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[摘要]为了对潞安集团常村矿3号煤层本煤层抽采有效半径进行测定，本文基于煤层瓦斯流动气固耦合数学模型，利用FLAC3D数值模拟软件，对抽采过程中的瓦斯流动状况进行模拟，采用瓦斯压降指标法确定了该矿的瓦斯抽采有效半径及影响半径，并进行现场实践压力测量，现场测量数据与模拟数据基本一致。模拟结果与现场结果显示：在抽采30天左右时的有效半径为r<1.2m，影响半径为1.2m [关键词]压降指标 瓦斯抽采 有效半径
中图分类号： TD7131 文献标志码： A 文章编号
0引言
矿井瓦斯灾害事故频发，严重阻碍煤炭行业的健康发展。治理瓦斯的根本理念就是减少煤层中的瓦斯含量，从而降低煤层瓦斯孔隙压力，避免瓦斯动力现象的发生，并且减少正常采掘过程中的瓦斯解吸量及涌出量。本煤层瓦斯抽采是目前降低煤层瓦斯含量最有效的手段之一。然而，确定合理的抽采半径不仅能够达到降低瓦斯含量的目的，并且能够避免重叠抽放，降低抽放成本，提高抽放效率。
根据《煤矿安全规程》的规定，预抽煤层瓦斯后，预抽率必须达到30%以上，即原始煤层瓦斯含量必须降低30%才能算达到瓦斯预抽的目的。因此，目前瓦斯抽采后进行抽放效果检验时多采用瓦斯含量指标。但是目前煤层瓦斯含量测定技术存在着诸多问题，取样过程中瓦斯损失量预测一直采用经验公式进行计算，但是真实的损失量随着取样方式、取样时间、钻孔温度以及钻孔扰动等等多种因素有关，造成含量测定的误差，因此不同的条件下测的同一点的瓦斯含量也不尽相同。
瓦斯压力即能在误差允许范围内反映瓦斯含量的大小，并且瓦斯压力作为引起瓦斯动力灾害发生的重要因素，以其为确定瓦斯抽放效果的指标，也能够在一定程度上反映抽采对瓦斯动力灾害治理的控制性强弱。因此本文通过先关计算，推到瓦斯流动气固耦合模型，用FLAC 3D数值模拟软件，对于瓦斯抽采过程中瓦斯压力及含量的变化进行数值模拟，得到瓦斯抽采的有效及影响半径。并通过现场施工测试的数据对模拟结果进行验证。
1测定原理及气固耦合模型建立
1.1压降法测定原理
规定要求：钻孔的有效半径是达到规定即瓦斯预抽率大于30%的要求，即：
在保证工业应用误差允许前提下， 煤层中的瓦斯压力 p和瓦斯含量 X 存在着一个抛物线关系， 煤层瓦斯含量
因此，只有当瓦斯残存压力小于原始压力的51%时才能满足规定要求，即：
因此，确定钻孔抽采影响半径的指标为瓦斯压力下降49%以上，确定抽采有效半径的指标为瓦斯压力下降51%以上。
1.2气固耦合模型建立
钻孔抽采瓦斯通过在钻孔孔壁的负压边界，使得原始煤层压力与钻孔负压之间形成的压力梯度，从而驱使煤层瓦斯涌向钻孔。瓦斯在煤层的流动是一个气体流场和固体变形场复杂的耦合过程，依据多孔介质弹性理论，含吸附作用的煤的本构方程变为：
式中， 为剪切模量， 为正应力分量， 为孔隙压力， 为 Langmuir 体积应变； （MPa-1）为吸附常数； 为Kronecker符号， 为Biot系数， ， 为煤的体积模量， 为煤基质的体积模量， 为应力张量的分量； 为体力的分量。
假设瓦斯在煤层中的流动遵从Darcy定律，故瓦斯流动方程为，
式中， 为煤体孔隙率； 为煤体渗透率； 为瓦斯动粘性系数；φ为孔隙度；a，b为吸附常数，单位分别为m3/t、Pa-1； T为煤体温度，K；p、p0分别为煤层气体压力和初始煤层气体压力，Pa；
2模拟计算
FLAC（Fast Lagrange Analysis of Continua）是應用于采矿领域的大型专业软件，主要适用模拟计算地质材料的力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流动。FLAC还可以进行力、热、流两相或多相耦合模拟，可以用来解决采矿中瓦斯、地下水渗流等特殊问题。应用FLAC3D研究流-固两相耦合问题时，流动建模既可以由其本身完成，也可以同力学建模并行完成，以便获得流-固耦合的效果。
2.1 几何模型建立及相关参数确定
（1）几何模型的见建立
数值模型以常村矿试验区3号煤层赋存条件为基础建立，数值模型尺寸尽可能按照现场实际尺寸确定，模型中各岩层位置关系按实际地质条件建立。模型共划分网格单元26400个，节点28245个。水平向右为X轴方向，沿煤层走向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，整个模型范围大小为20m×30m×16m。模型中钻孔直径为Φ94mm。
（2）物理力学参数
