加效應作用下，最優(yōu)布孔間距應略大于2，為保證鉆孔間煤層瓦斯預抽達標(預抽結束時鉆孔間最大瓦斯壓力≤預抽達標時煤層殘余瓦斯壓力)，將/作為響應目標。/<1，表明達標時長小于預期時長，可提前預抽達標；/=1，表明達標時長等于預期時長，規(guī)定時間內恰好預抽達標；/>1，表明達標時長大于預期時長，若要預抽達標需相應延長預抽時間(圖2)。此外，/還能反映布孔參數組合的可靠性、合理性，/≤1且越接近1，表明布孔方案越合理。筆者對/進行顯著性、交互作用分析，并優(yōu)化確定適用于不同煤層瓦斯賦存特征的布孔參數，以期提高瓦斯抽采效率，實現煤層瓦斯精準預抽目標，詳細流程如圖3所示。

表3 試驗方案與響應結果

確定/時，需判定煤層瓦斯抽采達標情況，假設中煤體為各向同性均質體，忽略煤層的層理/節(jié)理對抽采的影響，因此/均在兩鉆孔水平方向進行判定，但受相鄰鉆孔相互擾動產生抽采疊加效應的影響，最大瓦斯壓力不一定出現在兩鉆孔中心線中點這一固定位置，因此沿鉆孔水平方向布置測線，監(jiān)測兩鉆孔水平間距內的最大瓦斯壓力。選用《煤礦安全規(guī)程》瓦斯抽采率指標作為判定依據，其判定條件為：煤層瓦斯預抽率>30%，即煤層殘余瓦斯含量≤70%原始瓦斯含量。而煤層殘余瓦斯壓力與殘余瓦斯含量間的換算關系，可由Langmuir方程表述如下

圖2 布孔參數優(yōu)化示意Fig.2 Schematic diagram of hole parameters optimization

圖3 煤層瓦斯精準預抽流程Fig.3 Accurate pre-drainage process of coal seam gas

(5)

式中,為殘余瓦斯含量，m/t；為游離態(tài)瓦斯含量，m/t；為吸附態(tài)瓦斯含量，m/t。

已知煤層瓦斯含量時，可由式(5)反算煤層殘余瓦斯壓力(達標瓦斯壓力)，進而確定/。

根據表2給出的布孔參數模擬方案，當煤層瓦斯含量為0.243,3.000,5.000,7.000,9.757 m/t時，若預抽達標，瓦斯壓力需降至0.010 2,0.138 4,0.248 5,0.377 1,0.594 4 MPa以下，并以此作為響應目標的判定標準。而煤層透氣性系數可通過式(6)與滲透率建立聯系，以便于開展數值模擬。

=2

(6)

式中，為透氣性系數，m/(MPa·d)；為單位換算系數，包括氣體壓力的單位由MPa換算成Pa、瓦斯流速的單位由m/s換算成m/d兩部分；為標準狀況下大氣壓力，0.101 3 MPa。

經計算，當煤層透氣性系數分別為：0.122,1.500,2.500,3.500和4.878 m/(MPa·d)時，對應的滲透率為：0.304×10,3.750×10,6.250×10,8.750×10,12.196×10m。

2.2 模擬結果

..煤層瓦斯預抽效果分析

以各影響因素中編碼值為0的參數為例，分析煤層瓦斯預抽效果。不同預抽時間下煤層瓦斯壓力分布如圖4所示。由圖4可知，預抽100 d時垂直鉆孔方向的抽采達標區(qū)域以鉆孔為中心呈類圓狀分布，相鄰鉆孔間的抽采疊加效應不明顯；隨著預抽時間延長，抽采達標區(qū)域不再孤立存在，相鄰鉆孔間的抽采達標區(qū)域逐漸連通并形成復合抽采達標區(qū)；預抽400 d時抽采疊加效應越明顯，復合抽采達標區(qū)域面積進一步擴大。

圖4 順層鉆孔預抽煤層瓦斯效果Fig.4 Effect of borehole pre-drainage of coal seam gas

..響應模型及其適用性分析

預抽模擬時長設定為400 d，周期相對較長，受篇幅限制，僅以100,175,250,325和400 d為例，詳細分析單因素/交互因素對煤層瓦斯預抽效果的影響規(guī)律，并開展順層鉆孔預抽煤層瓦斯精準布孔參數的優(yōu)化設計，試驗結果見表3。

