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摘要：预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出的有效措施，预抽效果的好坏与钻孔的布置间距有很大关系，而钻孔布置间距与瓦斯有效抽采半径有关。通过理论计算和现场实测的方法确定了新元矿的有效抽采半径是1m。现场应用结果表明，该方法对于指导钻孔抽采参数设计具有十分重要的意义。
关键词：布置间距；有效抽采半径；理论计算
煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三者综合作用的结果，瓦斯是控制煤与瓦斯突出的三大要素之一[1]。目前，我国采用的区域防突措施主要是开采保护层和预抽煤层瓦斯。我国目前200多对突出矿井中，仅有三分之一的矿井具有开采保护层的条件。因此，目前大部分矿井采用的主要防突措施是预抽煤层瓦斯。预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出的重要措施，通过预抽可降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，并由此引起煤层的收缩变形，使煤层透气性增加、煤的坚固性系数增大、地应力下降，从而消除突出危险性。煤层瓦斯抽采设计的关键就是钻孔的布置间距，而钻孔布置间距与抽采钻孔有效抽放半径有关，它直接关系到预抽钻孔的密度和预抽时间的长短，影响瓦斯抽放的效果。因此，比较准确的确定钻孔有效抽采半径，对于采取预抽瓦斯防治突出具有十分重要的意义。
目前，我国测定有效抽采半径的方法主要有两种：井下实测法[2-3]和理论计算法[4-6]。通过理论计算，可以为现场测定抽采半径进行钻孔布置提供参考；井下实测法虽然测试周期较长，需要花费的时间较长，但是可以比较真实的确定出矿井的抽采半径。因此，本文采用理论计算与现场实测的方法来确定新元煤矿的有效抽采半径。
1 矿井概况
新元煤炭有限责任公司是山西阳泉煤业集团有限责任公司的一个大型矿井，井田位于山西省寿阳县境内，距寿阳县城大约5km。矿井一期设计生产能力3.0Mt/a,二期6Mt/a,井田东西走向长15.6km，南北倾斜宽9.6km，面积136.48km2。矿井煤层赋存稳定，主要为贫煤、贫瘦煤及无烟煤，共含煤18层，其中可采煤层6层，主采3#、9#、15#煤。矿井地质储量14.381亿吨，设计可采储量6.051亿吨,一期主采3#煤，可采储量为1.81亿吨。矿井前期采用中央分列式通风方式，后期改为分区对角式，机械抽出式通风方法。2010年矿井相对瓦斯涌出量38.01m3/t,绝对瓦斯涌出量196.69 m3/t，CO2相对涌出量4.87m3/t，CO2绝对涌出量25.21m3/min，矿井瓦斯鉴定结果为煤与瓦斯突出矿井。
2.瓦斯有效抽采半径理论计算
2.1抽采半径的定义
瓦斯抽采钻孔有效抽采半径是指在规定时间内，在该半径范围内的瓦斯压力或瓦斯含量降到安全容许值[7]。目前，界定瓦斯抽采半径主要有以下三种：瓦斯压力指标法、瓦斯含量法和相对压力法。本文计算所用的是相对压力法，其原理是根据《煤矿安全规程》规定，预抽瓦斯后，必须对预抽瓦斯防治效果进行检验，其检验指标是煤层抽采率应不小于30%。
周世宁院士通过瓦斯含量测试表明，瓦斯含量与瓦斯压力之间存在着抛物线关系，即
式中： x ——煤层原始瓦斯含量，m3/m6;
α——瓦斯含量系数，m3/m6.MPa0.5;
Ρ——煤层瓦斯压力，MPa。
从该方程可以看出，当瓦斯抽采率为30%时，此时的残存瓦斯含量为原始瓦斯含量的70%，残余瓦斯压力为原始瓦斯压力的49%，瓦斯压力降低量为51%。相对压力法计算有效抽采半径就是根据这个理论来计算有效抽采半径的。
2.2有效抽采半径的数学计算
根据煤层瓦斯流动理论可知，当流动性质为非稳态时，钻孔瓦斯流量随着时间的延长呈衰减规律而变化。钻孔瓦斯流量的变化规律基本上符合负指数方程[8]，即
2.4 有效抽采半径计算结果
