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[摘 要]我国高瓦斯矿井煤层普遍具有低渗透率，一般在1×10-7～1×10-6μm2范围内，这种特殊性导致我国从地面开发煤层瓦斯的难度很大。因此，我国煤层瓦斯开发生产目前大部分都是利用井下的采掘巷道，并尽可能利用煤層采动影响，通过打钻孔和其他有效技术强化煤层的瓦斯抽采。随着《防治煤与瓦斯突出规定》的颁布和执行，我国防治煤与瓦斯突出的技术重点转移到区域防突措施。保护层开采是目前最有效的区域防突措施，但是绝大多数的突出矿井由于煤层没有达到保护层开采所需的厚度或者煤层自燃发火严重等原因，不具备开采保护层的条件，只能采取预抽瓦斯的区域防突措施。然而，由于多数矿区煤层透气性差、瓦斯含量高、地应力大、煤层成孔困难，造成本煤层瓦斯预抽效果差。如何提高本煤层瓦斯预抽效果，已成为单一煤层区域防突亟待解决的技术难题。
[关键词]底板岩巷穿层；瓦斯抽放；技术措施
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0365-01
1 207工作面瓦斯抽放工艺及抽放效果分析
1.2 207工作面瓦斯抽采工艺
（1）首先在207工作面顶板布置一条瓦斯高抽巷，巷道长度为2200m，布置在顶板岩层中， 207工作面高抽巷位于工作面正上方，采用两翼式瓦斯抽放。（2）207高抽巷施工完后，在高抽巷内开始布置抽放钻场，巷道内每隔50m布置一个钻场，每个钻场内十个抽放钻孔，其中两帮距顶板1.5m处依次往上布置三个，间距为0.3m，顶板布置四个，间距为0.3m，两帮钻孔深度为22m，顶板钻孔深度为17m。（3）钻孔施工完后在每个钻孔内安装抽放管路，并采用编织袋缠PVC管注聚氨酯进行封孔，封孔长度为4m，封孔后将抽放管路对接瓦斯抽放设备对工作面煤体进行瓦斯预抽。高抽巷瓦斯预抽超前工作面50m。
1.2 207工作面瓦斯抽放效果
为监测高抽巷瓦斯抽放效果，瓦斯抽放期间在207高抽巷1#～10#钻场中每个钻孔另接一趟抽放管路并安装流量计，对瓦斯抽采量进行监测。207工作面瓦斯抽放后，回采期间分别在工作面、上隅角、回风巷安装瓦斯监测装置，在前期六个月内通过对瓦斯抽放量、工作面瓦斯涌出量统计分析发现：前三个月内高抽巷平均瓦斯抽出量为1.43万m3/月，煤层中瓦斯抽出率为33.5%，在后三个月内瓦斯抽出量1.12万m3，煤层中瓦斯抽出率为22%，瓦斯抽放率相对较低。207工作面在前期六个月内回采时，工作面瓦斯控制未取得预期效果，上隅角瓦斯浓度范围在0.9～1.5%之间，最大时达到2.0%，回风巷瓦斯浓度最大达到0.9%。
2煤层瓦斯抽采数值模型的建立
2.1固气耦合数学模型
对于穿层钻孔瓦斯抽采的固-气动态耦合数学模型，作如下假设：1）煤体为均质各向同性体；2）瓦斯为理想气体；3）含瓦斯煤体被单相的瓦斯所饱和；4）瓦斯抽采的固-气耦合过程为等温过程。
2.2几何模型
