淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 施工封孔质量等对抽采效果的影响因素，主要包括：抽采时间、抽采负压、钻孔直径、钻孔的施工及封孔质量等；客观因素主要是煤层的渗透特性对抽采效果的影响，主要包括：煤层瓦斯压力、地应力、煤体吸附特性等。以下就各因素对瓦斯抽采效果的影响机制进行分析。
2.3.1 抽采时间
随着抽采时间的增加，钻孔抽采总量增加，钻孔周围煤体瓦斯被不断抽出，抽采影响区域范围增大；大量实验及现场应用研究表明，抽采初期，钻孔瓦斯抽采浓度及流量较大；在抽采后期，抽采量不再增加或呈负指数规律逐渐减小。该规律表明，随着抽采时间的增加，能够增加瓦斯抽采量，但存在最佳极限抽采时间，超过这个时间，即使延长抽采时间，瓦斯抽采纯量增加很少。若延长抽采时间可导致延误工期，造成抽采工程量浪费。因此矿井应根据煤层瓦斯赋存情况，结合抽采半径测试结果，在满足煤层消突及降低瓦斯涌出量的前提下，综合确定最佳抽采时间。既保障抽采效果，同时降低抽采费用。
2.3.2 抽采负压
为使煤体瓦斯易于流向钻孔，传统的观点认为提高抽采负压可相应提高煤体中瓦斯流动的压力差，从而达到提高煤层瓦斯抽采率的目的。但是，从瓦斯在煤层中的运移情况来看，瓦斯能够在煤体内运移需要两个条件，即压力差和移动通道的存在。前者为瓦斯压力差，构成了瓦斯在煤体中运移的动力，后者则为煤体中存在的裂隙，构成了瓦斯在煤体中运移的通道。所以要增大瓦斯在煤体中的流量，一方面应加大压力差，另一方面应增大煤层的透气性，而提高抽采负压，对煤层中瓦斯压力差的增大是有限的（因为其极限值只能达到0.1Mpa，况且提高抽采负压对抽采设备的要求也有所提高，因而受到一定限制）。相关研究表明，提高负压对煤体透气性的提高也不大。因此，提高抽采负压对钻孔瓦斯涌出量影响不大，抚顺院在鹤壁六矿所做的实验也证实了这一观点，即提高抽采负压对钻孔瓦斯涌出量影响不大。但在瓦斯抽采过程中，应保障各类钻孔抽采负压符合《防治煤与瓦斯突出规定》中的要求。
2.3.3 钻孔直径
钻孔直径对瓦斯抽采效果的影响主要表现在两个方面：一是增大钻孔直径相应增
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淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 大了与煤体的接触面积；二是增大钻孔直径导致钻孔周围煤体的卸压圈增大，因而对瓦斯抽采产生一定的影响，如图2-2所示。但是，这都是有限的。相关理论研究表明，在钻孔抽采前期，孔径大的钻孔抽采瓦斯流量大；而钻孔抽采后期，孔径的大小对瓦斯抽采量影响不大，即可认为，在一定孔径范围内的钻孔，经过一定抽排时间后，不同孔径大小钻孔抽采的瓦斯量基本是相同的。因此，对于短期内需要加快抽排瓦斯的煤层，可适当加大钻孔直径以加快煤层中瓦斯的释放；反之对于长期抽采的煤层（如预抽煤层瓦斯），由于孔径大小对瓦斯抽采量的影响不大，为了减少工程量，节省费用和便于封孔，可采用孔径较小的钻孔进行抽采。抚顺院进行的现场预抽试验研究表明，直径为300mm的钻孔与直径为75mm的钻孔相比较，在抽采期内，大直径钻孔的瓦斯涌出量高于小直径钻孔的瓦斯涌出量；抽采时间相同时，钻孔直径越大，抽采率越高，但抽采率的增长幅度远比直径的增长幅度小，相反，施工难度却增加。一般情况下，结合我国的钻进技术及淮北矿区煤层瓦斯赋存情况，孔径在105~155mm之间较为理想。
2.3.4 钻孔施工及封孔质量
对于顺层钻孔，由于在全煤中施工，很容易造成塌孔、堵孔，因此钻孔施工情况的好坏直接影响到瓦斯抽采结果。顺层钻孔应保证钻孔始终在煤层中，若钻孔施工质量不佳，施工过程中对钻孔方位和倾角控制不准，由于钻孔长度大，钻头在钻进过程中，会发生偏移，钻孔容易进入煤层顶底板，从而减少钻孔有效抽采长度，降低抽采效果。封孔质量的好坏，直接决定着钻孔抽采负压，及抽采流量和浓度。若钻孔的封孔质量不佳，则孔内容易漏风，瓦斯抽采浓度降低，抽采纯量减少。因此，在保证抽采泵站的负压稳定不变的情况下，尽可能地减少开孔位置处漏风量，提高钻孔的封孔质量，增加单孔抽采瓦斯量。
2.3.5 煤体渗透特性
煤层渗透率主要通过煤层透气性系数表达，它对钻孔抽采半径及瓦斯抽采量影响较大，是影响瓦斯抽排钻孔抽排效果最重要的客观因素之一。往往渗透率大的煤层比渗透率小的煤层瓦斯压力及瓦斯流量随抽采时间降低得快。《矿井瓦斯抽放规范AQ1027》中以煤层透气性系数来评价煤层瓦斯抽采难易程度，从目前的技术条件来
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淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 看，只有透气性好的煤层，其抽采效果才好，而提高煤层瓦斯抽采率的一个最主要的方面就是如何提高煤层的透气性。实验表明：煤体透气性变化的主要影响因素有地应力、瓦斯压力。
2.3.6 地应力
瓦斯抽采钻孔施工过程中，钻孔周围应力场便会重新分布，煤体向孔洞方向发生流变、膨胀变形，造成煤体塑性破坏，弹性能得以释放。钻孔周围煤体经历了原始应力、集中应力、峰值应力、残余应力四个过程。钻孔未施工至煤层时，煤体处于原岩应力状态，随着孔洞逐渐形成，孔洞煤体支承压力转移至邻近煤体上，造成邻近区域煤体出现应力集中现象，随着孔洞影响范围的逐步扩大，邻近单元体集中应力高于煤体强度后，煤体发生塑性破坏，不能继续承载较大的应力，集中应力峰值向深部煤体转移，煤体承受的应力逐渐减小，最终低于原岩应力，使煤体卸压。钻孔孔径的大小对煤体应力及塑性区半径影响较大。图2-2是基于拉格朗日快速有限差分程序（FLAC3D）进行数值模拟得出的不同孔径下钻孔周围煤体应力及塑性区分布云图。
