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[摘 要]为了使交叉钻孔既能提高煤层的透气性，又能尽量节约成本，对试验巷道交叉钻孔的孔间距进行了研究，在同一试验巷道中布置2.0，2.5，3.0m三组不同孔间距的交叉钻孔，综合考察各组钻孔的预抽瓦斯效果，结果表明：孔间距为2.0和2.5 m的交叉钻孔的预抽效果要好于孔间距为3.0 m的交叉钻孔， 从而确定了试验巷道所在煤层的交叉钻孔的合理孔间距为 2.0～2.5 m。
[关键词]交叉钻孔 透气性 预抽效果 合理孔间距
中图分类号：TG51 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）04-0021-02
平行钻孔、交叉钻孔和大直径钻孔是提高本煤层瓦斯抽放率常用的措施。多个矿的试验结果表明，交叉钻孔是比较有效的预抽本煤层瓦斯技术。但在不同矿区的不同地质条件下，交叉钻孔的间距并不相同。因此很有必要研究交叉钻孔的孔间距对瓦斯抽放量和预抽率的影响并优化抽放参数。
1、试验工作面概况
试验工作面为大河边煤矿 N4131 回采工作面，该回采工作面走向长 460 m，倾斜长 130 m，煤层总厚度为 4.2 m，上层煤厚 1.3～1.8 m，下层煤厚2.0～2.4 m，2层煤之间含有平均厚度 0.2～0.4m的夹矸。煤层走向大致呈北60—80°西，倾角11～17°。地面标高为+ 240m，工作面标高为- 381—- 452 m，开采垂深为 620～750m。煤层直接顶为厚约3m的砂质泥岩，基本顶为厚7m以上的细中粒砂岩； 直接底板为 2 m厚的夹矸，基本底为20m 厚的灰色砂质泥岩。煤层瓦斯含量11.38m3/ t，煤层透气性系数为1.356987 5×10- 7m2/ （MPa2·d），有煤与瓦斯突出危险。
2、试验工作面预抽钻孔布置
沿工作面回风巷由外向里200m的试验段布置了共90个交叉钻孔 （45个平行孔，45个斜向孔 ）预抽煤层瓦斯，钻孔总7368.30m，平均单孔长度为 81.87m。为了测试不同孔间距的钻孔预抽效果，布置了钻孔孔口水平投影间距分别为 2.0，2.5，3.0m的3组交叉钻孔，每组30个，组间距30m。交叉钻孔由平行钻孔和斜向钻孔组成。平行钻孔直径 75mm，开孔位置距离煤层底板0.8钻进方向垂直于回风巷，钻孔长度80～90m； 斜向钻孔的孔径为75mm，开孔位置距离煤层底板1.2m，钻进方向与回风巷的夹角为68°，钻孔长度85～95 m。封孔方式全部为聚氨酯封孔法，封孔长度1m，封孔深度为5m。单孔抽放管径为 25mm，材质为抗静电阻燃塑料。
3、交叉钻孔自然瓦斯涌出量 q与时间关系
可以表明钻孔自然瓦斯涌出特征的参数有2个，即钻孔自然初始瓦斯涌出强度 q0和钻孔自然瓦斯流量衰减系数 a。q0随钻孔自然涌出瓦斯时间t的衰减规律为：
通过对式（1）两端同时积分，可以得到任意时间 t内，钻孔自然涌出总量Qt：
其中 Qj为 t→∞ 时的百米钻孔极限瓦斯涌出总量（m3）。通过对测定数据的分析，由式 （1） — 式（3）中得出不同间距交叉钻孔在不同时間的钻孔平均百米瓦斯自然涌出量随时间的衰减规律。图1为该工作面不同孔间距的交叉钻孔百米钻孔自然瓦斯涌出量特征曲线（见表1）。
由图 1可得出以下结论：
1） 在试验工作面内，钻孔直径和布孔方式相同的情况下，交叉钻孔孔间距由2 m增加到3 m，百米钻孔极限瓦斯涌出总量从5760 m3降低到2713 m3，前者是后者的2.12倍，涌出量相差悬殊。这说明试验工作面所在煤层交叉钻孔的孔间距对瓦斯的涌出量影响很大。孔间距由 2.0m增加到2.5m，百米钻孔极限瓦斯涌出量从5760m3降低到4343m3，前者是后者的1.32倍，涌出量相差相对较小，这说明了试验工作面所在煤层的交叉钻孔较合理的孔间距为 2.0～2.5m。