對5組試驗結果進行多元回歸擬合，通過對比各模型顯著性檢測和相關性檢驗的數據，預抽100,175,250,325和400 d時/響應模型均確定為五元二階多項式，響應模型及方差分析見表4,5。方差分析顯示：各模型無顯著影響概率()均小于0.000 1，模型回歸效果極顯著。

表4 不同預抽時間下Pmax/Pb的響應模型

表5 Pmax/Pb響應模型的方差分析

續(xù)表

表6 響應模型誤差分析

為進一步驗證模型可靠性，以/的試驗值和模型預測值為橫/縱坐標繪制散點圖，如圖5所示。

由圖5可知，各模型散點均位于=附近，表明模型擬合度較好，可利用該模型進行因素間交互作用分析和順層鉆孔布置參數的優(yōu)化設計。

3 煤層瓦斯精準預抽影響因素分析

3.1 單因素對瓦斯精準預抽的影響

影響煤層瓦斯精準預抽的因素分為地質因素和工程因素，兩者共同決定煤層瓦斯的預抽效果。5個因素中,為地質因素,～為工程因素。對比表5中5因素的值(檢驗結果)可知，不同預抽時間下，/對各因素敏感性均為：>>>>，對/影響最為顯著，若要消除抽采空白帶同時不過度抽采，合理確定順層鉆孔的布孔間距最重要，該結論恰好表明/很好地考慮到布孔間距的確定問題。

圖5 響應目標Pmax/Pb試驗值與預測值Fig.5 Experimental and predicted values of response target Pmax/Pb

為直觀分析單因素對/的影響規(guī)律，固定各因素中編碼值為0的參數，并以各自變量水平值為橫軸，響應值為縱軸，擬合/隨各因素變化的曲線，如圖6所示。

圖6 單因素對Pmax/Pb的影響Fig.6 Influence of single factor on Pmax/Pb

由圖6可知，或固定不變時，隨著預抽時間延長，單位時間內/的下降量逐漸減小。為5 m/t時，相鄰預抽時間/下降量依次為：0.134 2,0.083 7,0.060 5,0.047 4；為2.5 m/(MPa·d)時，相鄰預抽時間/下降量依次為：0.127 9,0.088 8,0.060 9,0.046 2。是因為煤層瓦斯含量一定時，預抽初期瓦斯壓力與抽采負壓形成的壓差較大，瓦斯?jié)B流動力充足，減小速度快，相應的/下降量越大，而的減小降低了其與抽采負壓形成的壓差，預抽后期瓦斯?jié)B流動力匱乏，減小速度放緩，相應的/下降量減小。煤層瓦斯含量的高低決定了滲流動力的大小，而透氣性系數的高低決定了瓦斯?jié)B流阻力的大小，其作用原理與煤層瓦斯含量類似，在此不再贅述。預抽時間固定不變時，隨著,增大，/逐漸下降，兩者與/呈負相關，預抽250,325,400 d時抽采達標(/≤1)的煤層瓦斯含量范圍依次為：>6.477 4,>4.881 3,>4.093 6 m/t；煤層透氣性系數范圍依次為：>3.418 9,>2.394 1,>2.050 9 m/(MPa·d)，即煤層瓦斯含量越高或透氣性系數越大時抽采達標時間越短。

不同預抽時間下，隨著,增大，/變化不明顯。固定不變時，隨著預抽時間延長，單位時間內/的下降量逐漸減?。划旑A抽時間固定不變時，/隨增加而增大，但/增長速率有所放緩。是因為布孔間距設置過大時，相鄰鉆孔間抽采疊加效應被削弱，瓦斯?jié)B流動力匱乏，單位時間內僅有少量瓦斯被抽出，減小速度慢，/下降量也越??；隨著預抽時間延長，鉆孔間抽采疊加效應逐漸增強，下降速度有所提升，/下降量逐漸增加。

3.2 交互因素對瓦斯精準預抽的影響

..地質因素交互

/不僅受單因素影響，同時受因素間交互作用影響。,對/的影響非常顯著且均屬地質因素，如圖7所示。由圖7可知，不同預抽時間下與的響應曲面較陡、響應等值線扭曲程度大且分布較密集，兩因素水平范圍內的/分別位于1.10～1.50,1.00～1.40,0.90～1.40,0.80～1.30,0.80～1.20，說明地質因素對/影響非常顯著，對/數值大小影響較明顯并具有一定的時間效應。另外，不同預抽時間下，/的響應等值線均聚集在右下角，表明即使,處于交互作用下，,對/的影響程度仍然顯著，/隨,增加而減速下降，在與的交互作用下，煤層瓦斯含量越高且煤層透氣性系數越大時，抽采效果越好，抽采達標時間越短。

