近年来，由于受煤矿开采深度的增加、生产规模的扩大、开采强度的增大，导致采掘工作面瓦斯涌出量急剧增加，单纯利用通风稀释瓦斯的措施受到巷道断面和风速的限制，已经不能满足安全生产的要求.因此，有必要通过抽采来降低采掘过程中的涌出瓦斯.以阳泉矿区为例，主要采用瓦斯抽采来解决瓦斯涌出量大的问题.预抽煤层瓦斯是防治瓦斯事故的根本途径，经过前人的探索和生产实践，我国瓦斯抽采技术的发展经历了以下4个阶段：①高透气性煤层瓦斯抽采；②邻近煤层瓦斯抽采；③低透气性煤层瓦斯强化抽采；④综合瓦斯抽采.

以阳泉煤业(集团)有限责任公司新元煤矿、开元煤矿为例，这两个矿主采3号煤层，在煤层中部均存在软煤分层，区域防突效果检验时，在相同检测单元内时常出现“硬煤分层消突而软煤分层未消突”的现象.因此，研究软、硬煤残余瓦斯含量之间的差异性对于有软煤分层预抽效果检验时残余瓦斯含量测点的布置以及抽采钻孔的布置具有十分重要的意义.

新元煤矿是阳泉(煤业)集团有限责任公司的一个大型矿井，设计生产能力3.0 Mt/a，井田面积136.48 km².主采3号、9号、15号煤层.3号煤层厚度为0.4～4.08 m，平均2.77 m，可采储量为1.81亿t.矿井瓦斯等级鉴定结果为煤与瓦斯突出矿井.新元煤矿310204工作面煤层厚度平均为2.63 m，工作面走向长1 747 m.倾斜长240 m，绝对瓦斯涌出量为35.83 m³/min，相对瓦斯涌出量为5.94 m³/t ，采用长壁式综采一次采全高采煤法，全部陷落法管理顶板.工作面内3号煤层赋存稳定，结构简单，在煤层中部含有0.1~0.3 m厚度的软煤.

瓦斯抽采过程中瓦斯的渗流和煤体变形之间变化非常复杂，是一个瓦斯渗流和煤体变形之间相互耦合的复杂过程^{[1, 2, 3, 4]}.针对各种煤体的渗透性研究，已成为国内外采矿和岩土界关注的重点问题之一^{[5, 6, 7, 8]}.其中，Enever和Henning^[5]研究了澳大利亚煤床的渗透率在不同有效应力状态下的变化规律；司鹄等^[7]运用多物理场耦合分析软件，对抽放条件下的瓦斯渗流场进行了模拟分析；赵阳升等^[8]以含裂缝煤层瓦斯抽放为例,通过数值模拟分析，揭示了含裂缝煤层瓦斯在基质岩块和裂缝中运移、传递和交换,及其对瓦斯气体运移的相互作用影响规律.这些理论及模型，为预抽煤层瓦斯理论和应用奠定了基础.但大多把煤层视为均质煤体.当有软分层时，要对软煤分层和硬煤分层区分开来，分别研究其渗流特性^[9].在前人的研究基础上，本文建立煤层瓦斯扩散-渗流耦合方程.

为了建立数学模型，作以下假设：(1)瓦斯在孔隙中运移服从Fick定律，在裂隙中流动符合Darcy定律；(2)瓦斯流动为等温过程；(3)瓦斯流体为理想气体，服从理想气体状态方程；(4)煤层顶、底板不透气；(5)假定煤层中无水，其吸附-解吸符合扩展的Langmuir 等温吸附方程.

瓦斯在原始煤层中流动一般符合达西定律，可表示为

钻孔抽采条件下，本煤层瓦斯由煤体裂隙向外空间流动基本上符合达西定律；同时，煤层瓦斯由煤体微孔隙向外裂隙流动符合Fick扩散定律.由于其流动过程满足质量守恒定律，因此在煤层中选取单位体积的煤，可建立煤层瓦斯流动方程：

煤层瓦斯流动为等温过程，不考虑瓦斯含量系数的影响，将气体组分看作理想气体，标准条件下的理想气体状态方程为^[10]

当煤层水分和灰分等物理性质一定时，吸附瓦斯受温度、压力、应力扰动等因素的影响而产生解吸.为了从理论上研究煤层瓦斯运移规律，假设煤层瓦斯在流动过程中为等温过程，不考虑瓦斯解吸过程，单位体积的煤体瓦斯含量W由两部分组成：一部分是游离瓦斯W₁；另一部分是吸附瓦斯W₂，因此有

将方程(1),(3),(4)代入方程(2)，并进行进一步的化简可得煤层瓦斯扩散-渗流耦合方程：

新元煤矿310204工作面，煤层厚度2.63 m，中部有0.1~0.3 m软煤.运输平巷和回风平巷均沿煤层顶板布置，巷高3 m.采用顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯作为区域防突措施.抽采钻孔直径为75 mm，抽采负压为13 kPa.根据新元煤矿的基础参数测定结果，其钻孔有效抽采半径为1m，因此新元煤矿采用双排布孔方式，水平方向钻孔布置间距为2 m；垂直方向，第一排钻孔距离煤层顶板0.75 m，第二排钻孔距离煤层底板0.75 m.考虑到计算机的计算能力，在不考虑多个钻孔叠加效果情况下，只考虑单个钻孔在抽采一定时间时，与其距离相同的两个点的软硬煤的残余瓦斯含量，即图1中点M和点N.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 数值模拟模型 Fig. 1 Model of numerical simulation