2） 孔间距为2.0和2.5m的交叉钻孔的百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数分别为0.011 7和0.012 4 d-1，两者很接近。而孔间距为3.0m的交叉钻孔的衰减系数为0.0156d-1，是前面2种孔间距衰减系数的1.25～1.30倍。这说明孔间距为2.0～2.5m时，钻孔已经形成交叉重叠效应，由于应力的空间叠加，钻孔的破坏区体积和连通性增大，煤层透气性增强。
3） 交叉钻孔百米钻孔自然瓦斯涌出量在一定时间内突然增加，可能是个别钻孔处在瓦斯富集区，打钻过程中出现喷孔造成的。
4、试验区钻孔瓦斯抽放量随时间的变化
可以表明钻孔瓦斯抽放量随时间变化规律的特征参数有2个，即钻孔初始瓦斯抽放流量qc0和钻孔瓦斯抽放流量衰减系数b。计算每100m钻孔平均瓦斯抽放纯流量qc，并结合组内钻孔的平均抽放时间t形成测定数组（t，qct）。qc0和b值可根据（t，qct）并按下式回归分析求得
其中qct为经过t的百米钻孔平均瓦斯抽放流量，m3/（min·hm）。通过对式 （4） 两端同时积分，可以得到任意时间t内钻孔瓦斯抽放总量 Qct ：
其中 Qcj为 t→∞ 时的百米钻孔极限瓦斯抽放总
量，m3。不同孔间距的交叉钻孔，百米钻孔平均瓦斯抽放量随时间的变化曲线（如图2）。
由图 2可以得出以下结论：
1） 试验工作面的3组不同孔间距的交叉钻孔百米钻孔平均瓦斯抽放流量和极限抽放总量有如下关系： 随着交叉钻孔的孔间距增加，百米钻孔平均初始瓦斯抽放流量和极限瓦斯抽放总量都逐渐减小。这种现象与交叉钻孔密度增加对钻孔周边煤体的卸压范围、卸压程度、瓦斯涌出速度以及瓦斯补给的控制作用增强是一致的。
2） 百米钻孔瓦斯抽放流量衰减系数随着交叉钻孔孔间距的增加逐渐增大，最小为 0.0114d- 1，最大为0.0192d- 1，平均为0.01483d- 1，说明该工作面所在煤层具备很高的本煤层抽放可行性。同时，也说明了试验工作面所在煤层交叉钻孔的孔间距越小，钻孔周围破坏区的连通性越好，钻孔控制区内煤层的透气性越高，衰减速度越小。 3） 百米钻孔的瓦斯极限抽放总量与极限涌出总量之间存在较大差距。孔间距为3.0m的交叉钻孔，百米钻孔瓦斯极限涌出总量为2713m3，极限瓦斯抽放总量为2527m3，相差192m3； 孔间距为2.0m的交叉钻孔，百米钻孔瓦斯极限涌出总量为5760m3，极限瓦斯抽放总量为5141m3，相差619m3。孔间距越小，抽放损失量越大。这说明2个问题：①叉钻孔孔间距的减小在增加煤层透气性的同时，也加剧了孔口所在煤壁表面的破裂，交叉钻孔控制区内涌出的瓦斯直接从煤壁裂隙排放到钻场所在巷道。②钻孔封孔的不严密也可能导致钻孔控制区内涌出的瓦斯没有进入抽放管道，而是沿着钻孔及钻孔周围的裂隙涌入钻场所在的巷道内。
5、不同交叉钻孔密度下预抽率与时间关系
在预抽方式一定时，预抽钻孔实际瓦斯抽放率主要受煤层透气性系数、百米钻孔初始抽放量、钻孔瓦斯抽放流量衰减系数、钻孔密度、钻孔长度和煤层原始瓦斯含量等因素影响。预抽钻孔实际瓦斯抽放率η由下式确定：
式中 L1— — — 预抽钻孔平均单孔长度，m；
N— — — 预抽钻孔布孔方式系数，
回风巷或进风巷单向布孔时，N=1，
回风巷和进风巷双向布孔时，N=2；
Q0— — — 煤层原始瓦斯含量，取11.38m3/t ；