圖7 地質因素交互作用對Pmax/Pb的影響規(guī)律Fig.7 Influence of interaction between geological factors on Pmax/Pb

..工程因素交互

圖8表明了工程因素交互對/的影響。由圖8(a)可知，不同預抽時間下，與的響應等值線呈圓形分布，兩因素水平范圍內存在極值點使得/達到最小，相鄰響應等值線在數值上僅差0.005，說明抽采負壓與鉆孔直徑的交互作用不顯著，兩者間的交互作用對煤層瓦斯預抽效果影響較小，并與單因素分析結果相互佐證。

由圖8(b),(c)可知，不同預抽時間下/均沿方向變化較明顯，說明抽采負壓、鉆孔直徑對/的影響程度小于布孔間距，在與抽采負壓、鉆孔直徑交互作用下，布孔間距對/的影響仍然顯著，這與單因素分析結果一致。工程因素之間的交互作用同樣有一定時間效應，隨著預抽時間延長，/不斷降低。

..地質因素與工程因素交互

單因素分析發(fā)現，,對/的影響程度最低，導致,與其他因素之間的交互作用并不明顯。因此，地質因素與工程因素間的交互作用著重分析與，與，如圖9所示。

圖8 工程因素交互作用對Pmax/Pb的影響Fig.8 Influence of interaction between engineering factors on Pmax/Pb

圖9 地質因素與工程因素交互對Pmax/Pb的影響Fig.9 Influence of interaction between geological factors and engineering factors on Pmax/Pb

當布孔間距設置過大時，相鄰鉆孔間的抽采疊加效應被削弱，因此，相同或條件下，隨著布孔間距增大，/逐漸增大。布孔間距對/的影響同樣有時間效應，隨著預抽時間延長，相同布孔間距條件下，不同煤層瓦斯含量的煤層所能達到的/差距逐漸增大；相同煤層瓦斯含量條件下，擴大布孔間距增大/的現象有所改善，這說明布孔間距設置過大時，應延長預抽時間以實現預抽達標。對比圖9發(fā)現，在布孔間距與地質因素的交互作用下，/的響應等值線均沿布孔間距方向變化最為明顯且分布相對密集，說明布孔間距對/的影響程度高于煤層瓦斯含量、煤層透氣性系數，布孔間距對/影響更顯著，與單因素分析結果相互佐證。

4 順層鉆孔精準布孔方法及應用

4.1 鉆孔預抽煤層瓦斯精準布孔方法

分析地質/工程因素各單因素及交互因素對煤層瓦斯預抽效果的影響發(fā)現，地質因素和預抽時間對/影響均比較大。因此，順層鉆孔布置參數的優(yōu)化問題應根據煤層瓦斯賦存的區(qū)域性特點及工程因素隨時間的變化規(guī)律，開展“分時分區(qū)”式布孔，而不是傳統(tǒng)“以點代面”式布孔。

為實現煤層瓦斯的精準抽采，提高順層預抽鉆孔的瓦斯抽采效率，提出“分時分區(qū)”式順層鉆孔預抽煤層瓦斯精準布孔方法(圖10)。

圖10 順層鉆孔預抽煤層瓦斯精準布孔方法Fig.10 Accurate borehole placement methodfor pre-draining coal seam gas by drilling along the seam

所謂“分時分區(qū)”式順層鉆孔預抽煤層瓦斯精準布孔方法具體包括“分時”和“分區(qū)”兩步，根據采掘進度合理安排預抽時間，實現精準的第1步“分時”，保證預抽按時達標；掌握工作面瓦斯賦存規(guī)律的前提下，對工作面瓦斯地質單元進行等級劃分，形成若干個抽采目標區(qū)，并依據各目標區(qū)實際瓦斯賦存特點，優(yōu)選合理抽采工藝參數，做到精準的第2步“分區(qū)”，保證各目標區(qū)預抽達標；兩步結合形成適用于不同煤層瓦斯賦存特征的順層鉆孔預抽煤層瓦斯精準布孔方法。