FLAC3D 3.00Step 2000 Model Perspective09:46:09 Wed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Dist: 3.015e+001Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017FLAC3D 3.00Step 2000 Model Perspective09:21:09 Wed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Dist: 3.015e+001Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017Contour of SMin Plane: on Magfac = 0.000e+000 Gradient Calculation-1.8948e+007 to -1.8000e+007-1.8000e+007 to -1.6000e+007-1.6000e+007 to -1.4000e+007-1.4000e+007 to -1.2000e+007-1.2000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -8.0000e+006-8.0000e+006 to -6.0000e+006-6.0000e+006 to -4.0000e+006-4.0000e+006 to -2.0000e+006-2.0000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 0.0000e+000 Interval = 2.0e+006Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USABlock State Plane: onNoneshear-n shear-pshear-pItasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA 0.2m孔径应力 0.2m孔径塑性区 FLAC3D 3.00Step 2000 Model Perspective09:49:48 Wed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Dist: 3.015e+001Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017FLAC3D 3.00Step 2000 Model Perspective09:16:29 Wed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Dist: 3.015e+001Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017Contour of SMin Plane: on Magfac = 0.000e+000 Gradient Calculation-1.8099e+007 to -1.6660e+007-1.6660e+007 to -1.4994e+007-1.4994e+007 to -1.3328e+007-1.3328e+007 to -1.1662e+007-1.1662e+007 to -9.9960e+006-9.9960e+006 to -8.3300e+006-8.3300e+006 to -6.6640e+006-6.6640e+006 to -4.9980e+006-4.9980e+006 to -3.3320e+006-3.3320e+006 to -1.6660e+006-1.6660e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 0.0000e+000Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USABlock State Plane: onNoneshear-n shear-pItasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA 0.4m孔径应力 0.4m孔径塑性区
