一种地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验方法与流程

本发明涉及煤矿安全生产技术领域，更具体地，涉及一种用地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验方法。

背景技术：

煤矿瓦斯灾害事故被称为煤矿安全生产的“第一杀手”，具有强大的破坏性，而进行瓦斯抽采是预防煤矿瓦斯事故的根本措施。从俞启香教授提出的瓦斯抽采新分类方法可看出，地面钻井抽采适用于不同的煤层开采阶段和不同的瓦斯来源空间。近年来，瓦斯抽采地面钻井技术在煤矿现场中也得到了广泛应用。

为解决高强度开采条件下某些特厚煤层瓦斯低含量高涌出的问题，国内一些煤矿(如同煤集团塔山煤矿)已进行了地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的试验，抽采效果比较明显。

然而大型物理实验和现场试验成本高、操作难，需要一种能够对地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯进行数值试验的方法，来保证现场地面钻孔施工的有效性和可靠性，为其他矿井或特厚煤层地面钻井提供基础数据和经验。

在数值试验计算领域，真实破裂过程分析方法(realisticfailureprocessanalysis，以下简称rfpa)是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。尤其是rfpa^2d瓦斯分析版，即瓦斯煤岩破裂过程分析软件，主要用于含瓦斯煤岩破裂过程中的数值模拟试验研究，数值计算结果能够直观形象地显示含瓦斯煤岩破裂过程中岩体应力场、瓦斯流场的演化及声发射的时空展布特征。它在矿山岩石力学和瓦斯防治领域有一定应用，

但目前还没有基于rfpa^2d瓦斯分析版进行地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验,这方面的研究迄今为止基本还无人做过，文献也鲜有。如何建立不同钻孔位置和不同钻孔间距的数值计算模型，进行参数赋值、边界条件和控制条件的设置，并根据对软件的计算结果进行分析……，这些是运用rfpa^2d瓦斯分析版进行地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验的难点。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯试验的成本高技术操作难的技术问题，本发明利用瓦斯煤岩破裂过程分析系统即rfpa^2d瓦斯分析版，提供一种用地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯的数值试验方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验方法，包括以下步骤：

步骤1，建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的工程文档：

对实际矿场的地质资料进行采集，建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯工程的地质概况工程文档；所述工程文档的内容包括工作面位置及井上下关系、煤层情况、瓦斯情况、煤层顶底板情况、地质构造情况、水文地质情况；

所述煤层情况包括煤层厚度、煤层结构、煤层倾角、煤层硬度、开采煤层、煤种、稳定程度、可采指数；

所述瓦斯情况包括煤层瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯涌出量；

所述煤层顶底板情况包括岩石名称、厚度、岩性特征；

所述地质构造包括断层、褶曲。

步骤2，建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值计算模型和网格划分：

(a)建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值计算模型：

根据施工现场的实际情况对地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的施工工艺、孔径、抽采负压、封堵方式进行具体确定；采用大型有限元分析计算软件rfpa^2d瓦斯分析版，首先分别建立钻孔终孔位置位于煤层顶部、煤层中部和煤层底部时的数值计算模型，通过数值计算分析，得出最佳的钻孔终孔位置模型；然后在此基础上再分别建立当钻孔终孔位置最佳时的不同钻孔间距的数值计算模型；所述的不同的钻孔间距选择范围包括30m、40m、50m、60m、70m、80m；

(b)地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯数值计算模型的网格划分：

利用rfpa^2d瓦斯分析版进行数值试验建模的同时进行网格划分，两项工作在同一个界面中进行设置，在设置界面中根据实际需要设定计算模型的单元网格划分个数，和计算模型的实际尺寸；所述的实际需要包括模型尺寸和实际情况的比例、计算机服务器的内存大小和计算能力；

事实上步骤2中利用rfpa^2d瓦斯分析版软件进行的计算模型的建立和网格划分是同时进行的，无需进行重复操作，设置步骤简单明了，这也是rfpa^2d瓦斯分析版软件的优越性。

步骤3，确定地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯数值计算模型的关键参数：

根据工程现场测试资料以及物理实验数据，确定数值计算模型的关键参数，包括均质度、弹性模量、抗压强度、泊松比、孔隙率、内摩擦角、压拉比、透气性系数、瓦斯含量系数、瓦斯压力系数、渗透率耦合系数。

