高瓦斯厚煤層順層鉆孔有效抽采區(qū)及參數(shù)優(yōu)化研究

王一琦，楊 雷，范超軍

（遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧阜新 123000）

瓦斯是煤炭的伴生產物。隨著煤炭的回采，瓦斯從煤壁中涌出，誘發(fā)瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災害，危害煤礦安全生產。瓦斯抽采是防治瓦斯災害的重要手段，然而實際抽采設計中多依靠經(jīng)驗確定鉆孔布置參數(shù)，給瓦斯高效精準抽采造成誤差。因此，研究對抽采效果存在關鍵影響的鉆孔直徑、抽采負壓、鉆孔間距等參數(shù)，并根據(jù)實際煤層地質條件確定這些參數(shù)至關重要。

學者們對瓦斯抽采開展了多方面的研究。陳月霞等[1]采用三維數(shù)值模擬方法，指出煤層瓦斯壓力在單排鉆孔抽采時具有顯著的時空響應特征，且鉆孔之間具有明顯的疊加效應；范超軍等[2]建立了考慮煤層滲透率各向異性的瓦斯抽采流固耦合模型，揭示了鉆孔布置方向對抽采效果的影響，得到了等效抽采半徑的變化規(guī)律；李勝等[3]將煤層假設為雙孔雙彈性介質，分析了三花眼鉆孔抽采時，間距對瓦斯壓力變化和消突時間的影響；郭欣等[4]提出了壓力差提高比的概念，研究抽采負壓對瓦斯有效抽采半徑的影響，并給出了相應機理的解釋；袁欣鵬[5]分析了不同鉆孔數(shù)量抽采下煤層瓦斯抽采效果，以及瓦斯壓力等參數(shù)的變化規(guī)律；王國鴻[6]研究了影響穿層和順層鉆孔瓦斯抽采效果的關鍵因素，并驗證了瓦斯抽采流量衰減特征；李川等[7]、范亞飛[8]各自利用不同軟件數(shù)值模擬了鉆孔周邊瓦斯壓力變化規(guī)律,獲得了鉆孔尺寸、抽采負壓、抽采時間和透氣性系數(shù)對有效抽采半徑的影響規(guī)律。

以上研究對瓦斯抽采鉆孔設計具有指導作用，然而，這些研究未考慮煤層變形和煤層水對抽采的綜合影響。為此，基于多物理場耦合理論，建立氣水兩相流的流-固耦合瓦斯抽采數(shù)學模型，以山西漳村煤礦為研究背景，利用COMSOL Multiphysics 軟件進行數(shù)值模擬，研究順層抽采時不同抽采參數(shù)對有效抽采區(qū)域和瓦斯壓力變化的影響規(guī)律，并歸納分析得出最佳抽采參數(shù)，以期對同類高瓦斯煤層瓦斯抽采和安全生產提供參考。

1 流固耦合數(shù)學模型

1.1 基本假設

根據(jù)煤層賦存瓦斯和水的特點，在建立煤層瓦斯流固耦合數(shù)學模型前，作出如下假設[8-10]：①煤體是由裂隙-孔隙構成的多孔彈性連續(xù)介質；②瓦斯可以看作是理想狀態(tài)氣體；③煤層中瓦斯以游離態(tài)和吸附態(tài)存在，吸附瓦斯服從朗格繆爾（Langmuir）單分子層吸附理論且瓦斯在煤巖體中的吸附解吸都是在恒溫的條件下進行的，即不考慮瓦斯解吸造成的溫度變化；④基質中的瓦斯運移滿足Fick 擴散定律，裂隙中瓦斯和水運移過程滿足Darcy 定律；⑤煤巖的孔隙度受有效應力的影響，即孔隙可壓縮，煤體滲透率隨孔隙度和煤體應力變化而變化。

1.2 瓦斯和水的賦存-運移特性及耦合表現(xiàn)