《煤矿安全规程》为满足预防煤与瓦斯突出需要而规定的煤层瓦斯抽出率（=30%），根据新元矿3号煤层的瓦斯含量平均值和钻孔瓦斯抽采量随时间变化规律，并且不考虑钻孔之间的相互影响，新元矿钻孔有效抽采半径和所需时间的关系可由式（6）通过计算得到，结果如表2所示。
表2 顺层钻孔有效抽采半径计算结果
3 有效抽采半径现场实测
本文采用了压降法对新元煤矿进行有效抽采半径的测定，其原理是：钻孔在预抽煤层瓦斯时，在煤层瓦斯压力和孔底负压的共同作用下，钻孔周围煤体内瓦斯不断运移并进入钻孔被抽走，形成以钻孔中线为轴心的类似圆形的抽放影响圈，抽放影响圈的半径称之为抽放影响半径；随着抽放时间的延长，抽放影响半径会逐渐加大，直到煤层瓦斯压力与孔底负压之差不足以克服深部煤体瓦斯运移到钻孔的阻力时为止。在钻孔的抽放影响圈内，煤体的瓦斯压力会不断降低；在抽放钻孔周边不同距离地点布置孔口密封的测试钻孔，通过测定测试钻孔内瓦斯压力的变化，即可确定钻孔的抽放影响半径。
3.1测定方法：
○1在掘进巷道一侧的巷帮上，间隔一定距离依次施工垂直于煤壁、直径Φ42mm、孔深13m的1＃、2＃、3＃和4＃共4个测试孔和直径Φ94mm的预抽孔，测试孔距抽放孔间距分别为1.0m 、2.0m、3.0m和4.0m，钻孔布置如图2所示。
○2测定测试孔瓦斯压力2d后，将预抽孔与抽放管网连接抽放。
○3预抽孔抽放过程中，连续观测1＃、2＃、3＃和4＃测试孔气体压力，绘制出各测试钻孔的瓦斯压力变化曲线。
○4如果某一个钻孔连续三次测定的瓦斯压力都比预抽前降低10%以上，表明该测试孔处于钻孔的抽放影响半径之内，符合该条件的测试孔距抽放钻孔最远距离即为钻孔的抽放影响半径。
3.2 测定结果
根据1＃和2＃孔预抽前后测定的3＃、4＃和5＃孔内气体压力，绘制了各测试孔的气体压力变化趋势图，各测试孔气体压力变化曲线如图3所示。
对图2中5个压力测试孔的压力变化趋势进行分析可知：1号和2号试孔在预抽孔联网抽放后压力均有所下降，其中1号、2号测试孔下降趋势较明显，且比预抽前，降低程度都超过超过10%；3号和4号压力测试孔的压力一直呈现递增的趋势，并最终达到稳定的压力值，預抽孔的联网抽放与否对3号、4号和5号压力测试孔的压力没有造成影响。这说明：1、2号孔均处在预抽孔抽放瓦斯有效半径范围内，3号、4号和5号压力测试孔处在有效半径之外。因此，确定新元煤矿∮94mm的抽放钻孔抽放瓦斯有效半径为1m。
结论：
1） 根据钻孔瓦斯流量衰减方程，以瓦斯抽采率为指标，建立了本煤层瓦斯钻孔有效抽采半径的理论方程式，并记录了不同抽采时间下的有效抽采半径；
2） 采用压降法对新元煤矿的有效抽采半径进行了现场测定，测定结果表明，当钻孔直径一定时，当抽放时间为60d时，其有效抽采半径为1m；
3） 理论计算和现场实测的结果基本相同，说明用理论计算和现场实测的方法来确定有效抽采半径是可行的。
参考文献：
[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社，1992.
[2] 蔡成功，周革忠，动变径大直径钻孔抽采煤层瓦斯试验[J].煤炭科学技术，2004．12．
[3] 杜泽生. 平宝公司首山一矿己16-17煤层瓦斯抽采半径测定[J].煤矿安全，2009．7．
[4] 吴教锟，邹银辉，李秋林，马 斌.煤层钻孔预抽影响半径测算模型及应用[C].2009年煤矿瓦斯灾害预防与控制国际研讨会论文集.重庆：主办单位 中国煤炭协会. 596-599.
[5] 徐三民，确定瓦斯有效抽采半径的方法探讨[J].煤炭工程师，1996（3）：43～45.
[6] 周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1999.
[7] 王兆丰，周少华，李志强.瓦斯有效抽采半径的数值模拟[J]. 煤炭工程，2011（6）:82～84.
[8] 于宝海，凌志迁，刘国忠.本煤层瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法 [J]. 煤炭安全，2009（3）:25～27.
[9] 马宏宇.下向穿层钻孔煤巷条带预抽区域消突技术研究 [D]. 河南：河南理工大学，2011.