严格意义上，煤体变形与瓦斯渗流的固气动态耦合模型是一个复杂的三维数学模型，但考虑到三维模型的计算工作量大，本文采用平面二维模型求解。该模型实际上为平面瓦斯渗流场和煤岩体的平面变形场的耦合求解，且只能对其求数值解。从数学的角度，该模型是一个多物理场耦合的偏微分方程组（PDE），可采用相应的数值求解软件，即COM-SOL-Multiphysics运用有限元分析方法FEM（FiniteElement Method）和偏微分方程组PDE（ParticalDifferential Equation）工具来进行数值求解。对于穿层钻孔，假设煤层内沿煤层瓦斯钻孔并垂直煤层倾向方向的每一个横截面煤岩体的物理力学特征、瓦斯基本性质参数和围岩应力状态是一致的，则可取沿煤层工作面沿瓦斯钻孔方向上的单位厚度剖面为平面计算模型。
3提高瓦斯抽放效果技术措施
对207高抽巷瓦斯抽放率及瓦斯抽放后工作面上隅角及回风巷瓦斯浓度监测分析，207工作面采用高抽巷对上覆煤体进行瓦斯预抽效果不明显，通过进一步研究，从现场管理、封孔工艺改进、技术创新等几方面提出了提高高抽巷瓦斯抽放效果的技术措施。（1）加大钻孔孔径，合理布置钻孔。通过增大钻孔孔径从源头上提高瓦斯抽放率，可将钻孔孔径增加至94mm，同时高抽巷穿层钻孔布置必须规范，确保每一组钻孔在横向必须成排、纵向必须成列，钻孔排间距及孔间距为0.3m。（2）封孔工艺技术改进。瓦斯抽放钻孔封孔工艺是瓦斯抽采工作中重要的环节，封孔好坏直接影响着瓦斯抽放效果，207高抽巷抽放钻孔采用编织袋缠PVC管注聚氨酯封孔方法效果相对较差，且封孔长度为4.0m，在抽采期间瓦斯抽采率在35%以下，因此决定对原封孔技术进行改进，采用特制冯安特-布袋-聚氯乙烯管三组合封孔技术并将原钻孔封孔长度增加至10m，封孔管径由25mm提高到40mm。（3）创新应用“集气箱”。207高抽瓦斯抽放期间主要通过在两根2寸管体上焊接若干个三通接头与各个钻孔相连接，由于巷道经常有顶板淋水现象，一旦存在积水很容易造成管路堵塞影响瓦斯抽放效果。为解决这一问题，通过技术创新研制了抽放钻场“集气箱”，可将抽采期间煤尘、瓦斯、积水进行分离，有效解决瓦斯在抽放过程中因积水、煤尘堵塞管路从而降低瓦斯抽放效果的难题。（4）加强钻场管理。钻孔施工、封孔以及瓦斯抽放过程中必须加强钻场管理，特别是在瓦斯预抽期间，要加强对钻场附近地质条件预测预报，确定每一个钻场与其附近可能存在的地质构造关系，合理确定钻场及钻孔位置。在进行钻孔施工时必须提前定线并保证定线质量，保证底抽巷腰线位置准确无误，钻孔布置时各项参数符合设计要求。
4结论
根据亭南煤矿207工作面顶板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采的固-气耦合数学模型的数值解算结果，得出不同穿层钻孔工况条件下的瓦斯抽采效果，研究结果如下。1）当钻孔间距为2.5m时，钻孔两点连线中点上的瓦斯压力下降至0.74MPa之下；钻孔间距越大，钻孔连线中心点上瓦斯压力越大，且瓦斯压力增大的幅度随钻孔间距的增大不断减缓；钻孔间距越小，钻孔连线中心点上瓦斯压力越小，且瓦斯压力减小的幅度随钻孔间距的减小不断加剧。因此，在抽采时间一定的条件下，钻孔间距对瓦斯抽采效果起关键影响作用。根据数值模拟结果，在不采取其他煤层增透措施的情况下，亭南煤矿207工作面穿层钻孔的合理布置间距为2～2.5m，其穿层钻孔的抽采时间不少于180d。2）不同钻孔直径、抽采负压条件下穿层钻孔抽采效果的数值模拟结果表明，钻孔直径和抽采负压对抽采区域瓦斯压力分布的影响不大，因此相对地增大穿层钻孔直径、抽采负压对瓦斯抽采效果的影响不明显。
参考文献：
[1]霍晶晶.阳煤寺家庄矿底板岩巷水力造穴卸压增透技术研究[J].机械管理开发，2017，32（08）：89-91.
