順層鉆孔瓦斯有效抽采半徑測定方法研究

郭瑞瑞，郭愛偉

(國能神東煤炭集團有限責任公司布爾臺煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017200)

近年來，煤礦安全管控不斷加強，瓦斯災害事故逐年減少，然而隨著煤礦采掘深度的遞增，瓦斯涌出量同樣呈現遞增趨勢，瓦斯災害治理形勢依然嚴峻[1-2]。瓦斯抽采是減少瓦斯涌出最直接且有效的方法之一，通常使用順層鉆孔預抽的方法。對抽采鉆孔來說，過大的抽采鉆孔間距需消耗更多時間才能達到預期抽采效果；過小的間距會導致作業量增加且浪費資源[3-4]。由此可見，有效瓦斯抽采半徑直接決定著瓦斯抽采效率的高低，精準測定順層鉆孔瓦斯有效抽采半徑對后續瓦斯預抽的作業效果起著事半功倍的作用。

目前國內學者對瓦斯抽采有效半徑的測定方法做了大量的研究，可以歸納為現場布孔實測和數值模擬研究2個方面。梁冰等[5]通過將測壓孔和抽采孔分組布置于同一煤層高度并探究每組鉆孔瓦斯壓力的變化關系從而判斷有效抽采半徑；余陶等[6]通過研究鉆孔瓦斯流量的指數衰減存在特征，整理出判斷有效抽采半徑值的特征；王峰等[7]通過研究煤層瓦斯含量法的應用，得出在沖煤量和抽采期2個變量主導下的水力沖孔有效半徑；李潤芝等[8]提出采用鉆孔周圍煤體不同時刻的瓦斯含量，確定瓦斯抽采半徑并設計出合理的布孔間距；王紅衛[9]對順層鉆孔瓦斯壓力、瓦斯含量等參數測定，并結合直接法和間接法得出順層鉆孔瓦斯有效抽采半徑；岳高偉等[10]對各向異性煤層瓦斯滲透測試結果進行研究并通過構建滲透模型，得到有效抽采半徑變化規則；張權、程弘銘等[11-12]結合數值模擬，探索了鉆孔直徑、抽采時間等相關參數與鉆孔有效抽采半徑的聯系；陳輝、郝天軒等[13-14]利用COMSOL對SF6氣體的運移規律進行模擬，成功獲得鉆孔有效抽采半徑。

筆者通過數值模擬與現場實測等研究方法，探索煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性系數及抽采負壓與瓦斯有效抽采半徑之間的變化關系，從而可高精度確定順層抽采鉆孔瓦斯有效抽采半徑，該方法旨在為判斷順層抽采鉆孔瓦斯有效抽采半徑提供一種新思路和新方法。

1 礦井概況

建新煤礦地處陜西省黃陵縣，所含煤層為侏羅系中統延安組，可采煤層厚度為0～11.73 m，可采煤層有4層，自上而下分別為3-2、3-3、4-1、4-2號煤層。目前主采4-2號煤層，煤層厚6.78 m，原始瓦斯含量為3.54～5.86 m3/t，本煤層原始瓦斯含量較低，但隨著機械化程度的提高，開采強度不斷加大，使其日產量逐漸逼近12 000 t，在回采工作面，絕對瓦斯涌出量超過30 m3/min，使其成為典型的煤層瓦斯含量低但涌出量高的礦井。選取4-2號煤層4207工作面回風巷進行鉆孔測定半徑試驗，該工作面位于4-2煤層西南部，工作面呈西南-東北方向布置，巷道斷面形狀為矩形，無斷層且頂板完整。

2 現場測定有效抽采半徑

2.1 測定原理

在瓦斯抽放前，需要對4207工作面瓦斯抽采鉆孔的自然涌出量和抽放量進行探測。通過大量試驗及現場測定發現，伴隨抽采時間的增加煤層鉆孔內的瓦斯涌出量出現負增長，整體變化規律與負指數方程相吻合[15]：

qt=q0e-αt

(1)

式中：q0——鉆孔初始瓦斯流量，m3/min；

qt——鉆孔抽采時間為t時所排放的瓦斯量，m3/min；

α——鉆孔瓦斯流量衰減系數，d-1；

t——排放瓦斯時間，d。

當抽放時間為t時累計排放瓦斯量Qt可由式(2)計算得出：

(2)

式中：Qt——抽采時間為t時累計排放瓦斯量，m3/t。

百米抽采鉆孔影響范圍內的煤層總瓦斯儲存量可用下式表示：

Qz=100lhρW

(3)