煤的基質孔隙（簡稱孔隙）和裂縫孔隙（簡稱裂隙）構成煤的雙重孔隙系統(tǒng)。瓦斯在煤層中的賦存形態(tài)主要有2 種[11-12]：在裂隙中的瓦斯主要呈自由氣態(tài)，稱為自由瓦斯或游離瓦斯，這種狀態(tài)的瓦斯服從達西定律和理想氣體狀態(tài)方程；另一種稱為吸附瓦斯，它吸附在煤基質中，占據(jù)著煤分子結構中的空位或煤分子之間的空間，服從朗格繆爾單分子層吸附理論。水只賦存于裂隙中，并伴隨裂隙中的游離瓦斯進行運移。單孔抽采煤層中瓦斯和水的運移過程如圖1。

圖1 單孔抽采煤層中瓦斯和水的運移過程Fig.1 The migration process of gas and water in single hole coal seam

圖1 中：a 為初始基質寬度；b 為初始裂隙寬度。瓦斯運移特性表現(xiàn)為互相聯(lián)系的3 個過程[5]：①由于周圍壓力降低使瓦斯從煤基質孔隙的內表面上發(fā)生解吸；②由于基質與裂隙間存在瓦斯?jié)舛炔?，解吸瓦斯穿過基質和孔隙擴散到裂隙中；③在壓力差作用下以達西流方式和煤層水共同在裂隙中滲流至抽采孔被抽出。這3 個過程是連續(xù)統(tǒng)一的過程，不能割裂開來單獨進行。

瓦斯流動是煤層變形和瓦斯與水相互作用的結果，其流固動態(tài)耦合的主要表現(xiàn)為[13]：①由于煤層瓦斯的抽采，使孔隙和裂隙中流體壓力發(fā)生變化，引起孔壁煤體骨架有效應力的改變及其重新分布，從而引起煤體骨架的壓縮變形；②煤巖體固體骨架的變形，又導致煤巖體孔隙體積的改變，引起煤層物理參數(shù)，特別是孔隙度、滲透率的變化，反過來影響孔隙瓦斯的滲流和抽采，同時瓦斯和水的飽和度以及兩者的相對滲透率也在不斷地變化。

1.3 應力場控制方程

煤體為雙重孔隙介質，其力學特性受到孔隙和裂隙的影響。煤體的總應變是應力引起的應變、瓦斯和水引起應變、瓦斯吸附解吸引起應變的應變之和，煤體應力-應變關系為[14]：

式中：εij為ij 面法線方向的應變；i、j 為空間坐標方向x、y、z；G 為煤體剪切模量，GPa；D 為等效煤體彈性模量，GPa；ν 為泊松比；Es為煤骨架彈性模量，MPa；a 為初始基質寬度，m；Kn為裂隙剛度，GPa/m；σij為外載荷作用下產生的總應力，MPa；K 為煤體體積模量，GPa；σkk為外力作用在煤體上的正應力總和，σkk=σxx+σyy+σzz；σxx、σyy、σzz分別為空間坐標x、y、z 方向上外力作用在煤體上的正應力；δij為Kronecker 符號，當i=j 時δij=1，當i≠j 時δij=1；αm為孔隙的Biot 有效應力系數(shù)；Ks為煤骨架體積模量，GPa；pm為基質瓦斯壓力，MPa；αf為裂隙的Biot 有效應力系數(shù)；pf為裂隙流體壓力，MPa；εa為煤骨架吸附煤層氣應變。

根據(jù)彈性力學，煤體變形幾何方程和靜力平衡關系分別為[15]：

式中：ui為i 方向上的位移，m；ui，j為i 方向上的位移在j 方向求偏導數(shù)；uj，i為j 方向上的位移在i方向求偏系數(shù)；Fi為體積力，MPa。

聯(lián)立式（1）至式（3），得到考慮孔隙壓力、瓦斯吸附的修正Navier 方程，即應力場控制方程[16]：

式中：ei，ij為張量形式（e 可為u、pm、pf、εa）；ei為變量e 的i 方向分量；ei，i為對ei求i 方向的偏導數(shù)，ei，ij為對ei，i求j 方向的偏導數(shù)。

1.4 基質中瓦斯氣體運移控制方程

在煤基質中的瓦斯，受濃度梯度的作用，以Fick擴散方式運移到裂隙。根據(jù)質量守恒，吸附瓦斯和孔隙游離瓦斯的變化量之和等于擴散到裂隙中的瓦斯含量[2]。煤基質中瓦斯運移方程為[17]：

