多手段測定煤層鉆孔抽采有效半徑技術(shù)研究

呂 閆 孫 亮

(1.山西華晉焦煤沙曲二礦;2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司)

多手段測定煤層鉆孔抽采有效半徑技術(shù)研究

呂 閆1孫 亮2

(1.山西華晉焦煤沙曲二礦;2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司)

為準(zhǔn)確測定某礦8208綜采工作面本煤層瓦斯抽采半徑，提出采用基于相對壓力法和數(shù)值模擬相結(jié)合的多手段綜合測定技術(shù)。通過分析抽采半徑測定的原理，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)COMSOL軟件，分析了鉆孔內(nèi)瓦斯流動方程，進(jìn)行抽采鉆孔施工及壓力觀測，結(jié)果表明：當(dāng)抽采15 d時，距離抽采孔1 m遠(yuǎn)的壓力觀測孔瓦斯壓力下降到51%壓力觀測指標(biāo)線之下，數(shù)值模擬結(jié)果與觀測結(jié)果基本吻合，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)踐。

綜采工作面 瓦斯抽采半徑 相對壓力法 數(shù)值模擬 COMSOL 壓力觀測指標(biāo)

順層瓦斯預(yù)抽鉆孔是治理采煤工作面本煤層預(yù)先抽采瓦斯的重要手段[1-3]，而準(zhǔn)確測定本煤層抽采鉆孔的抽采半徑，對于工作面本煤層的瓦斯治理尤為關(guān)鍵，尤其在施工本煤層預(yù)抽鉆孔的間距上[4]?？茖W(xué)合理地尋找最佳抽采半徑和布置鉆孔，才能得到最佳的抽采效率和抽采效果[5]。為此，研究人員提出了多種測定抽采半徑的理論與方法[6-9]，如文獻(xiàn)[6]中提出基于壓降法的不等距布置抽采孔與測壓孔的“一抽一測法”，此方法施工簡單，可以通過較少的測點(diǎn)準(zhǔn)確測定抽采半徑。但煤層抽采半徑的測定工作影響因素多，現(xiàn)場施工受到抽采負(fù)壓、封孔效果、封孔質(zhì)量等因素制約，采用單一的觀測壓力的方法，測定效果不是十分理想。因此，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)，應(yīng)用數(shù)值模擬手段，采用COMSOL模擬軟件，與現(xiàn)場觀測相結(jié)合，綜合測定鉆孔抽采半徑，并結(jié)合某礦8028綜采工作面實(shí)踐，得出抽采半徑測定結(jié)果，為工作面瓦斯治理提供理論依據(jù)。

1 煤層抽采半徑測試?yán)碚?/h2>

1.1 測試原理

采用相對壓力法進(jìn)行抽采半徑測試，其原理是煤層預(yù)抽后，預(yù)抽率應(yīng)大于30%且在沒有考察出煤層始突深度的煤層瓦斯含量或壓力，必須將煤層瓦斯含量降到8 m3/t以下，由煤層瓦斯含量與壓力關(guān)系式(1)及其簡化式(2)可知，當(dāng)煤層預(yù)抽率為30%，即殘余瓦斯含量為原始瓦斯70%，則此時殘余瓦斯壓力為原始瓦斯壓力的49%，瓦斯壓力下降量為51%，此即為抽采半徑考察的標(biāo)準(zhǔn)[10]。

(1)

(2)

式中，Wcy為殘余瓦斯含量，m3/t；a,b為吸附常數(shù)；Pcy為煤層殘余相對瓦斯壓力，MPa；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，0.101 325 MPa；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；π為煤的孔隙率，m3/m3；γ為煤的視密度，t/m3;X為煤層瓦斯含量，m3/t；α為煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/(tMPa0.5)；P為煤層絕對瓦斯壓力，MPa。

1.2 測試方法

如圖1所示，首先在煤層施工一排測壓孔，每個測壓孔裝上壓力表，記錄每個測壓孔的原始壓力P1，P2，P3，…，Pn,然后進(jìn)行抽采。觀察各個測壓孔瓦斯變化情況，將瓦斯壓力下降到穩(wěn)定壓力(鉆孔封孔以及壓力表安裝完畢后，初始壓力讀數(shù)穩(wěn)定)10%以上的鉆孔視為抽采影響范圍內(nèi)鉆孔，將抽采鉆孔到距其最遠(yuǎn)的一個抽采影響范圍內(nèi)鉆孔的距離視為影響抽采半徑。

圖1 測試鉆孔布置示意

2 煤層抽采半徑數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

(1)連續(xù)方程。Δt時間瓦斯在煤層中流動符合質(zhì)量守恒定律[11]，即

(3)

式中,ρ為流體密度，kg/m3；q為比流量矢量，m3/(m2·d)；N為孔隙率，%；Sw為飽和度，%；M為該體積內(nèi)單位時間由源或匯產(chǎn)生或吸收的質(zhì)量，kg/(m2·d)；t為時間，s。

(2)達(dá)西定律。瓦斯在煤層中的流動符合達(dá)西定律[12]，即

(4)