式中：Qz——百米抽采鉆孔影響范圍內的煤層總瓦斯儲存量，m3/t；

l——鉆孔間距，其大小不大于2倍的鉆孔有效抽采半徑，m；

h——抽采鉆孔影響的煤層厚度，m；

ρ——抽采鉆孔所影響的范圍內煤層的密度，t/m3；

W——瓦斯抽采鉆孔所影響范圍內瓦斯的存在量，m3/t。

由煤層預抽率不小于30%，可得：

(4)

即得：

(5)

2.2 測定方法

4207工作面采用鉆孔預抽降低煤層瓦斯含量，工作面兩側均為未開采的實體煤層，共布設15個預抽鉆場，每個鉆場布置4組鉆孔，以下以11號鉆場為例詳細進行分析。11號鉆場布置4組鉆孔，鉆孔直徑為94 mm，鉆孔深度為40 m，各組鉆孔間距為8 m。每組鉆孔各施工3個抽采鉆孔，4組鉆孔孔間距分別設置為1、2、3、4 m，編號從右到左依次為1號～12號。各鉆孔之間互不影響，現場實測鉆孔分布如圖1所示。

圖1 現場實測鉆孔分布

抽采鉆孔通過使用液壓鉆機進行打鉆，鉆進過程中用取樣罐取每個抽采孔深20 m處的新鮮煤樣，對1～12號的12組煤樣進行瓦斯含量測定，測定結果詳見表1。

表1 瓦斯抽采各參數測定值

其中，最終值選取每組鉆孔抽采的瓦斯含量最大值，即3號、4號、9號、11號鉆孔。鉆孔施工結束，利用囊袋式兩堵一注方法進行封孔，然后安裝抽采系統，利用抽采負壓表、流量計、U型壓差計等測定抽采過程中的基礎性參數，隨即將其換算成百米單孔瓦斯抽采純量。

2.3 測定結果

根據每天現場所測得的鉆孔抽采瓦斯混合流量、鉆孔長度等參數換算為百米鉆孔平均瓦斯抽采純量qt，抽采結果按照負指數關系進行擬合得出曲線，如圖2所示。鉆孔間距分別為1、2、3、4 m時百米鉆孔抽采純量qt與抽采時間t可得到如下方程式：

圖2 瓦斯平均抽采量與時間擬合曲線

(1)1號～3號鉆孔：

qt=0.095 3e-0.023t

(6)

(2)4號～6號鉆孔：

qt=0.026 9e-0.012t

(7)

(3)7號～9號鉆孔：

qt=0.035 3e-0.015t

(8)

(4)10號～12號鉆孔：

qt=0.084 3e-0.059t

(9)

當瓦斯含量下降均大于測定瓦斯含量及殘存瓦斯含量時，進行預抽率計算，得出不同鉆孔間距對應的抽采時間及有效抽采半徑，具體結果見表2。由表2可以看出，4種不同鉆孔間距在抽采時間達到預測值后，抽采率在32.70%～37.00%，平均抽采率達34.67%，整體均大于30.00%。根據《GB41022-2021煤礦瓦斯抽采基本指標》的相關規定，可認為4207工作面整體抽采達標。

表2 不同鉆孔間距對應抽采時間下的有效抽采半徑

3 有效抽采半徑的模擬計算過程

3.1 模型的建立

通過Comsol Multiphysics中的瞬態求解器探索當鉆孔抽采時煤層中的瓦斯壓力與抽采時間之間的關系[16]，絕對容差可達到0.000 1，在求解初始階段，瓦斯壓力展現出較快的變化趨勢，初步設定步長4 h，在解算后續階段分別設定步長12 h與24 h，將求解時間設為90 d。

3.2 模擬結果分析

對有效抽采半徑進行精確的模擬測定需結合現場實測情況構建模型，設定工作面煤壁長度40 m，煤層厚5 m，抽放鉆孔為順層鉆孔，將鉆孔所在模型地點取為其中心區域，對已設計好的幾何模型開始網格劃分，將其劃分為四邊形網格，網格數量226 986，網格節點225 416，整體網格劃分如圖3所示。

圖3 整體網格劃分

結合4207工作面實際情況和表2的實測結果，在抽采方案設計過程中抽采時間的設定通常不大于90 d。在進行本次數值模擬時，抽采時段瓦斯壓力分布狀態提取結果分別為10、30、60、90 d。與此同時，該模型解算過程中所使用的基礎參數均為4207工作面現場實測所獲得的基礎參數：彈性模量E為2 710 MPa，泊松比υ為0.33，煤體密度ρ為1.44 t/m3，標況下瓦斯密度ρn為0.714 kg/m3，大氣壓力為0.101 MPa，初始孔隙率k為0.089，粘度μ為1.08×10-5Pa·s，煤的吸附常數a為0.017 21 m3/kg，煤的吸附常數b為0.593 MPa-1，煤的水分W為4.14%，煤的灰分A為14.44%，煤層瓦斯壓力為0.53 MPa，地應力f為12.5 MPa，煤層初始滲透率φ為2.5×10-18m2。

