布孔間距影響瓦斯預抽效果的模擬及應用研究

李 可，董春發，徐傳玉，張 文，季鵬飛，孔祥國

(1.陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西省咸陽市，713500；2. 西安科技大學安全科學與工程學院，陜西省西安市，710054)

我國煤礦開采主要是井工開采，隨著開采深度的逐漸加深，煤層透氣性越來越低，多數煤層透氣性系數僅為0.001～10 m2/(MPa2·d)，采掘過程中瓦斯放散量大、放散速度快，加之開采煤層地質條件復雜，易發生煤與瓦斯突出事故[1-3]。

諸多學者針對本煤層瓦斯預抽開展了大量研究工作。程遠平等[4]總結并提出了適用于煤礦瓦斯抽采指標考核要求的瓦斯抽采分類方法；梁文勖[5]提出了基于抽采達標所需抽采量，計算達標抽采時間來確定抽采半徑的新方法，并在正珠煤礦開展現場試驗，發現鉆孔間距為2.0、3.0、4.0 m時預抽達標時間分別為236、260、273 d；張明杰等[6]采用底抽巷施工穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯，實現了突出煤層向非突出煤層轉化，保證了煤巷安全掘進；王魁軍等[7]通過對交叉鉆孔預抽本煤層瓦斯的理論分析和試驗研究，發現在不增加任何工程量的條件下，交叉布孔較常規布孔方式的抽放量提高了0.46～1.02倍；張明杰等[8]提出了大直徑順層長鉆孔預抽消突技術，緩解了采掘接替緊張的難題；謝雄剛等[9]研究了煤層合理預抽瓦斯技術參數，發現94 mm大直徑鉆孔的瓦斯預抽采量比直徑為65 mm鉆孔提高了34%，鉆場內鉆孔的瓦斯抽采濃度比巷道鉆孔的瓦斯抽采濃度提高近1倍；聶百勝等[10]開展了順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯的區域防突研究，煤層最大殘存瓦斯含量降至4.17 m3/t，最大殘余瓦斯壓力僅為0.32 MPa，實現瓦斯零超限；于寶海等[11]分析了鉆孔抽放瓦斯效果的影響因素，發現確定合理鉆孔布置間距最為重要，提出了本煤層瓦斯抽放鉆孔布置間距的優化方法，并根據鉆孔瓦斯流量衰減規律，建立了相關的理論方程。

上述研究對本煤層瓦斯預抽具有非常高的參考價值，本文針對陜西彬長礦區小莊礦煤層瓦斯實際賦存條件，應用COMSOL Multiphysics軟件模擬了不同布孔間距下的煤層瓦斯壓力分布情況，確定了合理的順層鉆孔布孔間距，并應用于現場實際抽采工作，取得了理想的瓦斯預抽效果。

1 工作面概況

小莊礦鄰近水簾洞煤礦、火石咀煤礦和下溝煤礦，各礦均主采4號煤層，瓦斯含量普遍較高，屬高瓦斯礦井。小莊礦4號煤層的資源儲量約887.08 Mt，占總資源量的96.3%，礦井設計生產能力6.00 Mt/a，服務年限為58.7 a。4號煤層較為平緩，傾角較小，最大傾角不超過8°，全井田范圍屬于穩定煤層，全區可采且單一水平開采較為合理。煤層平均厚度為15.23 m，屬特厚煤層，采用綜采放頂煤采煤法。

40205綜放工作面位于二盤區，工作面走向長2 108 m，傾向長196 m，面積413 168 m2，煤層底板標高380～390 m，埋深570～710 m。工作面煤層產狀呈單斜構造，近北方向傾斜2°～3°。煤層厚22～24 m，煤層結構簡單穩定，為中灰、中低硫、高發熱量的低變質煙煤。煤層含夾矸兩層，距煤層頂板底板均為1.6 m，厚度分別為0.1、0.3 m，上部煤層松軟呈碎片狀，中下部為塊狀。根據《礦井2017年度瓦斯和二氧化碳涌出量測定報告》，絕對瓦斯涌出量為51.68 m3/min，相對瓦斯涌出量為6.44 m3/min，屬高瓦斯礦井。因此，必須制定切實可行的采前預抽措施，并在生產中嚴格執行《煤礦安全規程》規定，預防瓦斯事故的發生。