[2]左杨.高突矿井底抽巷穿层钻孔抽采瓦斯试验研究[J].江西煤炭科技，2017（01）：43-45+48.
[3]张建英.底板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯优势分析[J].中州煤炭，2017（02）：28-30.
[4]黄兴，胡国忠，李子玉，秦伟.底板岩巷穿层瓦斯抽采钻孔的优化布置[J].中国科技论文，2017，10（03）：275-279.
[关键词]底板岩巷穿层；瓦斯抽放；技术措施
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0365-01
1 207工作面瓦斯抽放工艺及抽放效果分析
1.2 207工作面瓦斯抽采工艺
（1）首先在207工作面顶板布置一条瓦斯高抽巷，巷道长度为2200m，布置在顶板岩层中， 207工作面高抽巷位于工作面正上方，采用两翼式瓦斯抽放。（2）207高抽巷施工完后，在高抽巷内开始布置抽放钻场，巷道内每隔50m布置一个钻场，每个钻场内十个抽放钻孔，其中两帮距顶板1.5m处依次往上布置三个，间距为0.3m，顶板布置四个，间距为0.3m，两帮钻孔深度为22m，顶板钻孔深度为17m。（3）钻孔施工完后在每个钻孔内安装抽放管路，并采用编织袋缠PVC管注聚氨酯进行封孔，封孔长度为4m，封孔后将抽放管路对接瓦斯抽放设备对工作面煤体进行瓦斯预抽。高抽巷瓦斯预抽超前工作面50m。
1.2 207工作面瓦斯抽放效果
为监测高抽巷瓦斯抽放效果，瓦斯抽放期间在207高抽巷1#～10#钻场中每个钻孔另接一趟抽放管路并安装流量计，对瓦斯抽采量进行监测。207工作面瓦斯抽放后，回采期间分别在工作面、上隅角、回风巷安装瓦斯监测装置，在前期六个月内通过对瓦斯抽放量、工作面瓦斯涌出量统计分析发现：前三个月内高抽巷平均瓦斯抽出量为1.43万m3/月，煤层中瓦斯抽出率为33.5%，在后三个月内瓦斯抽出量1.12万m3，煤层中瓦斯抽出率为22%，瓦斯抽放率相对较低。207工作面在前期六个月内回采时，工作面瓦斯控制未取得预期效果，上隅角瓦斯浓度范围在0.9～1.5%之间，最大时达到2.0%，回风巷瓦斯浓度最大达到0.9%。
2煤层瓦斯抽采数值模型的建立
2.1固气耦合数学模型
对于穿层钻孔瓦斯抽采的固-气动态耦合数学模型，作如下假设：1）煤体为均质各向同性体；2）瓦斯为理想气体；3）含瓦斯煤体被单相的瓦斯所饱和；4）瓦斯抽采的固-气耦合过程为等温过程。
2.2几何模型
严格意义上，煤体变形与瓦斯渗流的固气动态耦合模型是一个复杂的三维数学模型，但考虑到三维模型的计算工作量大，本文采用平面二维模型求解。该模型实际上为平面瓦斯渗流场和煤岩体的平面变形场的耦合求解，且只能对其求数值解。从数学的角度，该模型是一个多物理场耦合的偏微分方程组（PDE），可采用相应的数值求解软件，即COM-SOL-Multiphysics运用有限元分析方法FEM（FiniteElement Method）和偏微分方程组PDE（ParticalDifferential Equation）工具来进行数值求解。对于穿层钻孔，假设煤层内沿煤层瓦斯钻孔并垂直煤层倾向方向的每一个横截面煤岩体的物理力学特征、瓦斯基本性质参数和围岩应力状态是一致的，则可取沿煤层工作面沿瓦斯钻孔方向上的单位厚度剖面为平面计算模型。
3提高瓦斯抽放效果技术措施