试验区3#煤层厚度5.7～7.3米，平均6.13米，含夹矸1层，平均厚度为0.15米。煤层结构为4.36（0.15）1.62。煤层直接顶为细砂岩，平均厚度为2.8m，老顶为粉砂岩，平均厚度为3.63m，直接底为粉砂岩，平均厚度为1.7m，老底为细砂岩，平均厚度为3.2m。
3现场验证
3.1方案设计
为了对压降指标法的上述模拟效果进行验证，现选取常村矿+470m水平东翼输送机大巷机头行人通道一段没有施工过预抽瓦斯措施孔的煤壁作为测定地点，在该位置共施工了两个测压钻孔，编号为1#孔和2#孔，两孔沿同一水平线布置，相距2.7m，孔深均为20m，封孔深度均为15m，都是先选用Φ65mm的风钻在煤层中钻进20m，然后再用Φ75mm的钻头扩孔15m而成。在在1#和2#测压孔一个水平方向布置三个抽放孔，三个抽放孔施工顺序是：先布置抽放孔1#，并进行抽放作业，作业时间是30天，观察测压孔1#、2#压力变化。然后降抽放孔1#堵死，进行施工抽放孔2#、3#，同时抽放30天，观察测压孔1#、2#压力变化。
3.2测试结果及分析
（1）1#号孔抽采时
抽采时间为三十天左右。可以看出，在1#抽采孔抽采负压为8～9kPa、抽采时间为30d的条件下，1#测压孔的瓦斯压力由原来的0.60MPa下将到0.45MPa，下降了25%；而2#测压孔的瓦斯压力由原来的0.50MPa下降到0.45MPa，仅下降了10%。1#测压孔瓦斯压力下降了25%，大于19%，说明有效抽采半径r<1.2m。而2#测压孔瓦斯压力下降了10%，小于19%。说明抽采影响半径1.2m （2）2#与3#孔抽采时
将2#抽采孔接入抽采系统后，在相同的抽采负压下，经过10d的抽采，1#测压孔瓦斯压力又由之前的0.45MPa下降为0.05 MPa，下降了88.9%， 2#测压孔瓦斯压力基本无变化。
可以看出，在2#抽采孔抽采负压为8～9kPa、抽采时间为10d的条件下，1#测压孔瓦斯压力下降了88.9%，说明有效抽采半径r>1.0m。将3#抽采孔接入抽采系统后，在相同的抽采负压下，经过10d的抽采，2#测压孔瓦斯压力基本无变化，说明抽放影响半径r<2.0m。
4结论
（1）基于煤层瓦斯流动气固耦合数学模型，对常村矿3号煤层瓦斯抽采过程进行数值，利用压降指标法确定该煤层在抽采30天左右的有效半径为r<1.2m，影响半径为1.2m （2）相对瓦斯含量指标法，压降指标法确定有效半径及影响半径具有测量准确，操作性强等有点。
参考文献
[1] 国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局煤矿安全规程[M]北京： 煤炭工业出版社，2010.
[2] 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，1998
中图分类号： TD7131 文献标志码： A 文章编号
0引言
矿井瓦斯灾害事故频发，严重阻碍煤炭行业的健康发展。治理瓦斯的根本理念就是减少煤层中的瓦斯含量，从而降低煤层瓦斯孔隙压力，避免瓦斯动力现象的发生，并且减少正常采掘过程中的瓦斯解吸量及涌出量。本煤层瓦斯抽采是目前降低煤层瓦斯含量最有效的手段之一。然而，确定合理的抽采半径不仅能够达到降低瓦斯含量的目的，并且能够避免重叠抽放，降低抽放成本，提高抽放效率。
根据《煤矿安全规程》的规定，预抽煤层瓦斯后，预抽率必须达到30%以上，即原始煤层瓦斯含量必须降低30%才能算达到瓦斯预抽的目的。因此，目前瓦斯抽采后进行抽放效果检验时多采用瓦斯含量指标。但是目前煤层瓦斯含量测定技术存在着诸多问题，取样过程中瓦斯损失量预测一直采用经验公式进行计算，但是真实的损失量随着取样方式、取样时间、钻孔温度以及钻孔扰动等等多种因素有关，造成含量测定的误差，因此不同的条件下测的同一点的瓦斯含量也不尽相同。
瓦斯压力即能在误差允许范围内反映瓦斯含量的大小，并且瓦斯压力作为引起瓦斯动力灾害发生的重要因素，以其为确定瓦斯抽放效果的指标，也能够在一定程度上反映抽采对瓦斯动力灾害治理的控制性强弱。因此本文通过先关计算，推到瓦斯流动气固耦合模型，用FLAC 3D数值模拟软件，对于瓦斯抽采过程中瓦斯压力及含量的变化进行数值模拟，得到瓦斯抽采的有效及影响半径。并通过现场施工测试的数据对模拟结果进行验证。
1测定原理及气固耦合模型建立
1.1压降法测定原理
规定要求：钻孔的有效半径是达到规定即瓦斯预抽率大于30%的要求，即：
在保证工业应用误差允许前提下， 煤层中的瓦斯压力 p和瓦斯含量 X 存在着一个抛物线关系， 煤层瓦斯含量
因此，只有当瓦斯残存压力小于原始压力的51%时才能满足规定要求，即：
因此，确定钻孔抽采影响半径的指标为瓦斯压力下降49%以上，确定抽采有效半径的指标为瓦斯压力下降51%以上。
1.2气固耦合模型建立