2 布孔間距的確定

2.1 理論模型的建立

煤體為多孔介質，一部分瓦斯以吸附態的形式存在于煤體基質孔隙中，另一部分瓦斯以游離態的形式存在于煤體裂隙中[12-14]。瓦斯在煤體中運移主要分為以下階段：吸附態瓦斯從煤體基質解吸出來進入基質孔隙，成為游離態瓦斯；游離態瓦斯由基質孔隙逐漸擴散進入煤體裂隙中；壓力梯度作用下，瓦斯在煤體裂隙中滲流。

2.1.1基本假設

為建立本煤層瓦斯運移模型，需進行以下基本假設[15-17]：

(1)瓦斯流動為等溫過程，吸附解吸符合廣義朗格繆爾等溫吸附方程；

(2)瓦斯為理想氣體，符合理想氣體狀態方程；

(3)煤層中無水或地下水已排出；

(4)將煤體看作孔隙-裂隙雙重介質，其中游離態瓦斯在裂隙中的運移為滲流過程，滿足達西定律，吸附態瓦斯在孔隙中運移為擴散過程，滿足費克定律；

(5)煤層均勻且各向同性，煤層中瓦斯壓力變化不影響其滲透率及孔隙率；

(6)抽采負壓不隨鉆孔深度的增加而變化；

(7)視煤層頂底板巖層為不透氣巖層。

2.1.2主要控制方程

假設吸附態瓦斯解吸到煤層微孔隙并運移到裂隙系統，符合費克擴散定律，由此可知，瓦斯在孔隙系統中擴散時滿足的質量守恒方程為[18]：

(1)

式中：c——吸附態瓦斯濃度，kg/m3；

t——擴散時間，s；

D——擴散系數，m2/s；

Q——匯源項，反映基質孔隙系統中的吸附態瓦斯與裂隙系統中的游離態瓦斯之間的質量交換。

假設煤層裂隙中游離瓦斯的運移為流體滲流過程，則瓦斯滲流的質量守恒方程為：

(2)

式中：ρ——游離態瓦斯密度，kg/m3；

q——瓦斯的滲流速度，m/s；

m——氣體組分含量，包括游離態，不包括吸附態，kg/m3；

Φ——煤體的孔隙率。

吸附態瓦斯在假想平衡壓力P下的含量，可由廣義朗格繆爾方程表示為：

(3)

式中：ρc——煤體密度，kg/m3；

P——瓦斯壓力，MPa；

VL——朗格繆爾體積常數，m3/kg；

PL——朗格繆爾壓力常數，MPa。

基質孔隙系統中吸附態瓦斯與裂隙系統中的游離態瓦斯之間的質量交換，定義為:

Q=(c-cP)τ

(4)

式中：τ——吸附時間常數，s-1，反映吸附態瓦斯解吸并向裂隙系統擴散的難易程度，可由實驗確定。

由于煤層瓦斯壓力一般不大，不考慮氣體的壓縮系數，將氣體組分看作理想氣體，標準條件下的氣體狀態方程，可表示為：

(5)

式中：M——瓦斯的摩爾質量，g/mol；

R——氣體常數，J/(mol·K)；

T——氣體溫度，K。

瓦斯在煤體中的滲流符合達西定律，那么瓦斯的滲流速度q可表達為：

(6)