初始条件：预抽前煤层瓦斯压力等于原始煤层瓦斯压力p₀，钻孔半径为r₀，表达式为

为了能够准确地模拟相同抽采条件下软、硬煤的残存瓦斯含量的差异性，对新元煤矿的吸附常数、孔隙率、视密度、水分、灰分等基本参数在实验室进行了测定，并在现场测定了煤层瓦斯压力，其测定结果见表1.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 软煤和硬煤参数 Table 1 Parameters of soft and hard coal 符号 参数名称 软煤取值 硬煤取值 λ 煤的视密度/(t·m-3) 1.37 1.43 a 煤的极限吸附量/(mL·g-1) 33.003 2 31.022 3 b 煤的朗缪尔压力参数/(MPa-1) 1.300 4 1.101 4 μ 瓦斯绝对黏度/(Pa·s) 1.08e-05 1.08e-05 K 煤层渗透率/m2 2.3e-17 1.2e-18 p1 抽采钻孔孔口负压/kPa 13 13 p0 煤层原始绝对瓦斯压力/MPa 1.95 1.95 Mad 煤的水分/% 0.91~1.75 1.25~1.76 Ad 煤的灰分/% 10.42~11.76 10.70~11.48 φ 煤的孔隙率/% 3.69 3.42 ρ 标准状态下CH4的密度/(kg·m-3) 0.77 0.77

表 1 软煤和硬煤参数 Table 1 Parameters of soft and hard coal

为了研究软、硬煤层残余瓦斯含量的差异性，选取离抽采钻孔同样距离的两个点作为对比，即点N和点M，模拟结果见图2.从图2和图3可以看出：

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 不同抽采时间下的软、硬煤的残余瓦斯含量 Fig. 2 Residue gas content of the soft and hard coal at different extraction time

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 不同抽采时间下的软、硬煤的瓦斯含量变化率 Fig. 3 Change rate of gas content of the soft and hard coal at different extraction time

1) 预抽前，软煤瓦斯含量为16.6 m³/t，硬煤瓦斯含量为14.89 m³/t，所以瓦斯含量的差异性主要是因为其吸附常数、孔隙率之间的差异所造成的.

2) 经过7个月的预抽，硬煤的瓦斯含量降为5.7 m³/t,软煤的瓦斯含量降为6.1 m³/t,均低于防治煤与瓦斯突出规定的8 m³/t；从瓦斯含量的变化率可以看出，随着抽采时间的增加，软煤的瓦斯含量变化率高于硬煤.

3) 相同的抽采条件，相同的抽采时间，软煤残余瓦斯含量都大于硬煤残余瓦斯含量.《防治煤与瓦斯突出规定》将瓦斯含量临界值定为8 m³/t,从模拟结果分析得出，当前的抽采方式条件下，硬煤瓦斯含量降到临界值以下需要162 d预抽时间，软煤瓦斯含量降到临界值以下需要180 d预抽时间.

为了验证数值模拟的结果，针对当前抽采条件下的软、硬煤残余瓦斯含量进行测定，钻孔深度为20 m，布孔方式见图4.在经过抽采162 d后，在310204工作面布置了4个检验测点，并对4个测点钻孔的残余瓦斯含量进行了测定，测定结果见表2.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 瓦斯含量测点布置图 Fig. 4 Arrangement of measuring points of gas content

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 软、硬煤残余瓦斯含量实测表 Table 2 Actual measurement table of residue gas content of the soft and hard coal 测点编号 抽采时间 实测瓦斯含量 模拟瓦斯含量 相对误差 d m3·t-1 m3·t-1 % 1 162 7.52 6.98 7.18 2 162 8.42 8 4.99 3 162 6.92 6.98 0.86 4 162 7.71 8 3.76

表 2 软、硬煤残余瓦斯含量实测表 Table 2 Actual measurement table of residue gas content of the soft and hard coal

从表2可以看出，抽采162 d后，1^#测点和3^#测点的硬煤瓦斯含量分别降为7.52，6.92 m³/t，与数值模拟结果的误差为7.18%，0.86%；2^#测点和4^#测点的软煤瓦斯含量分别降为8.42，7.71 m³/t，与数值模拟结果的误差为4.99%，3.76%.4个测点误差范围为0.86%～7.18%，说明数值模拟结果比较可靠.

1) 相同的抽采条件下，软、硬煤的残存瓦斯含量差异性很大，软煤的残存瓦斯含量始终大于硬煤，随着抽采时间的增加，软煤的瓦斯含量变化率高于硬煤.

2) 根据新元煤矿目前的抽采条件，软煤瓦斯含量降到8 m³/t需要180 d，硬煤瓦斯含量降到8 m³/t 需要162 d.