工作面瓦斯抽采顺层钻孔压力干扰分析与布孔密度优化方法研究

针对瓦斯预抽钻孔间距优化难题，研究人员开展煤体双孔双渗模型构建与压力干扰效应研究，通过建立考虑基质孔隙游离气渗流、吸附/解吸动态效应及渗透率应力敏感性的数学模型，模拟得出7m钻孔间距在240天抽采期内可实现煤体压力均匀降至安全阈值0.74MPa，为突出煤层瓦斯高效抽采提供了理论依据与工程优化方案。

　　

随着我国煤矿开采深度的不断增加，煤与瓦斯突出灾害防治面临严峻挑战。瓦斯预抽作为最有效的区域性防突措施，其核心在于通过钻孔网络降低煤层瓦斯压力和含量。然而，传统钻孔布置方式存在明显缺陷：钻孔间距过密会增加施工成本，过疏则会导致抽采盲区，未能有效利用钻孔间的压力干扰效应。更关键的是，现有理论模型多忽略煤基质孔隙中游离气的渗流贡献，且未能充分考虑煤层割理系统的渗透率各向异性特征，导致抽采效果预测与实际偏差较大。

针对这些难题，辽宁工程技术大学力学与工程学院的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究成果。他们通过建立考虑基质-裂隙双系统耦合运移的瓦斯抽采数学模型，结合山西沙曲矿24207工作面的地质条件，系统分析了不同钻孔间距下的压力传播规律，为优化瓦斯抽采工程设计提供了重要理论支撑。

本研究主要采用四大关键技术方法：一是构建双孔双渗数学模型，整合了Darcy渗流、Fick扩散、Langmuir等温吸附方程及Palmer-Mansoori应力敏感模型；二是基于沙曲矿24207工作面真实地质参数（煤层厚度4.17m、埋深454.2m、初始瓦斯压力0.92MPa）建立全尺寸三维地质模型；三是采用有限差分法进行多场景数值模拟，对比分析6m、7m、8m三种钻孔间距在120-240天抽采期内的压力演化规律；四是以0.74MPa安全压力阈值为判据，评估有效抽采半径与钻孔干扰效应。样本来源于沙曲矿现场实测数据。

3.1 工程背景介绍

以沙曲矿24207工作面为工程背景，该工作面采用顺层钻孔、裂隙带高位钻孔、大直径钻孔等多种抽采方式。工作面倾斜长240m，走向长1560m，主采3+4号合并煤层，平均厚度4.17m，初始瓦斯压力0.92MPa，属于典型突出煤层。

3.2 工作面模型建立

建立60×400×10网格的三维地质模型，考虑面割理与端割理渗透率各向异性（初始面割理渗透率8.75×10^-5mD，端割理5.83×10^-5mD），采用定产量内边界与封闭外边界条件，模拟60-240天抽采过程。

3.3 6m钻孔间距抽采模拟

518个钻孔模拟显示：120天时钻孔附近压力降至0.736MPa，240天降至0.680MPa。三维压力云图呈现"倒书本状"分布，钻孔间压力干扰显著，但钻孔过密导致经济性不佳。

4 顺层钻孔间距优化讨论

4.1 8m间距抽采分析

388个钻孔模拟表明：240天时钻孔压力仍高达0.773MPa（＞0.74MPa），四孔包围区压力达0.786MPa，压力降不均匀，需延长抽采时间。

4.2 7m间距抽采分析

442个钻孔呈现最优效果：240天时钻孔压力降至0.738MPa，四孔包围区压力仅高0.005MPa（0.743MPa），压力降均匀且完全达标。三维压力云图显示"手风琴状"分布特征。

4.3 三种方案对比

对比分析表明：7m间距的压力极差仅0.005MPa，显著低于6m（0.007MPa）和8m（0.011MPa）方案。抽采量曲线验证双孔双渗模型比传统单渗模型更符合现场数据，考虑割理各向异性后模拟精度提升13%。

研究结论表明：通过双孔双渗模型精准表征了瓦斯在基质孔隙与裂隙系统中的耦合运移规律；揭示了钻孔间压力干扰形成"涡旋状"压力场的机理；首次发现当钻孔间距与孔端距相等时（7m方案），压力降最均匀且干扰效应最强。该研究创新性地将基质游离气渗流纳入"黑油模型"，提高了产气量预测精度，为突出煤层瓦斯抽采钻孔优化提供了量化设计依据，对实现抽采-开采时空协同具有重要意义。