式中：VL為瓦斯Langmuir 吸附常量，m3/kg；pL為瓦斯Langmuir 壓力常量，MPa；ρs為煤骨架密度，kg/m3；Mg為瓦斯摩爾質量，kg/mol；R 為瓦斯摩爾氣體常數(shù)，J/（mol·K）；Ts為標況下溫度，K；ps為標況下大氣壓力，MPa；φm為基質孔隙度；T 為煤層溫度，K；τ 為瓦斯解吸時間，d；pfg為裂隙瓦斯壓力，MPa。

1.5 裂隙中水和氣體的滲流場控制方程

裂隙系統(tǒng)中同時存在地下水和煤層氣，裂隙流體的運移為氣-水兩相流狀態(tài)；裂隙流體壓力pf為水相壓力和氣相壓力與其對應體積分數(shù)乘積之和[17]：

式中：sw為水飽和度；sg為煤層氣飽和度，sw+sg=1；pfw為裂隙水壓力，MPa；pfw=pf-pcgw；pcgw為毛細管壓力，MPa。

煤層瓦斯?jié)B流場控制方程為[9]：

式中：b1為Klinkenberg 因子，Pa；k 為煤體裂隙滲透率；krg為瓦斯的相對滲透率；μg為瓦斯動力黏度，Pa·s；φf為裂隙的孔隙度。

水的滲流場控制方程[9]為：

式中：ρw為水的密度，kg/m3；krw為水的相對滲透率；μw為水動力黏度，Pa·s。

基于毛細管壓力曲線，Corey 提出了氣-水兩相流的相對滲透率模型，該模型為[15]：

式中：krg0為氣相端點相對滲透率；swr為束縛水的飽和度；sgr殘余氣飽和度；krw0為水相端點相對滲透率。

1.6 耦合項模型

由于煤層是由基質組成的雙重裂隙單向滲透介質，基質孔隙是瓦斯的主要儲存空間，基質孔隙度的變化是煤層滲透率變化的關鍵因素。煤基質中的孔隙度可表示為[18]：

式中：φm為煤基質孔隙度；φm0為初始煤基質孔隙度；S 為基質孔隙應變量；S0為初始基質孔隙應變量。

煤骨架吸附煤層氣應變滿足Langmuir 型曲線[19]：

式中：εL為極限吸附應變。

裂隙的孔隙度變化也會影響煤體滲透率。裂隙孔隙度φf為[18]：

式中：φf0為初孔隙度；Kf為等效裂隙剛度，Kf=bKn，GPa；εv為煤的體積應變。

式中：k0為初始滲透率，m2。

可得煤體裂隙滲透率的動態(tài)演化方程：

2 物理模型與定解條件

以山西漳村煤礦3#煤層的高瓦斯、含水地質條件為研究背景，利用COMSOL Multiphysics 軟件對所建立的流固耦合模型進行數(shù)值求解。3#煤層埋深537 m，煤層溫度298.15 K，掘進期間瓦斯含量8.5～10.0 m3/t。簡化建立6 m×16 m 二維物理幾何模型，數(shù)值模擬物理幾何模型如圖2。沿巷道中線布置5個直徑為114 mm 的鉆孔、間距為3 m。模型兩側為輥支承，上覆巖層載荷14.85 MPa，下邊界為固定支承。AB、CD 線為觀測線，這些參數(shù)主要從現(xiàn)場測試、實驗和相關研究文獻［9］中取得。