式中,v為瓦斯流動的速度，m/d；k為煤的滲透率，m2；μ為瓦斯的絕對粘度，MPa·d；P為煤層瓦斯壓力，MPa；n為煤層瓦斯的動力粘度，Pa·s。

(3)鉆孔周圍瓦斯流動方程[13]為

(5)

(6)

式中,P為煤層瓦斯壓力,MPa；t為煤層瓦斯流動的

時間，s；r為徑向流場的半徑，m；P0為原始煤層瓦斯壓力，MPa；λ為煤層透氣系數(shù)，m2/(Pa2·s)；a、b、c為單位換算系數(shù)。

2.2 物理模型

數(shù)值模擬采用COMSOL軟件[14]，測試的鉆孔抽采半徑物理模型見圖2，參數(shù)見表1。

圖2 抽采半徑測定物理模型

煤層厚度/m鉆孔孔徑/mm鉆孔長度/m封孔長度/m吸附常數(shù)a/(m3/t)吸附常數(shù)b/MPa-1孔隙率/%透氣性系數(shù)/(m2/(MPa2·d))3.4113402030.3401.2104.861.46

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

限于篇幅，列出抽采孔連抽9～15 d的鉆孔周圍瓦斯壓力結(jié)果(圖3)，其中，中間鉆孔表示抽采孔，兩側(cè)鉆孔代表測壓孔，2個測壓孔距抽采孔均為1 m，實(shí)測鉆孔未預(yù)抽瓦斯之前煤體瓦斯壓力為0.48 MPa左右。

圖3 抽采半徑數(shù)值模擬結(jié)果

由圖3可以看出，距離抽采孔2～5 m的煤體瓦斯壓力為0.48 MPa左右。隨著抽采天數(shù)的增加，抽采孔附近的煤體瓦斯壓力在逐漸降低。抽采9 d時，距抽采孔0.5 m的煤體瓦斯壓力為0.25 MPa左右；抽采11 d時，距抽采孔0.7 m的煤體瓦斯壓力為0.25 MPa左右；抽采13 d時，距抽采孔0.9 m的煤體瓦斯壓力為0.25 MPa左右；抽采15 d時，距抽采孔1 m的煤體瓦斯壓力為0.25 MPa左右，此時，影響到1 m處的測壓孔，測壓孔的瓦斯壓力下降到初始穩(wěn)定壓力0.48 MPa的51%，即0.25 MPa左右，說明抽采15 d時，抽采半徑為1 m。

3 煤層抽采半徑現(xiàn)場測定

3.1 測定地點(diǎn)選擇

某礦8208綜采工作面位于井田2#煤層二采區(qū)，井下標(biāo)高為864～942 m，最大垂深為480 m；回風(fēng)順槽高，運(yùn)輸順槽低，平均落差約26 m；走向長680 m，傾向長180～223 m，面積為121 543 m2。工作面東側(cè)為8206工作面采空區(qū)，西側(cè)為實(shí)體煤，南側(cè)為實(shí)體煤，北側(cè)為82采區(qū)3條下山。在8208回風(fēng)順槽距巷口30 m處布置測點(diǎn)，通過順層鉆孔考察2#煤抽采半徑。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)與施工

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，在8208回風(fēng)順槽施工一組抽采半徑考察測點(diǎn)，共施工5個φ113 mm順層鉆孔。其中，中間為瓦斯抽采鉆孔兩側(cè)為壓力觀測鉆孔。抽采半徑測定鉆孔布置見圖4，鉆孔參數(shù)見表2。

圖4 抽采半徑測定鉆孔示意

編號類型與巷道夾角/(°)傾角/(°)孔徑/mm孔長/m封孔長/m與抽采孔距離/m0#抽采孔90-12113401501#測壓孔90-12113401512#測壓孔90-12113401513#測壓孔90-12113401524#測壓孔90-1211340152

3.3 實(shí)測結(jié)果

測壓鉆孔封孔后，待壓力穩(wěn)定，將抽采鉆孔連入礦井已有抽采系統(tǒng)，根據(jù)抽采時間推移,對各壓力孔瓦斯壓力值變化情況進(jìn)行分析，繪制鉆孔壓力變化曲線，見圖5。

從圖5中可以看出，各鉆孔瓦斯壓力隨時間變化逐漸降低，觀測孔與抽采鉆孔的距離越大，下降至有效抽采線所需抽采時間就越長，當(dāng)抽采時間為15 d 時，有效抽采半徑為1 m。

圖5 抽采半徑觀測數(shù)據(jù)結(jié)果

4 結(jié) 論

基于相對壓力法原理，提出了通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的多手段綜合測試瓦斯抽采半徑方法，結(jié)合某礦8208工作面本煤層抽采半徑測定實(shí)踐，得出抽采15d時8208本煤層順層瓦斯抽采鉆孔抽采半徑為1m。實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。相比傳統(tǒng)單一手段測試抽采半徑，現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬手段相結(jié)合的方法可以更加科學(xué)可靠地測定出抽采半徑，此方法可以更好地指導(dǎo)礦井瓦斯抽采工作。

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2016-08-22)

呂 閆(1983—)，男，副科長，助理工程師，033399 山西省呂梁市柳林縣穆村鎮(zhèn)沙曲村。