式中：k——滲透率，m2；

n——法向矢量；

u——動力黏度，N·s/m2。

綜合考慮以上物理過程，構建瓦斯在煤基質、節理裂隙系統中擴散-滲流連續性模型。其中，方程a表征吸附態瓦斯解吸到微孔隙并擴散到節理裂隙系統時遵循的質量守恒；方程b表征游離態瓦斯在節理裂隙系統中滲流時遵循的質量守恒。

(7)

2.2 幾何模型的建立

2.2.1幾何模型及網格劃分

將上述本煤層瓦斯預抽理論模型應用于COMSOL Multiphysics軟件，并結合彬長礦區小莊礦40205工作面賦存條件，建立本煤層瓦斯預抽模型，研究布孔間距對抽采效果的影響。大量研究表明，煤層中瓦斯流場可簡化為一維平行和徑向流動、二維平面流動的有限流場及無限流場或組合流場，本次模擬建立了二維平面模型，尺寸為100 m×100 m(長×寬)，鉆孔預抽幾何模型如圖1(a)所示。模型中煤層邊界的瓦斯壓力恒為原始瓦斯壓力；抽采鉆孔負壓恒為22.55 kPa。數值解算之前，對模型區域進行網格劃分，由于鉆孔孔徑較瓦斯運移空間來講，占比較小，對鉆孔周圍網格進行加密處理。鉆孔預抽模型網格劃分如圖1(b)所示。

2.2.2基礎物性參數

本煤層瓦斯預抽模型涉及的基礎物性參數來源于40205工作面的實測值：瓦斯密度0.717 kg/m3；煤體孔隙率0.116 289；煤體密度1.33 t/m3；煤體溫度300 K；瓦斯含量3.70 m3/t；煤層滲透率4.52×10-17m2；解吸擴散系數0.002 138 s-1；游離瓦斯初始壓力370.567 kPa。

圖1 布孔間距幾何模型及網格劃分

2.3 布孔間距對煤層瓦斯預抽效果的影響

2.3.1布孔間距模擬方案

實際生產過程中，通過抽采鉆孔來降低煤層瓦斯含量的方式已得到廣泛應用。煤層瓦斯的抽采效果與布孔參數有很大關系，其中布孔間距是影響瓦斯抽采效果的重要因素之一。布孔間距減小，則鉆場內的鉆孔數目增加，瓦斯抽出總量雖有所增加，但單一孔的抽出量減少。鉆孔數目越多，瓦斯抽采量衰減越快，短期內抽放效果越好，預抽達標時間越短，但施工成本有所提高；鉆孔數目越少，瓦斯抽采量衰減越慢，短期內抽放效果下降，預抽達標時間越長，但施工成本有所降低。

根據小莊礦40205工作面煤層瓦斯賦存情況，有針對性選擇布孔間距，以期提高瓦斯抽采效果。為研究鉆孔附近煤層瓦斯運移規律，確定布孔間距的最優化設計，煤層設置兩平行鉆孔，布孔間距依次設置為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m，模擬不同抽采時間下，煤層瓦斯壓力分布狀況，進而確定最佳抽采鉆孔布孔間距，方便現場鉆孔施工方案設計，預抽孔布孔間距模擬方案，見表1。

表1 抽采鉆孔布孔間距模擬方案

2.3.2不同布孔間距下煤層瓦斯預抽效果

不同布孔間距下煤層瓦斯壓力分布如圖2所示。煤層瓦斯壓力分布呈相同的變化趨勢，鉆孔附近瓦斯壓力最低，遠離鉆孔方向瓦斯壓力逐漸增高；兩鉆孔間的瓦斯壓力呈“拱形”分布，且鉆孔中間的瓦斯壓力最高；隨著布孔間距的增加，鉆孔間最大瓦斯壓力逐漸增大。此外，鉆孔間瓦斯壓力值恒低于鉆孔外側瓦斯壓力值，這是由于兩鉆孔中間的煤層同時受兩鉆孔負壓的影響，處于抽采重疊區域以內。