圖2 數(shù)值模擬物理幾何模型Fig.2 Physical geometry model of numerical simulation

數(shù)值模擬參數(shù)如下：初始基質寬度a 為3.77×10-5m；初始裂隙寬度b 為2.26×10-7m；初始基質瓦斯壓力pm0為0.80 MPa；初始裂隙瓦斯壓力pfg0為0.80 MPa；煤體彈性模量E 為3 500 MPa；煤骨架彈性模量ES為8 469 MPa；煤體泊松比v 為0.30；裂隙剛度Kn為2.8 GPa/m；極限吸附應變εL為0.012 8；瓦斯Langmuir 壓力常量pL為2.0833 MPa；瓦斯Langmuir 吸附常量Vl為0.032 3 kg/m3；瓦斯的動力黏度μg為1.03×10-5Pa·s；水的動力黏度μw為1.01×10-3Pa·s；煤的密度ρs為1 380 kg/m3；水的密度ρw為1 000 kg/m3；Klinkenberg 因子b1為0.62 MPa；初始水的飽和度sw0為0.6；束縛水的飽和度swr為0.42；殘余氣飽和度sgr為0.15；煤層初始溫度T 為298.15 K；瓦斯摩爾氣體常數(shù)R 為8.314 J/（mol·K）；瓦斯的摩爾質量Mg為16 g/mol；基質初始孔隙度φm0為0.04；裂隙初始孔隙度φf0為0.018；初始滲透率k0為2.56×10-17m2；標準狀況下大氣壓力ps為0.101 MPa；瓦斯解吸時間τ 為4.34 d；水相端點相對滲透率krw0為1；氣相端點相對滲透率krg0為0.756；毛細管壓力pcgw為0.035 MPa。

3 分析研究

3.1 煤層水對瓦斯抽采的影響

含水飽和度對瓦斯和水的相對滲透率影響顯著，根據(jù)式（9），繪制了氣水兩相流的相對滲透率。在該煤層初始狀態(tài)下，瓦斯相對滲透率僅為0.231，煤層中小孔和裂隙大多被水滲流擠占，阻礙瓦斯的運移和擴散[21-22]。隨著裂隙中的水被全部抽出，煤層水僅剩下由于特殊的分布和存在狀態(tài)而幾乎不流動的束縛水，這部分水附著在煤基質表面，阻礙瓦斯解吸附的進行，此時瓦斯相對滲透率達到氣相端點相對滲透率。氣相和水相的相對滲透率如圖3。抽采時煤層水飽和度變化如圖4。

圖3 氣相和水相的相對滲透率Fig.3 Relative permeability of gas phase and water phase

圖4 抽采過程煤層水飽和度變化云圖Fig.4 Cloud images of coal seam water saturation change in extraction process

由圖4 可見在該抽采條件下，煤層水飽和度迅速降低，結合圖3 可知在此期間煤層瓦斯相對滲透率迅速上升，抽采10 d 后煤層中的水分僅剩下束縛水，煤層瓦斯達到氣相端點相對滲透率，這與實際抽采規(guī)律和相關文獻［23］相符。

3.2 抽采參數(shù)優(yōu)化研究方案

按照《防治煤與瓦斯突出細則》（2019）、AQ 1026—2006《煤礦瓦斯抽采基本指標》要求：確定鉆孔有效抽采區(qū)域和抽采影響區(qū)域的判斷標準為煤層瓦斯抽采率分別達到30%和10%[2]；結合周世寧提出的煤層瓦斯壓力與瓦斯含量之間存在拋物線型關系以及國內判定鉆孔抽采區(qū)域的相關指標[24-25]，可知其對應煤層裂隙瓦斯壓力分別為原來的49%和81%，定義瓦斯壓力降低到低于0.39 MPa 和0.65 MPa 分別為有效抽采區(qū)域和抽采影響區(qū)域。

通過研究瓦斯抽采鉆孔尺寸、抽采負壓、鉆孔間距3 個方面參數(shù)的影響，模擬不同抽采參數(shù)條件下有效抽采區(qū)域和測壓線上瓦斯壓力的變化，分析不同抽采參數(shù)對有效抽采區(qū)域的影響，并得出最佳抽采參數(shù)。采用單一控制變量法，鉆孔直徑、抽采負壓和鉆孔間距的基礎值為94 mm、20 kPa 和3 m，鉆孔直徑變化范圍為74、84、94、104、114 mm，抽采負壓變化范圍為10、20、30、40 kPa，鉆孔間距變化范圍為2、3、4、5 m。在研究某一影響因素時，保持其他參數(shù)為基礎值，該影響因素在變化范圍內變化，模擬瓦斯抽采效果。