步骤4，设置地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的边界条件和控制条件：

为使所建立的地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯不同钻孔终孔位置和不同钻孔间距的数值计算模型能够在各种地质条件下进行数值试验，对计算模型的边界条件和控制条件进行一定的简化设置，具体如下：

(1)假定岩石力学参数符合weibull分布；

(2)岩石破裂采用摩尔-库仑强度准则判断；

(3)对模型两边界采用位移约束，底边界采用刚性约束，无论是位移约束还是刚性约束均指无位移变形；

(4)对岩层与岩层之间加入弹性模量和拉伸变形量均小的层理弱面，即采用线性材料代替层与层之间的弱面；

(5)确定煤层老顶、直接顶、直接底和老底的岩石成分，对老顶以上岩层部分，建模时进行相应简化，即采用0.25mpa/m代替上覆岩层的压力；

(6)加载方式采用垂直方向自重加载，即自含瓦斯煤层至老顶按照岩石的容重进行竖直方向加载，上覆岩层部分采用竖直向下的均匀分布的力代替；

(7)煤体中瓦斯的压力采用水头控制，即1mpa等同于100m水头高，而采空区瓦斯气体压力设置为0；

(8)尽管是抽采煤层中的瓦斯，但是求解类型仍视为平面应变问题，设置总的计算步，并考虑y方向自重，单元计算为空洞单元法，忽略渗流时间对模型计算的影响。

步骤5，数值计算：

利用rfpa^2d瓦斯分析版进行数值计算，所述的rfpa^2d瓦斯分析版的数值计算过程包括应力计算分析、相变分析和基元相变分析。

步骤6，分析地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验结果，得到最合理的钻孔终孔位置和最合理的钻孔间距：

首先根据建立的钻孔终孔位置在煤层顶部、煤层中部和煤层底部的数值计算模型，通过rfpa^2d瓦斯分析版数值计算分别得出三个计算模型的煤层瓦斯抽采应力破坏图、煤体应力曲线图、声发射图、瓦斯矢量云图和瓦斯流量曲线图，进行比较得出地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯时最合理的钻孔终孔位置。

其次，在上一步确定好最合理的钻孔终孔位置后，结合工程现场的实际情况，根据初步设定的不同钻孔间距的数值计算模型，通过rfpa^2d瓦斯分析版数值计算分别得出不同钻孔间距数值计算模型的煤层瓦斯抽采应力破坏图、煤体应力曲线图、声发射图、瓦斯矢量云图和瓦斯流量曲线图，进行比较分析；同时综合考虑钻孔投入成本和抽采效果，从而得出地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯时最合理的钻孔间距；所述的不同的钻孔间距选择范围包括30m、40m、50m、60m、70m、80m。

在步骤6中，根据以下标准判断数值试验结果是否已达到预期合理的结果：

煤层瓦斯抽采应力破坏图：抽采煤层瓦斯能够降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，且煤层在上覆岩层压力的作用下会发生破坏。通过观察煤层瓦斯抽采应力破坏图中应力破坏范围的大小可以判定设定的钻孔终孔位置和钻孔间距是否合理。合理的终孔位置和钻孔间距在煤层瓦斯抽采应力破坏云图中的应力破坏范围最大，能够波及整个含瓦斯煤层，而不是只集中在钻孔周围，即应使得两钻孔之间的煤层发生贯通破坏，以实现最大程度降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力的目的。

煤体应力曲线图：应力曲线数值反映了含瓦斯煤体不同位置应力值的大小，合理的终孔位置和钻孔间距的应力曲线在抽采初期两钻孔之间煤体的应力值应比较均匀，随着抽采时间的增加，应力峰值向两钻孔中间扩展；在瓦斯抽采中期应力曲线中，应力值应达到最大；而在抽采后期，应力峰值消失，含瓦斯煤体应力值均低于某一数值，且近似一条水平直线，说明含瓦斯煤层中的瓦斯含量趋于稳定，没有急剧变化。说明两钻孔之间的煤体裂隙发生贯通破坏。这样的钻孔布置方式即能够有效降低煤层中的瓦斯含量，实现良好的瓦斯抽采效果。