預抽90 d時，布孔間距為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m時的鉆孔間最大瓦斯壓力依次為：142.554、161.178、173.957、182.435、193.179 kPa；預抽210 d時的鉆孔間最大瓦斯壓力依次為：141.469、157.040、168.644、178.230、188.685 kPa?？梢园l現，當布孔間距為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m時，預抽210 d后，鉆孔間最大瓦斯壓力可降至煤層原始瓦斯壓力的50%。

由圖2(f)可以看出，兩孔中心最大瓦斯壓力隨著布孔間距的增加逐漸升高。當布孔間距在1.8～2.5 m時，其增長速率比較大，預抽90、210 d時兩孔中心最大瓦斯壓力差距逐漸增大；當布孔間距在2.5～3.5 m時，其增長速率有所降低，預抽90、210 d時兩孔中心最大瓦斯壓力差距逐漸趨于穩定。這是由于鉆孔間距較小時，相鄰鉆孔在短期內就能相互影響，產生疊加抽采效果，抽采初期瓦斯預抽效果明顯，隨著鉆孔間距的增大，鉆孔間瓦斯抽放效果逐漸降低。綜合考慮布孔間距對煤體瓦斯抽采效果的影響和防止大孔徑抽采鉆孔易塌孔等因素，鉆孔間距為3.0 m時，預抽效果最好。

2.3.3 3.0m布孔間距時煤層瓦斯預抽效果

布孔間距為3.0 m時，煤層瓦斯壓力分布如圖3所示。由圖3發現，距離鉆孔越近，瓦斯壓力越低，隨著距鉆孔距離的增加，瓦斯壓力逐漸增加并趨近于原始瓦斯壓力；距鉆孔位置較近煤體的瓦斯壓力下降較快，同一位置處瓦斯壓力隨著抽采時間的延長而降低；經過不同的抽采時間，煤層瓦斯壓力降低的范圍不同，從0 d到30 d再到90 d最后達到210 d，鉆孔周圍煤體瓦斯被不斷抽出，煤層瓦斯壓力逐漸降低，產生瓦斯壓力降低的范圍越來越廣，抽采影響區域范圍逐漸增大。

圖2 不同布孔間距下煤層瓦斯壓力分布

不同時間下瓦斯壓力分布曲線如圖4所示。由圖4可以看出，鉆孔附近位置瓦斯壓力下降速度在抽采初期很快，隨著抽采時間延長不斷減慢。其中，煤層瓦斯壓力在0～90 d時的下降速率比較大，繼續抽采時，煤層瓦斯壓力下降速率逐漸降低；隨著距鉆孔距離的增加，瓦斯壓力下降速率逐漸減小，即距離鉆孔越近，瓦斯抽采效果越好，距離鉆孔越遠，抽采效果相應降低。不同抽采時間下，各處瓦斯壓力差值在抽采初期較大，隨著預抽時間的延長，各處瓦斯壓力差值逐漸趨于零。因此，隨著抽采時間的增加雖然能夠增加瓦斯抽采量，但存在最佳抽采時間，超過這個時間，即使延長抽采時間，對瓦斯抽采純量增加影響不大。相關試驗及現場應用研究也表明，抽采初期，鉆孔瓦斯抽采濃度及流量較大；在抽采后期，抽采量不再增加或呈負指數規律逐漸減小，即隨著抽采時間的增加，能夠增加瓦斯抽采量，但存在最佳極限抽采時間，超過這個時間，即使延長抽采時間，對瓦斯抽采純量增加影響不大。并且延長抽采時間可導致延誤工期，造成抽采工程量浪費。因此礦井應根據煤層瓦斯賦存情況，結合抽采半徑測試結果，在滿足煤層消突及降低瓦斯涌出量的前提下，綜合確定最佳抽采時間，既保障抽采效果，又降低抽采費用。