3.3 鉆孔直徑

為研究不同鉆孔尺寸對有效抽采區(qū)域的影響，保持其他參數(shù)不變，選用圖2 的物理幾何模型，通過改變鉆孔直徑[26]，模擬不同直徑鉆孔在負壓20 kPa條件下抽采，研究瓦斯有效抽采區(qū)域和觀測線AB、觀測線CD 上的瓦斯壓力變化情況。瓦斯抽采影響區(qū)域隨時間變化曲線和瓦斯有效抽采區(qū)域隨時間變化曲線如圖5。鉆孔直徑94 mm 抽采煤層瓦斯壓力變化云圖如圖6，鉆孔直徑94 mm 抽采測線上瓦斯壓力變化曲線如圖7。

圖6 鉆孔直徑94 mm 抽采煤層瓦斯壓力變化云圖Fig.6 Cloud diagrams of gas pressure variation in coal seam extracted by drilling hole diameter of 94 mm

圖7 鉆孔直徑94 mm 抽采測線上瓦斯壓力變化曲線Fig.7 Gas pressure change curves of extraction line with drilling hole diameter of 94 mm

由圖5（b）可知，抽采相同時間時，鉆孔直徑大的有效抽采區(qū)域更大、抽采效率更高，但該現(xiàn)象在抽采初期并不明顯，抽采時間大于30 d 后增大抽采效率的現(xiàn)象顯著。如鉆孔直徑94 mm 抽采時抽采第30、60、90 d 有效抽采區(qū)域分別為2.46、14.28、74.87 m2；各鉆孔直徑條件下抽采90 d 時，隨著鉆孔直徑的增大，有效抽采區(qū)域相比74 mm 鉆孔抽采時分別增加了15.75%、37.75%、50.21%、59.63%。隨著鉆孔直徑的增大，有效抽采區(qū)域覆蓋模型所用時間相比74 mm 鉆孔抽采時分別縮短了3、6、8、10 d。可知，在一定范圍內鉆孔直徑越大，抽采效率越高，但增大鉆孔直徑帶來的提升效果是逐漸降低的。理論上，增大鉆孔直徑增加了煤體與鉆孔的接觸面積、增大了地應力卸載范圍、提高了鉆孔周圍煤體透氣性，從而提高抽采效率。然而在工程實踐中，并不是鉆孔直徑越大越理想，鉆孔越大，施工難度越高，工程造價也越大。

圖5 各直徑鉆孔抽采時影響區(qū)域和有效區(qū)域隨時間變化曲線Fig.5 Curves of influence area and effective area with time in drilling with different diameters

從圖5、圖6 可以看出，開始抽采后，抽采影響區(qū)域迅速擴大，在抽采32 d 時抽采影響區(qū)域覆蓋整個模型，在這個過程中，有效抽采區(qū)域只分布在各鉆孔周圍的小范圍內，鉆孔周圍的有效抽采區(qū)域處于相互獨立狀態(tài)；隨著抽采進程，煤層壓力在逐漸降低，有效抽采區(qū)域增大速率逐漸增大，各鉆孔有效抽采區(qū)域逐漸增大并和相鄰鉆孔的有效抽采區(qū)域匯合疊加，形成整體有效抽采區(qū)域，一段時間后有效抽采區(qū)域迅速增大直至完成抽采。這是由于基質中吸附態(tài)瓦斯受抽采導致的壓力差影響不斷解吸并運移補充到裂隙中，在此過程中煤層瓦斯壓力不斷降低，但瓦斯壓力仍大于0.39 MPa，導致有效區(qū)域變化不大。隨著抽采的進行，瓦斯壓力持續(xù)下降，越發(fā)接近0.39 MPa，因此有效抽采區(qū)域增加速率逐漸增加，煤層整體瓦斯壓力接近0.39 MPa 后有效抽采區(qū)域面積迅速增加直至覆蓋整個煤層。