声发射图：声发射图反映含瓦斯煤层中声波的波及范围，即裂隙的扩展范围，合理的终孔位置和钻孔间距的声发射均匀分布在整个含瓦斯煤层中，说明经过瓦斯抽采后裂隙能够扩展到整个煤层厚度；而不是仅集中在钻孔周边或零星分布在煤层某个部位。

瓦斯矢量云图：瓦斯矢量图即为瓦斯气流的走向，如果含瓦斯煤层中的瓦斯含量比较大，瓦斯矢量呈现密集和聚集状态，而随着抽采时间的增加，瓦斯含量逐渐降低，导致瓦斯矢量图呈现稀疏状态。合理的终孔位置和钻孔间距的瓦斯矢量应由抽采初期的集中分布变为抽采后期的稀疏分布，说明该钻孔终孔位置能够起到降低煤层瓦斯含量的作用，不应呈现严重聚集或稀疏状态。

瓦斯流量曲线图：合理的终孔位置和钻孔间距的瓦斯流量曲线呈现的是平缓阶段较多，即稳定抽采阶段较长，时长在10至14天，即说明这种钻孔布置方式能够更有效和更充分地抽采煤层瓦斯；反之即不合理，钻孔布置方式不可取。

本发明具有如下有益效果：本发明实现了对地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验方法，弥补大型物理实验和现场试验成本高、操作难的缺点，保证现场地面钻孔施工的有效性和可靠性，有利于保障矿井安全生产，对于提高煤矿的经济效益和社会效益也有十分重要的理论意义和实践价值。

附图说明

图1是本发明地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯数值试验方法的流程图；

图2是地面垂直钻孔抽采特厚煤层不同终孔位置的示意图；

图3是地面垂直钻孔抽采特厚煤层不同钻孔间距的示意图；

图4是实施例中利用rfpa^2d设置边界条件的示意图；

图5是实施例钻孔终孔位置位于煤层顶部的数值计算结果图；

图6是实施例钻孔终孔位置位于煤层中部的数值计算结果图；

图7是实施例钻孔终孔位置位于煤层底部的数值计算结果图；

图8是实施例钻孔终孔位置位于煤层不同部位时抽采瓦斯流量对比曲线图；

图9是实施例钻孔间距为50m时的数值计算结果；

图10是实施例钻孔间距为50m时煤层应力曲线图。

具体实施方式

下面结合实施方式和实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

具体实施方式：如图1所示，本实施方式是一种地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验方法，包括以下步骤：

步骤1，建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的工程文档：

对实际矿场的地质资料进行采集，建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯工程的地质概况工程文档；所述工程文档的内容包括工作面位置及井上下关系、煤层情况、瓦斯情况、煤层顶底板情况、地质构造情况、水文地质情况；

所述煤层情况包括煤层厚度、煤层结构、煤层倾角、煤层硬度、开采煤层、煤种、稳定程度、可采指数；

所述瓦斯情况包括煤层瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯涌出量；

所述煤层顶底板情况包括岩石名称、厚度、岩性特征；

所述地质构造包括断层、褶曲。

步骤2，建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值计算模型和网格划分：

(a)建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值计算模型：

根据施工现场的实际情况对地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的施工工艺、孔径、抽采负压、封堵方式进行具体确定；采用大型有限元分析计算软件rfpa^2d瓦斯分析版，首先分别建立钻孔终孔位置位于煤层顶部、煤层中部和煤层底部时的数值计算模型，通过数值计算分析，得出最佳的钻孔终孔位置模型；然后在此基础上再分别建立当钻孔终孔位置最佳时的不同钻孔间距的数值计算模型；所述的不同的钻孔间距选择范围包括30m、40m、50m、60m、70m、80m；

(b)地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯数值计算模型的网格划分：

利用rfpa^2d瓦斯分析版进行数值试验建模的同时进行网格划分，两项工作在同一个界面中进行设置，在设置界面中根据实际需要设定计算模型的单元网格划分个数，和计算模型的实际尺寸；所述的实际需要包括模型尺寸和实际情况的比例、计算机服务器的内存大小和计算能力；