4.2 順層鉆孔布孔參數優(yōu)化結果

利用Design-Expert軟件中的優(yōu)化模塊，在5因素水平范圍內開展布孔參數優(yōu)化(表2)，依次確定不同預抽時間(100,175,250,325,400 d)下，適用于彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存條件的最優(yōu)化布孔參數(抽采負壓、鉆孔直徑、布孔間距)和與之對應的/。隨后利用Suffer軟件對不同預抽時間下適用于彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存條件的最優(yōu)化布孔參數(抽采負壓、鉆孔直徑、布孔間距)和與之對應的/依次進行等值線化處理，最終繪制了“分區(qū)分時”的最優(yōu)布孔參數等值線分布，如圖11所示。

圖11依次代表了預抽100,175,250,325,400 d時適用于彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存條件的最優(yōu)化布孔參數。以圖11(a)為例，進行詳細介紹。圖11(a)橫坐標表示了煤層瓦斯含量，縱坐標表示了煤層透氣性系數，由橫縱坐標圈定的范圍代表了彬長礦區(qū)實際煤層瓦斯賦存情況。另外，圖中黑、藍、紅3種不同顏色的等值線，依次代表了適用于彬長礦區(qū)不同煤層瓦斯賦存條件下的最優(yōu)化抽采負壓、鉆孔直徑、布孔間距。

已知區(qū)域煤層地質因素和預抽時間的前提下，便可由圖11快捷、準確地確定出適用于不同煤層瓦斯賦存特點的最優(yōu)化布孔參數。主要步驟包括：① 明確預抽時間；② 確定分時分區(qū)式布孔參數選擇圖；③ 在圖11中標注試驗工作面具體位置；④ 根據已標注出的具體位置，確定試驗工作面的最優(yōu)化布孔參數。以煤層瓦斯含量5.0 m/t，煤層透氣性系數3.0 m/(MPa·d)，預抽時間100 d為例，通過以上3條信息可準確確定圖11(a)中的一點“W”，根據“W”附近3種不同顏色的等值線可確定適用于該工況條件下的最優(yōu)化布孔參數依次為：布孔間距3.92 m、抽采負壓25.3 kPa、鉆孔直徑85 mm。

現場實際應用時，首先應明確試驗工作面的計劃預抽時間和煤層瓦斯實際賦存狀況，依據煤層瓦斯實際賦存情況將工作面劃分為若干個抽采目標區(qū)域；根據預抽時間確定圖11中與之對應的布孔參數優(yōu)化圖；根據各分區(qū)煤層瓦斯含量和透氣性系數在布孔參數優(yōu)化圖上找到與各分區(qū)瓦斯賦存特征相對應的“定點”或“定區(qū)域”，進而快捷、準確地確定適用于該分區(qū)的最優(yōu)化布孔參數。

由圖11可知，不同預抽時間下，隨著地質因素的改變，布孔間距優(yōu)選值的變化規(guī)律性最明顯；當煤層瓦斯含量和透氣性系數均比較小時，預抽100，175，250 d時/>1，說明相鄰鉆孔間存在抽采空白帶，是由于試驗方案中布孔間距的水平下限設定過大，此時若要提高布孔參數選取優(yōu)度，避免出現抽采空白帶，布孔間距應略小于3.50 m。此外，隨著預抽時間延長，布孔參數選取優(yōu)度逐步提高，預抽325，400 d時/均等于1，因此還可適當延長預抽時間來消除抽采空白帶，以保證煤層瓦斯預抽達標。

圖11 分時分區(qū)式布孔參數選擇Fig.11 Time-sharing partition hole layout parameter selection

4.3 工程應用

..預抽鉆孔設計

陜西彬長某礦屬于高瓦斯礦井，煤層傾角2°～3°，試驗工作面走向長2 108 m，傾向長196 m，回采高度14 m，煤層原始瓦斯含量為5.31～6.22 m/t，煤層透氣性系數為1.54～2.05 m/(MPa·d)，工作面預留360 d開展采前預抽。由圖11可知，不同預抽時間下，試驗工作面布孔參數選取優(yōu)度較好，其中布孔間距對瓦斯預抽效果影響最大且優(yōu)選值變化規(guī)律性最明顯。為此，預抽100，175，250，325和400 d時，在試驗區(qū)域最優(yōu)化布孔參數取值范圍內沿布孔間距變化最顯著方向選取～等4個點，擬合建立優(yōu)選布孔參數與預抽時間函數關系，進而確定預抽360 d時的布孔參數優(yōu)化方案,如圖12所示(圖中，，，，，，，，為擬合常數；為預抽時間，d)。