M— — — 煤层厚度，取4.2m；
C— — — 预抽钻孔间距，m；
L— — — 工作面长度，m；
d— — — 巷道煤壁瓦斯排放带宽度，取20m；
γ— — — 煤的密度，取1.3t/m3。
图3为在不同交叉钻孔密度下预抽率与时间的关系曲线，图中的各散点所对应的预抽率是根据不同抽放时间内的钻孔累计抽放量用式（7）计算得出的。
图3 不同交叉钻孔密度下预抽率与时间关系曲线
由图 3可以得出以下结论： ①在试验工作面内，抽放时间相同时，交叉钻孔孔间距越小，预抽率越高； 要达到相同的预抽率，孔间距大的钻孔所需时间长，孔间距小的钻孔所需时间短。② 预抽率随时间的增加有整体增长的趋势，但是增长的速度逐渐减小；对一定孔间距的交叉钻孔而言，抽放时间达到某一值时，预抽率趋于一个定值。
6、结语
1） 通过对 2.0，2.5，3.0 m三组不同孔间距的交叉钻孔的预抽瓦斯效果进行考察，孔间距为2.0和2.5 m的交叉钻孔百米钻孔瓦斯涌出量、极限抽放总量和预抽率均远高于孔间距为3.0 m的交叉钻孔，从而确定了试验工作面所在煤层交叉钻孔的合理孔间距为2.0～2.5m。
2） 由于试验工作面瓦斯极限抽放总量均小于极限涌出总量，所以应从2方面加强管理： 一方面，提高钻孔施工质量，钻孔定向定位准确，形成应力的空间交叉重叠，保证煤体充分卸压，同时防止煤壁过度破碎而形成漏气裂隙。另一面，提高封孔質量或改用更为有效的封孔方式，防止钻孔漏气，从而进一步提高钻孔的瓦斯抽放量和预抽率。
参考文献
[1] 张荣立，何国纬，李铎.采矿工程设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.
[2] 林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.
[3] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.
[4] 秦玉金，焉德斌，李涛，等.芹池煤矿3#煤层合理预抽方式考察[J].煤炭安全，2008（5）.
[关键词]交叉钻孔 透气性 预抽效果 合理孔间距
中图分类号：TG51 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）04-0021-02
平行钻孔、交叉钻孔和大直径钻孔是提高本煤层瓦斯抽放率常用的措施。多个矿的试验结果表明，交叉钻孔是比较有效的预抽本煤层瓦斯技术。但在不同矿区的不同地质条件下，交叉钻孔的间距并不相同。因此很有必要研究交叉钻孔的孔间距对瓦斯抽放量和预抽率的影响并优化抽放参数。
1、试验工作面概况
试验工作面为大河边煤矿 N4131 回采工作面，该回采工作面走向长 460 m，倾斜长 130 m，煤层总厚度为 4.2 m，上层煤厚 1.3～1.8 m，下层煤厚2.0～2.4 m，2层煤之间含有平均厚度 0.2～0.4m的夹矸。煤层走向大致呈北60—80°西，倾角11～17°。地面标高为+ 240m，工作面标高为- 381—- 452 m，开采垂深为 620～750m。煤层直接顶为厚约3m的砂质泥岩，基本顶为厚7m以上的细中粒砂岩； 直接底板为 2 m厚的夹矸，基本底为20m 厚的灰色砂质泥岩。煤层瓦斯含量11.38m3/ t，煤层透气性系数为1.356987 5×10- 7m2/ （MPa2·d），有煤与瓦斯突出危险。
2、试验工作面预抽钻孔布置