事实上步骤3中利用rfpa^2d瓦斯分析版软件进行的计算模型的建立和网格划分是同时进行的，无需进行重复操作，设置步骤简单明了，这也是rfpa^2d瓦斯分析版软件的优越性。

步骤3，确定地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯数值计算模型的关键参数：

根据工程现场测试资料以及物理实验数据，确定数值计算模型的关键参数，包括均质度、弹性模量、抗压强度、泊松比、孔隙率、内摩擦角、压拉比、透气性系数、瓦斯含量系数、瓦斯压力系数、渗透率耦合系数。

步骤4，设置地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的边界条件和控制条件：

为使所建立的地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯不同钻孔终孔位置和不同钻孔间距的数值计算模型能够在各种地质条件下进行数值试验，对计算模型的边界条件和控制条件进行一定的简化设置，具体如下：

(1)假定岩石力学参数符合weibull分布；

(2)岩石破裂采用摩尔-库仑强度准则判断；

(3)对模型两边界采用位移约束，底边界采用刚性约束，无论是位移约束还是刚性约束均指无位移变形；

(4)对岩层与岩层之间加入弹性模量和拉伸变形量均小的层理弱面，即采用线性材料代替层与层之间的弱面；

(5)确定煤层老顶、直接顶、直接底和老底的岩石成分，对老顶以上岩层部分，建模时进行相应简化，即采用0.25mpa/m代替上覆岩层的压力；

(6)加载方式采用垂直方向自重加载，即自含瓦斯煤层至老顶按照岩石的容重进行竖直方向加载，上覆岩层部分采用竖直向下的均匀分布的力代替；

(7)煤体中瓦斯的压力采用水头控制，即1mpa等同于100m水头高，而采空区瓦斯气体压力设置为0；

(8)尽管是抽采煤层中的瓦斯，但是求解类型仍视为平面应变问题，设置总的计算步，并考虑y方向自重，单元计算为空洞单元法，忽略渗流时间对模型计算的影响。

步骤5，数值计算：

利用rfpa^2d软件进行数值计算，所述的rfpa^2d瓦斯分析版的数值计算过程包括应力计算分析、相变分析和基元相变分析。

步骤6，分析地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验结果，得到最合理的钻孔终孔位置和最合理的钻孔间距：

首先根据建立的钻孔终孔位置在煤层顶部、煤层中部和煤层底部的数值计算模型，通过rfpa^2d瓦斯分析版数值计算分别得出三个计算模型的煤层瓦斯抽采应力破坏图、煤体应力曲线图、声发射图、瓦斯矢量云图和瓦斯流量曲线图，进行比较得出地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯时最合理的钻孔终孔位置。

其次，在上一步确定好最合理的钻孔终孔位置后，结合工程现场的实际情况，根据初步设定的不同钻孔间距的数值计算模型，通过rfpa^2d瓦斯分析版数值计算分别得出不同钻孔间距数值计算模型的煤层瓦斯抽采应力破坏图、煤体应力曲线图、声发射图、瓦斯矢量云图和瓦斯流量曲线图，进行比较分析；同时综合考虑钻孔投入成本和抽采效果，从而得出地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯时最合理的钻孔间距；所述的不同的钻孔间距选择范围包括30m、40m、50m、60m、70m、80m。

在步骤6中，根据以下标准判断数值试验结果是否已达到预期合理的结果：

煤层瓦斯抽采应力破坏图：抽采煤层瓦斯能够降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，且煤层在上覆岩层压力的作用下会发生破坏。通过观察煤层瓦斯抽采应力破坏图中应力破坏范围的大小可以判定设定的钻孔终孔位置和钻孔间距是否合理。合理的终孔位置和钻孔间距在煤层瓦斯抽采应力破坏云图中的应力破坏范围最大，能够波及整个含瓦斯煤层，而不是只集中在钻孔周围，即应使得两钻孔之间的煤层发生贯通破坏，以实现最大程度降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力的目的。