結合圖6、圖7 可以看出范圍內瓦斯壓力為整體協(xié)同變化且隨抽采時間增加呈降低趨勢；抽采第1、20、40、60、80、100 d，測線AB 上最大瓦斯壓力相比抽采前分別降低了0.01、0.16、0.26、0.34、0.40、0.45 MPa，測線CD 上最小瓦斯壓力相比抽采前分別降低了0.04、0.23、0.34、0.41、0.46、0.51 MPa?？芍咚箟毫υ诔獒姵跗谙陆当容^快，隨著煤層瓦斯壓力下降，瓦斯壓力下降速率漸緩；這是由于抽采初期，煤層瓦斯壓力與鉆孔抽采負壓壓差大，瓦斯運移快，壓力下降較快，隨著煤層瓦斯壓力下降，壓力差減小，瓦斯解吸運移速率降低，瓦斯壓力下降速率隨之減慢。在鉆孔附近，壓力梯度大，運移路徑短，瓦斯壓力下降較快，距離鉆孔越遠，壓力梯度越小，瓦斯壓力下降速率越慢。

綜上所述，在其他條件相同時，鉆孔直徑的大小對瓦斯抽采有一定的影響。增大鉆孔直徑可以在一定范圍內提升抽采效率，在煤層條件和實際工況允許的情況下可以選擇較大直徑鉆孔來提升抽采效果[27]。但是，鉆孔越大，施工難度越高，工程造價也越大。結合實際煤層地質條件、和數(shù)值模擬結果，為滿足工程需要，鉆孔直徑大于等于94 mm 即可滿足漳村煤礦3＃煤層瓦斯抽采工程需求，因此最佳鉆孔直徑為94 mm。

3.4 抽采負壓

抽采負壓可以為瓦斯提供導流作用，可以增大順層鉆孔的瓦斯抽采量[28]。為研究抽采負壓對抽采的影響，選取圖2 的物理幾何模型、鉆孔直徑94 mm，模擬抽采負壓分別為10、20、30、40 kPa 時的抽采效果并測定觀測線AB 上瓦斯壓力變化情況。不同負壓抽采100 d 測線AB 上裂隙瓦斯壓力變化如圖8。不同負壓抽采100 d 有效抽采區(qū)域變化曲線如圖9。

圖9 不同負壓抽采100 d 有效抽采區(qū)域變化曲線Fig.9 Effective area change curves of different negative pressure extraction for 100 days

由圖8 可知，出在不同的抽采負壓下抽采相同時間時，鉆孔周圍煤層瓦斯壓力的分布曲線幾乎重合，增大抽采負壓僅微弱降低了距鉆孔較遠處的瓦斯壓力，但鉆孔周圍瓦斯壓力變化微弱。

由圖9 可知，在不同負壓下抽采100 d 時，負壓20 kPa 有效抽采區(qū)域剛好覆蓋模型整體，負壓10 kPa 有效抽采區(qū)域未覆蓋模型整體，相比20 kPa 抽采30 kPa 和40 kPa 有效抽采區(qū)域覆蓋模型整體用時分別縮短了1 d 和3 d。

所述，當抽采負壓在10～40 kPa 時，抽采負壓對有效抽采區(qū)域的影響微弱，增大抽采負壓對瓦斯抽采效率提升不大，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)標準及相關要求》規(guī)定預抽孔口負壓應≥13 kPa，抽采100 d內達標時，抽采負壓≥20 kPa 即可滿足抽采需要。

3.5 鉆孔間距與抽采時間

順層單排布孔瓦斯抽采的布孔間距和抽采時間是瓦斯抽采工作的重要參數(shù)，布孔間距直接影響到鉆孔數(shù)量和抽采的效果。若布孔間距過大，會導致抽采鉆孔之間存在抽采盲區(qū)、抽采效果差、抽采時間長；若布孔間距過小，易導致塌孔，增加抽采工作成本，影響抽采效果，因此確定合理的鉆孔間距是至關重要的[29]。采用圖2 的物理幾何模型，沿煤體中線分別按2、3、4、5 m 間距單排布置直徑94 mm 的鉆孔，在20 kPa 的負壓下進行抽采模擬。研究分析不同鉆孔間距時，有效抽采區(qū)域和瓦斯壓力隨時間的變化情況。不同鉆孔間距有效抽采區(qū)域隨時間變化曲線如圖10。不同鉆孔間距抽采100 d 煤層瓦斯壓力變化云圖如圖11。不同鉆孔間距抽采100 d 測線AB上瓦斯壓力曲線如圖12。