沿工作面回风巷由外向里200m的试验段布置了共90个交叉钻孔 （45个平行孔，45个斜向孔 ）预抽煤层瓦斯，钻孔总7368.30m，平均单孔长度为 81.87m。为了测试不同孔间距的钻孔预抽效果，布置了钻孔孔口水平投影间距分别为 2.0，2.5，3.0m的3组交叉钻孔，每组30个，组间距30m。交叉钻孔由平行钻孔和斜向钻孔组成。平行钻孔直径 75mm，开孔位置距离煤层底板0.8钻进方向垂直于回风巷，钻孔长度80～90m； 斜向钻孔的孔径为75mm，开孔位置距离煤层底板1.2m，钻进方向与回风巷的夹角为68°，钻孔长度85～95 m。封孔方式全部为聚氨酯封孔法，封孔长度1m，封孔深度为5m。单孔抽放管径为 25mm，材质为抗静电阻燃塑料。
3、交叉钻孔自然瓦斯涌出量 q与时间关系
可以表明钻孔自然瓦斯涌出特征的参数有2个，即钻孔自然初始瓦斯涌出强度 q0和钻孔自然瓦斯流量衰减系数 a。q0随钻孔自然涌出瓦斯时间t的衰减规律为：
通过对式（1）两端同时积分，可以得到任意时间 t内，钻孔自然涌出总量Qt：
其中 Qj为 t→∞ 时的百米钻孔极限瓦斯涌出总量（m3）。通过对测定数据的分析，由式 （1） — 式（3）中得出不同间距交叉钻孔在不同时間的钻孔平均百米瓦斯自然涌出量随时间的衰减规律。图1为该工作面不同孔间距的交叉钻孔百米钻孔自然瓦斯涌出量特征曲线（见表1）。
由图 1可得出以下结论：
1） 在试验工作面内，钻孔直径和布孔方式相同的情况下，交叉钻孔孔间距由2 m增加到3 m，百米钻孔极限瓦斯涌出总量从5760 m3降低到2713 m3，前者是后者的2.12倍，涌出量相差悬殊。这说明试验工作面所在煤层交叉钻孔的孔间距对瓦斯的涌出量影响很大。孔间距由 2.0m增加到2.5m，百米钻孔极限瓦斯涌出量从5760m3降低到4343m3，前者是后者的1.32倍，涌出量相差相对较小，这说明了试验工作面所在煤层的交叉钻孔较合理的孔间距为 2.0～2.5m。
2） 孔间距为2.0和2.5m的交叉钻孔的百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数分别为0.011 7和0.012 4 d-1，两者很接近。而孔间距为3.0m的交叉钻孔的衰减系数为0.0156d-1，是前面2种孔间距衰减系数的1.25～1.30倍。这说明孔间距为2.0～2.5m时，钻孔已经形成交叉重叠效应，由于应力的空间叠加，钻孔的破坏区体积和连通性增大，煤层透气性增强。
3） 交叉钻孔百米钻孔自然瓦斯涌出量在一定时间内突然增加，可能是个别钻孔处在瓦斯富集区，打钻过程中出现喷孔造成的。
4、试验区钻孔瓦斯抽放量随时间的变化
可以表明钻孔瓦斯抽放量随时间变化规律的特征参数有2个，即钻孔初始瓦斯抽放流量qc0和钻孔瓦斯抽放流量衰减系数b。计算每100m钻孔平均瓦斯抽放纯流量qc，并结合组内钻孔的平均抽放时间t形成测定数组（t，qct）。qc0和b值可根据（t，qct）并按下式回归分析求得
其中qct为经过t的百米钻孔平均瓦斯抽放流量，m3/（min·hm）。通过对式 （4） 两端同时积分，可以得到任意时间t内钻孔瓦斯抽放总量 Qct ：
其中 Qcj为 t→∞ 时的百米钻孔极限瓦斯抽放总
量，m3。不同孔间距的交叉钻孔，百米钻孔平均瓦斯抽放量随时间的变化曲线（如图2）。
由图 2可以得出以下结论：
1） 试验工作面的3组不同孔间距的交叉钻孔百米钻孔平均瓦斯抽放流量和极限抽放总量有如下关系： 随着交叉钻孔的孔间距增加，百米钻孔平均初始瓦斯抽放流量和极限瓦斯抽放总量都逐渐减小。这种现象与交叉钻孔密度增加对钻孔周边煤体的卸压范围、卸压程度、瓦斯涌出速度以及瓦斯补给的控制作用增强是一致的。