对207高抽巷瓦斯抽放率及瓦斯抽放后工作面上隅角及回风巷瓦斯浓度监测分析，207工作面采用高抽巷对上覆煤体进行瓦斯预抽效果不明显，通过进一步研究，从现场管理、封孔工艺改进、技术创新等几方面提出了提高高抽巷瓦斯抽放效果的技术措施。（1）加大钻孔孔径，合理布置钻孔。通过增大钻孔孔径从源头上提高瓦斯抽放率，可将钻孔孔径增加至94mm，同时高抽巷穿层钻孔布置必须规范，确保每一组钻孔在横向必须成排、纵向必须成列，钻孔排间距及孔间距为0.3m。（2）封孔工艺技术改进。瓦斯抽放钻孔封孔工艺是瓦斯抽采工作中重要的环节，封孔好坏直接影响着瓦斯抽放效果，207高抽巷抽放钻孔采用编织袋缠PVC管注聚氨酯封孔方法效果相对较差，且封孔长度为4.0m，在抽采期间瓦斯抽采率在35%以下，因此决定对原封孔技术进行改进，采用特制冯安特-布袋-聚氯乙烯管三组合封孔技术并将原钻孔封孔长度增加至10m，封孔管径由25mm提高到40mm。（3）创新应用“集气箱”。207高抽瓦斯抽放期间主要通过在两根2寸管体上焊接若干个三通接头与各个钻孔相连接，由于巷道经常有顶板淋水现象，一旦存在积水很容易造成管路堵塞影响瓦斯抽放效果。为解决这一问题，通过技术创新研制了抽放钻场“集气箱”，可将抽采期间煤尘、瓦斯、积水进行分离，有效解决瓦斯在抽放过程中因积水、煤尘堵塞管路从而降低瓦斯抽放效果的难题。（4）加强钻场管理。钻孔施工、封孔以及瓦斯抽放过程中必须加强钻场管理，特别是在瓦斯预抽期间，要加强对钻场附近地质条件预测预报，确定每一个钻场与其附近可能存在的地质构造关系，合理确定钻场及钻孔位置。在进行钻孔施工时必须提前定线并保证定线质量，保证底抽巷腰线位置准确无误，钻孔布置时各项参数符合设计要求。
4结论
根据亭南煤矿207工作面顶板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采的固-气耦合数学模型的数值解算结果，得出不同穿层钻孔工况条件下的瓦斯抽采效果，研究结果如下。1）当钻孔间距为2.5m时，钻孔两点连线中点上的瓦斯压力下降至0.74MPa之下；钻孔间距越大，钻孔连线中心点上瓦斯压力越大，且瓦斯压力增大的幅度随钻孔间距的增大不断减缓；钻孔间距越小，钻孔连线中心点上瓦斯压力越小，且瓦斯压力减小的幅度随钻孔间距的减小不断加剧。因此，在抽采时间一定的条件下，钻孔间距对瓦斯抽采效果起关键影响作用。根据数值模拟结果，在不采取其他煤层增透措施的情况下，亭南煤矿207工作面穿层钻孔的合理布置间距为2～2.5m，其穿层钻孔的抽采时间不少于180d。2）不同钻孔直径、抽采负压条件下穿层钻孔抽采效果的数值模拟结果表明，钻孔直径和抽采负压对抽采区域瓦斯压力分布的影响不大，因此相对地增大穿层钻孔直径、抽采负压对瓦斯抽采效果的影响不明显。
参考文献：
[1]霍晶晶.阳煤寺家庄矿底板岩巷水力造穴卸压增透技术研究[J].机械管理开发，2017，32（08）：89-91.
[2]左杨.高突矿井底抽巷穿层钻孔抽采瓦斯试验研究[J].江西煤炭科技，2017（01）：43-45+48.
[3]张建英.底板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯优势分析[J].中州煤炭，2017（02）：28-30.
[4]黄兴，胡国忠，李子玉，秦伟.底板岩巷穿层瓦斯抽采钻孔的优化布置[J].中国科技论文，2017，10（03）：275-279.