圖10 不同鉆孔間距有效抽采區(qū)域隨時間變化曲線Fig.10 Time-varying curves of effective drainage area with different borehole spacing

圖11 不同鉆孔間距抽采100 d 煤層瓦斯壓力變化云圖Fig.11 Gas pressure change diagrams of coal seam with different borehole spacing drainage for 100 days

圖12 不同鉆孔間距抽采100 d 測線AB 上瓦斯壓力曲線Fig.12 Gas pressure curves of measuring line AB with different borehole spacing for 100 days

由圖10 可知，在瓦斯抽采時間內，鉆孔間距越大，有效抽采區(qū)域越小、抽采效果越差、完成抽采所用時間也更久；因此，順層鉆孔布置間距的合理性對瓦斯抽采效果的好壞有著巨大影響，縮小鉆孔間距可以有效提高抽采效率，4 種抽采鉆孔間距下完成抽采分別用時165、118、100、66 d。相比間距5 m抽采，縮小間距抽采分別縮短了47、65、99 d 的抽采時間。

由圖11 和圖12 結合圖10 可知，鉆孔間距2、3 m 抽采100 d 時，模型內瓦斯壓力全部降低到0.39 MPa 以下；鉆孔間距4 m 抽采100 d 各鉆孔有效抽采區(qū)域已經(jīng)形成了整體的有效區(qū)域，但煤層頂?shù)装甯浇椴蛇€未達標，即鉆孔間距過大，會造成瓦斯抽采空白帶，使抽采效果不達標[30]；鉆孔間距5 m 抽采100 d 時，各鉆孔周圍有效抽采區(qū)域還處于相對獨立狀態(tài)，煤層大部分瓦斯壓力沒有降低到0.39 MPa 以下；相比鉆孔間距5 m 抽采，鉆孔間距4、3、2 m 時測線AB 上瓦斯壓力最大值分別下降了0.11、0.14、0.29 MPa?？梢钥闯隹s小鉆孔間距可以有效提升抽采效率，但在實際工況中，縮小間距也帶來鉆孔數(shù)量增加，例如相比間距4 m 布置鉆孔，間距2 m多布置了1 倍的鉆孔，增加了材料消耗和施工費用，應結合現(xiàn)場施工條件與模擬結果，制定合理的抽采間距。對于漳村煤礦3#煤層而言，鉆孔間距布置為3 m 較為合理。

4 結 語

1）鉆孔直徑對瓦斯抽采有一定影響，鉆孔直徑越大，抽采效率越高。瓦斯壓力隨時間增加而降低，降低速率逐漸減小。在抽采前期，有效抽采區(qū)域變化較小，當煤層整體瓦斯壓力降低到界定值附近后，有效抽采區(qū)域迅速增加。

2）當抽采負壓在10～40 kPa 內時，負壓變化對瓦斯有效抽采區(qū)域和瓦斯壓力變化的影響非常微弱，增大抽采負壓僅微弱降低了距鉆孔較遠處的瓦斯壓力，對抽采效率的提升不大。

3）抽采相同時間時，減小鉆孔間距可以有效提升有效抽采區(qū)域面積，降低煤層瓦斯壓力。在抽采初期，各鉆孔的有效抽采區(qū)域處于相互獨立狀態(tài)，隨著抽采時間增加，各鉆孔有效抽采區(qū)域逐漸增大，并與相鄰鉆孔的有效抽采區(qū)域匯合疊加，形成整體有效抽采區(qū)域。減小鉆孔間距可以有效縮短煤層瓦斯壓力達標所需要的時間，但并不是鉆孔間距越小越好，應結合現(xiàn)場施工條件與抽采達標要求制定合理的鉆孔間距。

4）根據(jù)漳村煤礦3#煤層地質條件和模擬結果，當要求抽采100 d 內達標時，漳村煤礦3#煤層單排布孔最佳方案為鉆孔直徑94 mm、抽采負壓20 kPa、鉆孔間距3 m。