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淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 FLAC3D 3.00Step 2000 Model Perspective09:10:54 Wed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Dist: 3.015e+001Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017FLAC3D 3.00Step 2000 Model Perspective09:14:10 Wed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Dist: 3.015e+001Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017Contour of SMin Plane: on Magfac = 0.000e+000 Gradient Calculation-1.7949e+007 to -1.6000e+007-1.6000e+007 to -1.4000e+007-1.4000e+007 to -1.2000e+007-1.2000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -8.0000e+006-8.0000e+006 to -6.0000e+006-6.0000e+006 to -4.0000e+006-4.0000e+006 to -2.0000e+006-2.0000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 0.0000e+000 Interval = 2.0e+006Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USABlock State Plane: onNoneshear-n shear-pshear-pItasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA 0.6m孔径应力 0.6m孔径塑性区
图2-2 不同孔径下煤体应力分布云图及塑性区范围
数值模拟结果可知，低于原始应力区域的边界至钻孔中心的径向位移表示钻孔卸压影响范围，钻孔周围应力集中位置随孔径增大而远离钻孔。钻孔孔径增加，应力集中区远离钻孔中心，钻孔卸压范围增加。钻孔施工使钻孔周围煤体卸压，钻孔周围煤体裂隙扩展，同时产生次生裂隙，裂隙相互贯通，提供了瓦斯运移通道，大量吸附瓦斯解吸为游离瓦斯并沿裂隙通道向钻孔运移，可显著增加钻孔抽采效果。
以上为钻孔施工过程中钻孔周围煤体的应力变化规律，但通过现场了解应力变化过程中钻孔煤体透气性的变化过程是十分困难的，目前一般通过实验室的模拟实验来了解这一变化过程。实验表明：当瓦斯压力不变时，随着围压（模拟地应力）的增加，渗透率开始下降很快；但是，当围压增至6~7Mpa，渗透率下降非常缓慢。当围压大于10Mpa时，煤样渗透气体量非常小，说明煤体渗透率对地应力十分敏感，即地应力对煤层的渗透率有着重要的影响。因此，为提高现场煤层渗透率，提高瓦斯抽采效果，采用煤层卸压是一项重要措施，这也是现行大多数防治煤与瓦斯突出措施，如预抽煤层瓦斯、开采保护层和水力冲孔等措施中，为提高煤层瓦斯抽采率而广泛采用的方法。
2.3.7 瓦斯压力
瓦斯压力对井下瓦斯在煤层中的运移起着动力源的作用，即在煤体中，只有具备一定压力差的瓦斯才能在煤层中流动。采用地应力不变情况下模拟井下煤层中瓦斯压力的变化对煤体渗透率的影响。实验结果表明，在围压不变时，随着瓦斯压力的升高，开始时，煤样吸附气体量增多，克林伯格效应（气体分子在固体表面上的滑流现象）逐渐增强，导致煤样渗透率的降低；当瓦斯压力超过一定值时，由于煤样对气体的吸
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淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 附随瓦斯压力升高而逐渐达到平衡，克氏效应相对于较大的瓦斯压力消弱了，因而渗透率又有所回升，最终瓦斯压力P与煤样渗透率K间的关系呈“V”形。实验表明：克氏效应只发生在瓦斯压力小于1MPa范围内，因此认为，煤层瓦斯压力低不利于瓦斯抽采的原因，不仅和瓦斯压力低造成抽采范围内形成的压力差小有关，而且还和瓦斯压力低，克氏效应显著，从而造成煤层透气性低有关。因此在预抽煤层瓦斯中，若原始煤层瓦斯压力小于1MPa，则可能对煤层瓦斯抽采不利，抽采效果可能不好。
2.3.8 煤体吸附特性
煤体对瓦斯的吸附对煤的渗透性会产生一定的影响。实验研究表明：对于同一煤样，在相同的条件下，煤吸附气体所呈现的吸附性越强，煤样渗透率越低；而且随着孔隙压力的增大，这种关系越加明显。主要是因为煤的渗透率同煤的孔隙结构和裂隙有关，且只和中孔、大孔以及裂隙有关。由于煤吸附气体后会发生膨胀变形，且吸附气体时的吸附性越强变形量越大，因此，当抽采钻孔周围煤体的围压保持一定无法沿径向产生变形时，微孔隙或微裂隙在吸附气体后所产生的变形必然向内，从而影响中孔和大孔及裂隙的容积，使渗透容积减小；另外，从煤体骨架所受的力来看，由于煤样所受的围压力等于骨架力、吸附应力、气体压力之和，因而在围压力和气体压力保持不变的情况下，吸附应力越大，则骨架所承受应力就越小，因而在同样力的作用下其变形值就越大。煤吸附气体时，气体分子会占据孔道面积，从而使构成渗透的孔截面减小，因而煤的渗透率就降低。渗透率低，往往能保持高的瓦斯压力，而高瓦斯压力低渗透率，会使瓦斯压力梯度增大，这是突出的直接原因之一。
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