基金项目：国家自然科学基金项目（50974056）
作者简历：李德参（1970-），男，河南滑县人，从事煤矿瓦斯灾害和水灾害的防治工作。
关键词：布置间距；有效抽采半径；理论计算
煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三者综合作用的结果，瓦斯是控制煤与瓦斯突出的三大要素之一[1]。目前，我国采用的区域防突措施主要是开采保护层和预抽煤层瓦斯。我国目前200多对突出矿井中，仅有三分之一的矿井具有开采保护层的条件。因此，目前大部分矿井采用的主要防突措施是预抽煤层瓦斯。预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出的重要措施，通过预抽可降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，并由此引起煤层的收缩变形，使煤层透气性增加、煤的坚固性系数增大、地应力下降，从而消除突出危险性。煤层瓦斯抽采设计的关键就是钻孔的布置间距，而钻孔布置间距与抽采钻孔有效抽放半径有关，它直接关系到预抽钻孔的密度和预抽时间的长短，影响瓦斯抽放的效果。因此，比较准确的确定钻孔有效抽采半径，对于采取预抽瓦斯防治突出具有十分重要的意义。
目前，我国测定有效抽采半径的方法主要有两种：井下实测法[2-3]和理论计算法[4-6]。通过理论计算，可以为现场测定抽采半径进行钻孔布置提供参考；井下实测法虽然测试周期较长，需要花费的时间较长，但是可以比较真实的确定出矿井的抽采半径。因此，本文采用理论计算与现场实测的方法来确定新元煤矿的有效抽采半径。
1 矿井概况
新元煤炭有限责任公司是山西阳泉煤业集团有限责任公司的一个大型矿井，井田位于山西省寿阳县境内，距寿阳县城大约5km。矿井一期设计生产能力3.0Mt/a,二期6Mt/a,井田东西走向长15.6km，南北倾斜宽9.6km，面积136.48km2。矿井煤层赋存稳定，主要为贫煤、贫瘦煤及无烟煤，共含煤18层，其中可采煤层6层，主采3#、9#、15#煤。矿井地质储量14.381亿吨，设计可采储量6.051亿吨,一期主采3#煤，可采储量为1.81亿吨。矿井前期采用中央分列式通风方式，后期改为分区对角式，机械抽出式通风方法。2010年矿井相对瓦斯涌出量38.01m3/t,绝对瓦斯涌出量196.69 m3/t，CO2相对涌出量4.87m3/t，CO2绝对涌出量25.21m3/min，矿井瓦斯鉴定结果为煤与瓦斯突出矿井。
2.瓦斯有效抽采半径理论计算
2.1抽采半径的定义
瓦斯抽采钻孔有效抽采半径是指在规定时间内，在该半径范围内的瓦斯压力或瓦斯含量降到安全容许值[7]。目前，界定瓦斯抽采半径主要有以下三种：瓦斯压力指标法、瓦斯含量法和相对压力法。本文计算所用的是相对压力法，其原理是根据《煤矿安全规程》规定，预抽瓦斯后，必须对预抽瓦斯防治效果进行检验，其检验指标是煤层抽采率应不小于30%。
周世宁院士通过瓦斯含量测试表明，瓦斯含量与瓦斯压力之间存在着抛物线关系，即
式中： x ——煤层原始瓦斯含量，m3/m6;
α——瓦斯含量系数，m3/m6.MPa0.5;
Ρ——煤层瓦斯压力，MPa。
从该方程可以看出，当瓦斯抽采率为30%时，此时的残存瓦斯含量为原始瓦斯含量的70%，残余瓦斯压力为原始瓦斯压力的49%，瓦斯压力降低量为51%。相对压力法计算有效抽采半径就是根据这个理论来计算有效抽采半径的。
2.2有效抽采半径的数学计算
根据煤层瓦斯流动理论可知，当流动性质为非稳态时，钻孔瓦斯流量随着时间的延长呈衰减规律而变化。钻孔瓦斯流量的变化规律基本上符合负指数方程[8]，即
2.4 有效抽采半径计算结果
《煤矿安全规程》为满足预防煤与瓦斯突出需要而规定的煤层瓦斯抽出率（=30%），根据新元矿3号煤层的瓦斯含量平均值和钻孔瓦斯抽采量随时间变化规律，并且不考虑钻孔之间的相互影响，新元矿钻孔有效抽采半径和所需时间的关系可由式（6）通过计算得到，结果如表2所示。
表2 顺层钻孔有效抽采半径计算结果