煤体应力曲线图：应力曲线数值反映了含瓦斯煤体不同位置应力值的大小，合理的终孔位置和钻孔间距的应力曲线在抽采初期两钻孔之间煤体的应力值应比较均匀，随着抽采时间的增加，应力峰值向两钻孔中间扩展；在瓦斯抽采中期应力曲线中，应力值应达到最大；而在抽采后期，应力峰值消失，含瓦斯煤体应力值均低于某一数值，且近似一条水平直线，说明含瓦斯煤层中的瓦斯含量趋于稳定，没有急剧变化。说明两钻孔之间的煤体裂隙发生贯通破坏。这样的钻孔布置方式即能够有效降低煤层中的瓦斯含量，实现良好的瓦斯抽采效果。

声发射图：声发射图反映含瓦斯煤层中声波的波及范围，即裂隙的扩展范围，合理的终孔位置和钻孔间距的声发射均匀分布在整个含瓦斯煤层中，说明经过瓦斯抽采后裂隙能够扩展到整个煤层厚度；而不是仅集中在钻孔周边或零星分布在煤层某个部位。

瓦斯矢量云图：瓦斯矢量图即为瓦斯气流的走向，如果含瓦斯煤层中的瓦斯含量比较大，瓦斯矢量呈现密集和聚集状态，而随着抽采时间的增加，瓦斯含量逐渐降低，导致瓦斯矢量图呈现稀疏状态。合理的终孔位置和钻孔间距的瓦斯矢量应由抽采初期的集中分布变为抽采后期的稀疏分布，说明该钻孔终孔位置能够起到降低煤层瓦斯含量的作用，不应呈现严重聚集或稀疏状态。

瓦斯流量曲线图：合理的终孔位置和钻孔间距的瓦斯流量曲线呈现的是平缓阶段较多，即稳定抽采阶段较长，时长在10至14天，即说明这种钻孔布置方式能够更有效和更充分地抽采煤层瓦斯；反之即不合理，钻孔布置方式不可取。

实施例：

本实施例对塔山煤矿8101工作面进行地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯数值试验。

步骤1，建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的工程文档：

山西同煤集团塔山煤矿8101工作面位于一盘区东部，北部邻近七峰山煤矿，南与1070回风巷为界，联通1070皮带巷、辅运巷，西部为8102采空区，东部为实煤区；8101工作面走向长度为1445m，倾斜长度为231.4m，开采煤层为3#～5#煤层，平均煤层厚度为20.08m，属特厚煤层，由该矿历年开采经验和瓦斯参数测定结果可知：3#～5#煤层瓦斯含量平均为1.78m³/t，原始瓦斯压力平均为0.2mpa，煤层透气性系数为171.71～428.8m²·mpa^-2·d^-1；工作面与8102采空区相邻，煤柱为8m；该工作面于2016年11月15日进行试生产，截止到2016年11月24日，工作面头推进25m，尾推进34m。

8101工作面瓦斯涌出主要包括开采层、邻近层和围岩瓦斯涌出量三者之和。正常情况下，8101工作面的绝对瓦斯涌出量为25-35m³/min，工作面推进过程中遇到断层、煤体破碎等区域时，瓦斯涌出量明显增大，预计8101工作面绝对瓦斯涌出量将达到40m³/min以上；8101工作面相对瓦斯涌出量2.25m³/t，其中开采层为1.5m³/t、上邻近层及围岩为0.75m³/t。8101工作面瓦斯治理总体思路：采取以风排为基础，以地面垂直立孔抽放为主要手段，以上隅角埋管抽放配合工作面端头封堵、初采水压致裂等措施为辅助手段。

步骤2，建立地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值计算模型和网格划分：

根据施工现场的实际情况对地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的施工工艺、孔径、抽采负压、封堵方式等进行具体确定；采用大型有限元分析计算软件rfpa^2d瓦斯分析版，首先分别建立钻孔终孔位置位于煤层顶部、煤层中部和煤层底部时的数值计算模型，如图2所示,黑色层就是煤层；通过数值计算分析，得出最佳的钻孔终孔位置是位于煤层底部，然后在此基础上再分别建立当钻孔终孔位置位于煤层底部时的不同钻孔间距(从小到大依次为40m、50m、60m)的数值计算模型，如图3所示。数值模型采用二维平面应变分析，三个不同钻孔终孔位置数值计算模型的尺寸均设置为50×100m，划分100×200＝20000个单元，每个单元代表0.5m；三个不同钻孔间距数值计算模型的尺寸均设置为210×100m，划分420×200＝84000个单元，每个单元代表0.5m。