由所構建的幾何模型及所測得的基本參數進行模擬試驗，設定抽采鉆孔直徑94 mm，抽采負壓14 kPa，透氣性系數0.2 m2/(MPa2·d)，與此同時當抽采時間為10、30、60、90 d時，鉆孔周邊煤層瓦斯壓力變化如圖4所示。

圖4 不同抽采時間的瓦斯壓力變化

將距鉆孔水平距離作為橫坐標，瓦斯壓力作為縱坐標，探究各抽采時間段呈現出的規律。不同抽采時間距鉆孔水平距離與瓦斯壓力的關系如圖5所示。

由圖4和圖5可得出各參數之間的規律：在試驗設定時間的10～90 d內，瓦斯壓力出現明顯減小的范圍會隨抽采時間的增加而增大。當抽采時間一定時，瓦斯壓力會隨著距鉆孔孔口距離的增加而增大，壓力降低速率會逐漸減小，離鉆孔最遠位置的瓦斯壓力與煤層原始瓦斯壓力近似相等；相反，瓦斯壓力會隨著距鉆孔孔口的距離減小而減弱，壓力降低速率會逐漸變大，距鉆孔孔口距離最小時的區域瓦斯壓力近似于鉆孔壓力。

圖5 不同抽采時間距鉆孔水平距離與瓦斯壓力的關系

當距鉆孔距離一定時，抽采時間的不斷增加會使得瓦斯壓力越來越小，瓦斯壓力的降低速率也越來越小。這是由于初始抽采時期煤層瓦斯含量高，研究測點的兩側瓦斯壓力梯度較大且滲流的速度較快，因此壓力減小的速率大；隨著抽采時間的增加，所測鉆孔周圍瓦斯含量越來越小，而距離鉆孔較遠位置的瓦斯由于無法迅速運移至所測鉆孔處，使得瓦斯壓力梯度下降，其滲流減緩，瓦斯壓力的減小速率也在降低。

瓦斯抽采效率：

(6)

式中：η——抽采效率，%；

Wc——抽采鉆孔影響范圍內殘余瓦斯含量，m3/t；

W0——抽采鉆孔影響范圍內瓦斯含量，m3/t；

pc——抽采鉆孔影響范圍殘存瓦斯壓力，MPa；

p——抽采鉆孔影響范圍初始瓦斯壓力，MPa。

4207工作面原始瓦斯壓力為0.53 MPa，當殘存瓦斯壓力達到0.26 MPa時，抽采效率約30%，可判斷其抽采達標。由此得出，當鉆孔周圍某一區域的瓦斯壓力為0.26 MPa時，該區域與鉆孔軸心的直線長度便是達到該壓力值時所用抽采時間點的有效抽采半徑。

通過對鉆孔周圍瓦斯壓力的數值模擬，得到10、30、60、90 d時有效抽采半徑分別為0.366、0.921、1.504、2.030 m。表明抽采時間與有效抽采半徑分布呈現一定的非線性關系。當抽采時間為20～60 d時，數值模擬有效抽采半徑為0.921～1.504 m，而現場實測有效抽采半徑為1.000～1.500 m；當抽采時間為90 d，數值模擬有效抽采半徑為2.030 m，而現場實測有效抽采半徑約為2.000 m，二者結果基本一致，由此證明了數值模擬計算參數選擇合理，模擬結果基本可靠。

4 結論

(1)抽采半徑所影響的區域在抽采時間不斷增加的過程中呈現出逐漸擴大的趨勢。當抽采時間一定時，瓦斯壓力隨著距鉆孔孔口距離的增加而增大，壓力降低的速率逐漸減??；反之，瓦斯壓力會隨著距鉆孔孔口距離減小而減弱，壓力降低的速率也會逐漸變大。

(2)通過分析瓦斯抽采流量得出鉆孔抽采衰減關系，計算得出抽采半徑達到有效抽采半徑對應的時間，得到建新煤礦4-2號煤層4207工作面抽采孔徑為94 mm時，有效抽采半徑達到0.5、1.0、1.5、2.0 m時所用的時間分別為9、20、39、87 d。

(3)4207工作面有效抽采半徑的數值模擬表明，當抽采時間為20～90 d，數值模擬有效抽采半徑與現場實測有效抽采半徑的結果基本一致，由此證明了數值模擬計算參數選擇合理，模擬結果基本可靠，可為類似礦井提供借鑒意義。