3 有效抽采半径现场实测
本文采用了压降法对新元煤矿进行有效抽采半径的测定，其原理是：钻孔在预抽煤层瓦斯时，在煤层瓦斯压力和孔底负压的共同作用下，钻孔周围煤体内瓦斯不断运移并进入钻孔被抽走，形成以钻孔中线为轴心的类似圆形的抽放影响圈，抽放影响圈的半径称之为抽放影响半径；随着抽放时间的延长，抽放影响半径会逐渐加大，直到煤层瓦斯压力与孔底负压之差不足以克服深部煤体瓦斯运移到钻孔的阻力时为止。在钻孔的抽放影响圈内，煤体的瓦斯压力会不断降低；在抽放钻孔周边不同距离地点布置孔口密封的测试钻孔，通过测定测试钻孔内瓦斯压力的变化，即可确定钻孔的抽放影响半径。
3.1测定方法：
○1在掘进巷道一侧的巷帮上，间隔一定距离依次施工垂直于煤壁、直径Φ42mm、孔深13m的1＃、2＃、3＃和4＃共4个测试孔和直径Φ94mm的预抽孔，测试孔距抽放孔间距分别为1.0m 、2.0m、3.0m和4.0m，钻孔布置如图2所示。
○2测定测试孔瓦斯压力2d后，将预抽孔与抽放管网连接抽放。
○3预抽孔抽放过程中，连续观测1＃、2＃、3＃和4＃测试孔气体压力，绘制出各测试钻孔的瓦斯压力变化曲线。
○4如果某一个钻孔连续三次测定的瓦斯压力都比预抽前降低10%以上，表明该测试孔处于钻孔的抽放影响半径之内，符合该条件的测试孔距抽放钻孔最远距离即为钻孔的抽放影响半径。
3.2 测定结果
根据1＃和2＃孔预抽前后测定的3＃、4＃和5＃孔内气体压力，绘制了各测试孔的气体压力变化趋势图，各测试孔气体压力变化曲线如图3所示。
对图2中5个压力测试孔的压力变化趋势进行分析可知：1号和2号试孔在预抽孔联网抽放后压力均有所下降，其中1号、2号测试孔下降趋势较明显，且比预抽前，降低程度都超过超过10%；3号和4号压力测试孔的压力一直呈现递增的趋势，并最终达到稳定的压力值，預抽孔的联网抽放与否对3号、4号和5号压力测试孔的压力没有造成影响。这说明：1、2号孔均处在预抽孔抽放瓦斯有效半径范围内，3号、4号和5号压力测试孔处在有效半径之外。因此，确定新元煤矿∮94mm的抽放钻孔抽放瓦斯有效半径为1m。
结论：
1） 根据钻孔瓦斯流量衰减方程，以瓦斯抽采率为指标，建立了本煤层瓦斯钻孔有效抽采半径的理论方程式，并记录了不同抽采时间下的有效抽采半径；
2） 采用压降法对新元煤矿的有效抽采半径进行了现场测定，测定结果表明，当钻孔直径一定时，当抽放时间为60d时，其有效抽采半径为1m；
3） 理论计算和现场实测的结果基本相同，说明用理论计算和现场实测的方法来确定有效抽采半径是可行的。
参考文献：
[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社，1992.
[2] 蔡成功，周革忠，动变径大直径钻孔抽采煤层瓦斯试验[J].煤炭科学技术，2004．12．
[3] 杜泽生. 平宝公司首山一矿己16-17煤层瓦斯抽采半径测定[J].煤矿安全，2009．7．
[4] 吴教锟，邹银辉，李秋林，马 斌.煤层钻孔预抽影响半径测算模型及应用[C].2009年煤矿瓦斯灾害预防与控制国际研讨会论文集.重庆：主办单位 中国煤炭协会. 596-599.
[5] 徐三民，确定瓦斯有效抽采半径的方法探讨[J].煤炭工程师，1996（3）：43～45.
[6] 周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1999.
[7] 王兆丰，周少华，李志强.瓦斯有效抽采半径的数值模拟[J]. 煤炭工程，2011（6）:82～84.
[8] 于宝海，凌志迁，刘国忠.本煤层瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法 [J]. 煤炭安全，2009（3）:25～27.
[9] 马宏宇.下向穿层钻孔煤巷条带预抽区域消突技术研究 [D]. 河南：河南理工大学，2011.
基金项目：国家自然科学基金项目（50974056）
作者简历：李德参（1970-），男，河南滑县人，从事煤矿瓦斯灾害和水灾害的防治工作。