圖3 布孔間距為3.0 m時煤層瓦斯壓力分布云圖

圖4 不同時間下瓦斯壓力分布曲線

3 工程實踐

3.1 40205工作面預抽鉆孔設計

40205工作面共布置3套(2號、4號、5號)地面永久瓦斯抽采系統。3套抽采泵型號為2BEC-2BY4，額定抽采流量為400 m3/min，實際取200 m3/min。其中2號永久瓦斯抽采系統主要用于40205工作面采前預抽，設計抽采流量100 m3/min，抽采濃度30%，抽采瓦斯量30 m3/min。

圖5 40205工作面鉆孔分布圖

在40205工作面回風巷布置瓦斯抽采鉆孔，鉆孔巷道長2 000 m，鉆孔水平間距3.0 m，垂直間距400 mm，仰角3°、6°間隔布置，孔徑113 mm，孔深180 m，施工預抽鉆孔總量為1 232個，總進尺221 760 m。40205工作面鉆孔分布如圖5所示，鉆孔采用馬麗散F型、馬麗散N型混合封堵，LHFK-1封孔劑填充的方法進行封孔，封孔長度大于10 m。抽采管為長10 m、外徑108 mm的抗靜電塑料管；封孔管前端加裝鐵檔板，外側纏上棉紗，防止封孔劑流出封閉區；封孔管外口處用帶有注膠管的檔板堵口，通過注膠孔注入封孔材料。為了避免封孔管晃動影響封孔質量，孔口處用木塞楔緊，封孔材料劑量嚴格按照材料說明執行。

3.2 40205工作面瓦斯預抽效果分析

2020年4月1日至10月11日回風巷采前預抽效果如圖6所示。預抽瓦斯濃度整體呈下降趨勢，局部出現突增突降現象。4月1日至5月15日期間，瓦斯濃度整體呈下降趨勢；5月15日至7月13日期間，瓦斯濃度相較于之前一段時間平均值突增，基本穩定在4.5%左右，浮動較大；7月14日至9月20日期間抽采濃度突降，基本穩定在2.6%左右，浮動較??；9月20日至10月2日期間，瓦斯濃度突增至4%左右，隨后穩定在2%～3%，此抽采時段內，瓦斯濃度基本維持在2%～7%。預抽混合流量與預抽瓦斯濃度呈反相關，當預抽濃度增加時，預抽混合流量下降，當預抽濃度下降時，預抽混合流量上升。

圖6 40205回風巷2020年4月1日至10月11日預抽效果

回風巷采前預抽瓦斯純量如圖7所示，整體抽采純量呈現先下降再升高再下降的趨勢，4月1日至5月31日期間預抽純量從3.0 m3/min下降到1.0 m3/min，6月1日出現突增，隨后緩慢增加，到7月20日達到4.0 m3/min，7月20日至7月27日期間驟減到2.0 m3/min，之后預抽瓦斯純量緩慢下降，并最終趨于穩定。

圖7 40205回風巷2020年4月1日至10月11日預抽瓦斯純量

4 結論

(1)根據吸附-游離兩種形態瓦斯，建立瓦斯抽采理論模型，更貼合煤層瓦斯實際賦存狀態，提高了預抽鉆孔參數選擇的精度。

(2)布孔間距在1.8～2.5 m時，兩孔中心最大瓦斯壓力的增長速率較大；布孔間距在2.5～3.5 m 時，其增長速率有所降低。

(3)當布孔間距為3.0 m時，煤層瓦斯壓力在0～90 d時下降速率較大，繼續抽采，煤層瓦斯壓力下降速率逐漸減緩；抽采過程存在最佳抽采時間。

(4)數值模擬顯示：40205工作面順層預抽孔布孔間距設置為3.0 m，在預抽210 d時將煤層瓦斯壓力降至50%以下，達到預抽標準。

(5)現場應用顯示：40205工作面回風巷的瓦斯抽采純流量大且較為穩定，基本穩定在1.50 m3/min左右，預抽效果較為理想。