2） 百米钻孔瓦斯抽放流量衰减系数随着交叉钻孔孔间距的增加逐渐增大，最小为 0.0114d- 1，最大为0.0192d- 1，平均为0.01483d- 1，说明该工作面所在煤层具备很高的本煤层抽放可行性。同时，也说明了试验工作面所在煤层交叉钻孔的孔间距越小，钻孔周围破坏区的连通性越好，钻孔控制区内煤层的透气性越高，衰减速度越小。 3） 百米钻孔的瓦斯极限抽放总量与极限涌出总量之间存在较大差距。孔间距为3.0m的交叉钻孔，百米钻孔瓦斯极限涌出总量为2713m3，极限瓦斯抽放总量为2527m3，相差192m3； 孔间距为2.0m的交叉钻孔，百米钻孔瓦斯极限涌出总量为5760m3，极限瓦斯抽放总量为5141m3，相差619m3。孔间距越小，抽放损失量越大。这说明2个问题：①叉钻孔孔间距的减小在增加煤层透气性的同时，也加剧了孔口所在煤壁表面的破裂，交叉钻孔控制区内涌出的瓦斯直接从煤壁裂隙排放到钻场所在巷道。②钻孔封孔的不严密也可能导致钻孔控制区内涌出的瓦斯没有进入抽放管道，而是沿着钻孔及钻孔周围的裂隙涌入钻场所在的巷道内。
5、不同交叉钻孔密度下预抽率与时间关系
在预抽方式一定时，预抽钻孔实际瓦斯抽放率主要受煤层透气性系数、百米钻孔初始抽放量、钻孔瓦斯抽放流量衰减系数、钻孔密度、钻孔长度和煤层原始瓦斯含量等因素影响。预抽钻孔实际瓦斯抽放率η由下式确定：
式中 L1— — — 预抽钻孔平均单孔长度，m；
N— — — 预抽钻孔布孔方式系数，
回风巷或进风巷单向布孔时，N=1，
回风巷和进风巷双向布孔时，N=2；
Q0— — — 煤层原始瓦斯含量，取11.38m3/t ；
M— — — 煤层厚度，取4.2m；
C— — — 预抽钻孔间距，m；
L— — — 工作面长度，m；
d— — — 巷道煤壁瓦斯排放带宽度，取20m；
γ— — — 煤的密度，取1.3t/m3。
图3为在不同交叉钻孔密度下预抽率与时间的关系曲线，图中的各散点所对应的预抽率是根据不同抽放时间内的钻孔累计抽放量用式（7）计算得出的。
图3 不同交叉钻孔密度下预抽率与时间关系曲线
由图 3可以得出以下结论： ①在试验工作面内，抽放时间相同时，交叉钻孔孔间距越小，预抽率越高； 要达到相同的预抽率，孔间距大的钻孔所需时间长，孔间距小的钻孔所需时间短。② 预抽率随时间的增加有整体增长的趋势，但是增长的速度逐渐减小；对一定孔间距的交叉钻孔而言，抽放时间达到某一值时，预抽率趋于一个定值。
6、结语
1） 通过对 2.0，2.5，3.0 m三组不同孔间距的交叉钻孔的预抽瓦斯效果进行考察，孔间距为2.0和2.5 m的交叉钻孔百米钻孔瓦斯涌出量、极限抽放总量和预抽率均远高于孔间距为3.0 m的交叉钻孔，从而确定了试验工作面所在煤层交叉钻孔的合理孔间距为2.0～2.5m。
2） 由于试验工作面瓦斯极限抽放总量均小于极限涌出总量，所以应从2方面加强管理： 一方面，提高钻孔施工质量，钻孔定向定位准确，形成应力的空间交叉重叠，保证煤体充分卸压，同时防止煤壁过度破碎而形成漏气裂隙。另一面，提高封孔質量或改用更为有效的封孔方式，防止钻孔漏气，从而进一步提高钻孔的瓦斯抽放量和预抽率。
参考文献
[1] 张荣立，何国纬，李铎.采矿工程设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.
[2] 林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.
[3] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.
[4] 秦玉金，焉德斌，李涛，等.芹池煤矿3#煤层合理预抽方式考察[J].煤炭安全，2008（5）.