由圖12知，預抽時間與優(yōu)選抽采負壓、鉆孔直徑均呈二次函數關系、與優(yōu)化布孔間距符合冪函數關系；預抽360 d，工作面優(yōu)選布孔參數范圍為：抽采負壓23.9～22.8 kPa、鉆孔直徑102.4～114.1 mm、布孔間距5.33～6.03 m，可以發(fā)現抽采負壓、鉆孔直徑的優(yōu)選值差距不大，對/影響較小，因此，準確設定順層預抽鉆孔的布孔間距前提下，兩者可根據施工條件做出適當調整。

圖12 試驗工作面最優(yōu)化布孔參數Fig.12 Optimal hole layout parameters of test working face

由于試驗區(qū)域大部分煤層瓦斯含量為6.00 m/t，透氣性系數為1.95 m/(MPa·d)，最終順層預抽鉆孔布置參數選擇為：布孔間距6.0 m(與相鄰已預抽工作面布孔間距一致)、抽采負壓24.0 kPa、鉆孔直徑113 mm。另外，試驗工作面采高較大，水平鉆孔無法解決整個工作面的瓦斯預抽問題，但前述布孔參數優(yōu)化方案已給出合理的布孔參數(已優(yōu)化出最小抽采鉆孔單元)，因此保證最大孔間距不超6.0 m前提下，可適當調整鉆孔仰角以滿足整個工作面的瓦斯預抽。最終試驗區(qū)域兩巷分別施工高中低3層含仰角鉆孔。其中，回風巷鉆孔水平間距1.50 m，垂直間距0.40 m，仰角依次為3°，5°，7°；運輸巷鉆孔水平間距1.50 m，仰角依次為2°，4°，6°，兩巷鉆孔的孔深180.0 m，封孔長度15.5 m。

..預抽效果分析

圖13 試驗工作面瓦斯預抽效果Fig.13 Effectiveness of pre-drainage at test working face

試驗區(qū)域兩巷煤層瓦斯預抽效果如圖13所示，由圖13可知，預抽期間回風巷/運輸巷抽采瓦斯體積分數維持在2.0%～7.0%，2.0%～9.0%；兩巷瓦斯抽采混合流量與瓦斯體積分數呈相反變化趨勢。當預抽時間達到190 d時，運輸巷瓦斯抽采混合流量出現徒增，這是由于試驗工作面的部分區(qū)域開展了水力割縫、注液態(tài)CO/注氮驅替煤體瓦斯試驗，一定程度上提高了抽采混合流量，相應降低了抽采瓦斯體積分數。為明確優(yōu)化后的順層鉆孔預抽煤層瓦斯效果，預抽結束后，在僅開展本煤層瓦斯預抽區(qū)域測定了煤層殘余瓦斯含量并計算了煤層瓦斯預抽率。經實測，僅開展煤層鉆孔瓦斯預抽360 d時預抽率為33.50%左右，說明預抽已達標，一定程度上保證了試驗工作面定時定點預抽達標，確保了回采工作的順利進行。

5 結 論

(1)建立了考慮煤體滲透率動態(tài)演化、瓦斯擴散滲流及煤體變形等影響的含瓦斯煤體流固耦合抽采模型；多鉆孔聯合抽采時，應考慮相鄰鉆孔間的抽采疊加效應，隨著預抽時間延長，垂直鉆孔方向的抽采達標區(qū)域逐漸連通并形成復合抽采達標區(qū)域。

(2)鉆孔預抽煤層瓦斯效果與地質因素、工程因素和預抽時間有關；不同預抽時間下，鉆孔間最大瓦斯壓力與達標壓力比(/)對各因素敏感性依次為布孔間距、煤層瓦斯含量、透氣性系數、鉆孔直徑、抽采負壓，其中布孔間距對/影響程度最大。

(3)不同預抽時間下，地質因素中煤層瓦斯含量和透氣性系數的交互作用對/的影響非常顯著，對/數值大小影響較大；工程因素中抽采負壓與鉆孔直徑的交互作用不明顯，對/數值大小影響較??；布孔間距與地質因素的交互作用下，布孔間距對/的影響仍然是顯著的；各因素之間的交互作用對/影響均存在一定時間效應。

(4)綜合考慮地質因素的空間分布規(guī)律及工程因素隨時間變化規(guī)律，提出了煤層“分時分區(qū)”式順層鉆孔預抽煤層瓦斯精準布孔方法，可劃分抽采目標區(qū)并精準確定各目標區(qū)布孔參數；試驗工作面利用優(yōu)化布孔參數布置順層預抽鉆孔，在規(guī)定時間內預抽達標，實現了煤層瓦斯精準預抽。