步骤3，确定地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯数值计算模型的关键参数：

根据工程现场测试资料或者物理实验数据，得出数值计算模型的关键参数，见表1。

表1

步骤4，设置地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的边界条件和控制条件：

根据矿场的具体资料，确定煤层老顶、直接顶、直接底和老底的岩石成分，对老顶以上岩层部分，建模时进行相应简化，即采用0.25mpa/m代替上覆岩层的压力；对岩层与岩层之间加入弹性模量和拉伸变形量均小的层理弱面，即采用线性材料代替层与层之间的弱面；对模型两边界采用位移约束，底边界采用刚性约束，无论是位移约束还是刚性约束均指无位移变形；加载方式采用垂直方向自重加载，即含瓦斯煤层至老顶按照岩石的容重进行竖直方向加载，上覆岩层部分采用竖直向下的均匀分布的力代替；假定岩石力学参数符合韦伯分布，岩石破裂采用摩尔-库仑强度准则判断。

模型的上下边界为不透气岩层，即上下岩层的瓦斯流量为0，左右边界瓦斯气体压力为0.2mpa；其初始条件为：在t＝0时刻，煤层中瓦斯气体压力为0.2mpa。

根据工程现场测试和物理实验数据，对计算模型的瓦斯渗流边界条件进行设置，如图4所示。图4中划线区域为主要设置参数，其中heterogeneity为均质度，对应weibull统计分布函数中的参数m，反映岩石介质的均质性；averagevalue为单元物理力学参数(如弹性模量、强度、泊松比、容重等)的平均值；一般在煤层两边界采用waterhead进行瓦斯压力的控制设置。

在建立的地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯不同钻孔终孔位置和不同钻孔间距的数值计算模型中均采用上述边界条件和控制条件。

步骤5，数值计算：

在建立的地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯不同钻孔终孔位置和不同钻孔间距的数值计算模型中，总的计算步数均设为200步，且均为渗流问题。各个计算模型均采用连续计算，破坏准则均采用岩石力学中的摩尔库伦准则，均采用weibull统计分布函数来描述气固耦合的破坏现象。

步骤6，分析地面垂直钻孔抽采特厚煤层瓦斯的数值试验结果，得到最合理的钻孔终孔位置和最合理的钻孔间距：

(1)分析不同钻孔终孔位置的数值计算结果

当地面垂直钻孔终孔位置位于含瓦斯煤层不同部位时的数值计算结果如图5至图7所示，其中1、4、7指声发射图，2、5、8指瓦斯矢量图，3、6、9指应力破坏图。抽采瓦斯流量对比曲线如图8所示。

综合对比图5、6、7可发现，钻孔终孔位置布置在含瓦斯煤层底部时的应力破坏范围最大，能够波及整个含瓦斯煤层；而在煤层顶部和中部时的应力破坏范围只集中在钻孔周围以及煤层中上部，对含瓦斯煤层底部的抽采影响较小。另外，图7中声发射分布在整个含瓦斯煤层中，说明经过瓦斯抽采后裂隙能够扩展到整个煤层厚度；而图5中声发射仅集中在钻孔周边，图6中声发射能分布在含瓦斯煤层中，但仅有零星分布在煤层底部。从瓦斯矢量图中还能够看到，图5中瓦斯矢量一直基本呈稀疏的水平分布，说明该钻孔终端位置抽采出来的瓦斯较少，抽采效果很不理想；图6中瓦斯矢量的分布始终很密集，箭头密集出现，说明该钻孔终端位置抽采出来的瓦斯量一直较大，对于降低煤层中的瓦斯含量有一定的效果，但是不明显，因为煤层瓦斯矢量还是积聚出现，煤层中瓦斯含量还是较大；而图7中瓦斯矢量由抽采初期的集中分布变为抽采后期的稀疏分布，说明该钻孔终孔位置能够起到降低煤层瓦斯含量的作用，使得煤层中的瓦斯含量由大变小，抽采效果明显。