钻孔抽采瓦斯通过在钻孔孔壁的负压边界，使得原始煤层压力与钻孔负压之间形成的压力梯度，从而驱使煤层瓦斯涌向钻孔。瓦斯在煤层的流动是一个气体流场和固体变形场复杂的耦合过程，依据多孔介质弹性理论，含吸附作用的煤的本构方程变为：
式中， 为剪切模量， 为正应力分量， 为孔隙压力， 为 Langmuir 体积应变； （MPa-1）为吸附常数； 为Kronecker符号， 为Biot系数， ， 为煤的体积模量， 为煤基质的体积模量， 为应力张量的分量； 为体力的分量。
假设瓦斯在煤层中的流动遵从Darcy定律，故瓦斯流动方程为，
式中， 为煤体孔隙率； 为煤体渗透率； 为瓦斯动粘性系数；φ为孔隙度；a，b为吸附常数，单位分别为m3/t、Pa-1； T为煤体温度，K；p、p0分别为煤层气体压力和初始煤层气体压力，Pa；
2模拟计算
FLAC（Fast Lagrange Analysis of Continua）是應用于采矿领域的大型专业软件，主要适用模拟计算地质材料的力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流动。FLAC还可以进行力、热、流两相或多相耦合模拟，可以用来解决采矿中瓦斯、地下水渗流等特殊问题。应用FLAC3D研究流-固两相耦合问题时，流动建模既可以由其本身完成，也可以同力学建模并行完成，以便获得流-固耦合的效果。
2.1 几何模型建立及相关参数确定
（1）几何模型的见建立
数值模型以常村矿试验区3号煤层赋存条件为基础建立，数值模型尺寸尽可能按照现场实际尺寸确定，模型中各岩层位置关系按实际地质条件建立。模型共划分网格单元26400个，节点28245个。水平向右为X轴方向，沿煤层走向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，整个模型范围大小为20m×30m×16m。模型中钻孔直径为Φ94mm。
（2）物理力学参数
试验区3#煤层厚度5.7～7.3米，平均6.13米，含夹矸1层，平均厚度为0.15米。煤层结构为4.36（0.15）1.62。煤层直接顶为细砂岩，平均厚度为2.8m，老顶为粉砂岩，平均厚度为3.63m，直接底为粉砂岩，平均厚度为1.7m，老底为细砂岩，平均厚度为3.2m。
3现场验证
3.1方案设计
为了对压降指标法的上述模拟效果进行验证，现选取常村矿+470m水平东翼输送机大巷机头行人通道一段没有施工过预抽瓦斯措施孔的煤壁作为测定地点，在该位置共施工了两个测压钻孔，编号为1#孔和2#孔，两孔沿同一水平线布置，相距2.7m，孔深均为20m，封孔深度均为15m，都是先选用Φ65mm的风钻在煤层中钻进20m，然后再用Φ75mm的钻头扩孔15m而成。在在1#和2#测压孔一个水平方向布置三个抽放孔，三个抽放孔施工顺序是：先布置抽放孔1#，并进行抽放作业，作业时间是30天，观察测压孔1#、2#压力变化。然后降抽放孔1#堵死，进行施工抽放孔2#、3#，同时抽放30天，观察测压孔1#、2#压力变化。
3.2测试结果及分析
（1）1#号孔抽采时
抽采时间为三十天左右。可以看出，在1#抽采孔抽采负压为8～9kPa、抽采时间为30d的条件下，1#测压孔的瓦斯压力由原来的0.60MPa下将到0.45MPa，下降了25%；而2#测压孔的瓦斯压力由原来的0.50MPa下降到0.45MPa，仅下降了10%。1#测压孔瓦斯压力下降了25%，大于19%，说明有效抽采半径r<1.2m。而2#测压孔瓦斯压力下降了10%，小于19%。说明抽采影响半径1.2m
将2#抽采孔接入抽采系统后，在相同的抽采负压下，经过10d的抽采，1#测压孔瓦斯压力又由之前的0.45MPa下降为0.05 MPa，下降了88.9%， 2#测压孔瓦斯压力基本无变化。
可以看出，在2#抽采孔抽采负压为8～9kPa、抽采时间为10d的条件下，1#测压孔瓦斯压力下降了88.9%，说明有效抽采半径r>1.0m。将3#抽采孔接入抽采系统后，在相同的抽采负压下，经过10d的抽采，2#测压孔瓦斯压力基本无变化，说明抽放影响半径r<2.0m。
4结论
（1）基于煤层瓦斯流动气固耦合数学模型，对常村矿3号煤层瓦斯抽采过程进行数值，利用压降指标法确定该煤层在抽采30天左右的有效半径为r<1.2m，影响半径为1.2m
参考文献
[1] 国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局煤矿安全规程[M]北京： 煤炭工业出版社，2010.
[2] 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，1998