综合对比图8中三条瓦斯流量曲线可发现，钻孔终孔位置位于煤层顶部时，瓦斯抽采量达不到计算要求，并且流量曲线较为平缓；而终孔位于煤层中部时，尽管最大值达到计算要求，但是流量曲线的稳定阶段较短，说明抽采效果不理想；终孔位于煤层底部时，瓦斯流量曲线呈现的是平缓阶段较多，即稳定抽采阶段较长，说明这种钻孔布置方式能够更有效和更充分地抽采煤层瓦斯。

综上可得出，当钻孔终孔位置位于含瓦斯煤层不同部位时，煤层均会发生不同程度的破坏，其中钻孔终孔位置位于底部发生破坏最严重，煤层中的声发射也几乎能够波及整个煤层，瓦斯矢量和抽采瓦斯流量曲线变化趋势合理，能够最大限度的抽采煤层瓦斯，抽采效果较好。因此，确定将地面垂直钻孔的终孔位置布置在含瓦斯煤层底部比较合理。

(2)分析不同钻孔间距的数值计算结果

采用rfpa^2d瓦斯分析版软件对当地面钻孔终孔位置位于煤层底部时三种不同钻孔间距(40m，50m，60m)情况下的应力破坏、声发射和瓦斯矢量进行数值计算分析。通过对比分析发现，钻孔间距为40m和50m时，两钻孔之间的煤体裂隙均能发生破坏性贯通，抽采效果明显；钻孔间距为60m时，两钻孔之间的煤体裂隙已经能够发生贯通交接，但不能发生破坏性贯通，抽采效果不十分明显。而当钻孔间距为40m时，整个煤矿钻孔布置过于密集，施工成本会大大增加。所以，在综合考虑钻孔投入成本和抽采效果的基础上，最终确定钻孔间距为50m比较合理。钻孔间距为50m时的应力破坏、声发射和瓦斯矢量综合图如图9所示其中，10指声发射图，11指瓦斯矢量图，12指应力破坏图，不同瓦斯抽采阶段的煤层应力曲线如图10所示。

结合塔山矿8101地面钻孔抽采瓦斯实践应用效果对本发明作进一步说明。

1，钻孔数量和钻孔间距

根据上述数值试验优化分析结果，结合有关“o”形圈相关理论及塔山矿实际情况，同时考虑初次来压及停采不放煤等因素影响，8101工作面地面垂直钻孔抽放共设计布置31个钻孔，沿工作面走向方向布置间距为50m，后期根据工作面瓦斯治理情况合理调整布置间距。正常回采期间，开启3～5个钻孔同时抽放。当钻孔进入采空区100m～120m时停止抽放，当钻孔位于卸压带距工作面30m～40m时开启抽放。抽放泵选择利用地面区域瓦斯泵站内的2bec87型水环真空泵，单泵额定抽放能力为735m³/min。抽放主管路为dn600管路，抽放支管路为dn300管路。

2，钻孔结构

塔山矿8101工作面地面垂直瓦斯抽放钻孔有效孔径为311mm，其中0m～120m钻孔孔径为425mm，下ф355×10mm套管，120m～终孔点(距3#～5#煤层2m或5m)为裸孔。

3，8101工作面地面钻孔抽采瓦斯效果分析

根据塔山矿现场资料，8101工作面于2016年11月15日开始利用地面0#、1#、2#垂直钻孔实施抽放，截止到2016年11月25日，抽放总管路瓦斯浓度在0.122％～2.154％之间，工作面绝对瓦斯涌出量为5.656m³/min～10.23m³/min，其中上隅角埋管抽放瓦斯纯量为0.59m³/min～0.64m³/min，占总量的6.21％～9.01％；地面垂直钻孔每日抽放瓦斯纯量为2.09m³/min～6.18m³/min，占总量的42.94％～60.22％；系统风排瓦斯纯量为2.81m³/min～3.43m³/min，占总量的33.53％～48.05％。已开启的三个地面钻孔瓦斯抽放当日累积量在3013m³～8892m³之间，平均每孔当日抽放量在1004m³～2964m³之间，三孔累计抽放总量51165.6m³。

通过以上分析可以看出，塔山矿8101工作面地面垂直钻孔抽采瓦斯效果良好，可以继续在煤矿瓦斯抽放工作中推广应用。

最后应说明的是：以上实施方式和实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式或实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式和实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式或实施例技术方案的精神和范围。