基于數(shù)值模擬的煤層瓦斯抽采半徑合理化試驗(yàn)研究

張嘉勇， 陳 建，周鳳增，張新雙，張金海，李鳳志

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000；3.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司 錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

基于數(shù)值模擬的煤層瓦斯抽采半徑合理化試驗(yàn)研究

張嘉勇1， 陳 建1，周鳳增2，張新雙2，張金海3，李鳳志3

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000；3.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司 錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

針對井下煤與瓦斯的突出問題，在開灤錢家營礦進(jìn)行了煤層瓦斯抽放半徑測定的實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用壓力指標(biāo)法對5煤層的瓦斯抽放半徑進(jìn)行測定，結(jié)果表明5煤層的抽放半徑大于1m；采用改進(jìn)含量指標(biāo)法現(xiàn)場測定了5煤層瓦斯的有效抽放半徑，在3～4m范圍內(nèi)；采用RFPA2D-GasFlow模擬軟件對瓦斯在抽放過程中的滲流情況進(jìn)行模擬，最終確定模擬有效半徑為3.4m；通過數(shù)學(xué)分析最終確定抽放鉆孔布置最佳間距為4.8m，測定結(jié)果為錢家營礦防突措施的開展提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)和依據(jù)。

含量指標(biāo)法；礦井防突；抽放半徑；數(shù)值分析

隨著礦井開采年限增加，可采煤層的賦存深度隨之加深[1]。煤層深部瓦斯壓力高[2]、地應(yīng)力增大，煤層發(fā)生突出可能性大，礦井的安全生產(chǎn)受到威脅，急需采取安全有效的方法治理瓦斯、預(yù)防突出。煤層瓦斯抽放是治理礦井瓦斯的重要措施之一[3]。煤層瓦斯抽放措施的關(guān)鍵在于確定煤層瓦斯抽放半徑[4]。錢家營礦-850m水平5煤層瓦斯涌出量較大，煤的硬度小，瓦斯壓力大，煤層滲水且水量不穩(wěn)定[5]，煤層突出危險性較高。因此，在5煤層采用抽放瓦斯的方法降低煤層瓦斯壓力。瓦斯抽放過程中，確定煤層瓦斯抽放半徑是關(guān)鍵，煤層瓦斯抽放的效果取決于瓦斯抽采半徑[6]。因此，展開了對錢家營礦5煤層瓦斯抽放半徑的試驗(yàn)研究。

1 測定方法選擇及現(xiàn)場測定

煤層瓦斯抽放半徑的測定方法一般分為3種：壓力指標(biāo)法、含量指標(biāo)法、相對壓力指標(biāo)法[7]。首先選擇方便快捷的壓力指標(biāo)法對錢家營礦5煤層瓦斯抽放半徑進(jìn)行測定。

1.1 布置鉆孔

在工作面布置5個測壓鉆孔，分別標(biāo)號1，2，3，4，5號。5個鉆孔承立體式布置，減小測壓鉆孔對煤層瓦斯抽放的影響。3號孔為測試孔，2，4，1，5號孔分別距3號孔1，2，3，4m，并分別布置在3號鉆孔的下、右、左、上方向。具體分布如下圖1所示。

圖1 鉆孔分布示意

1，2，3，4，5號鉆孔現(xiàn)場布置數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 5煤層瓦斯參數(shù)測定鉆孔布置參數(shù)

具體施工過程：在-850m水平副石門處，按照鉆孔布置圖所示從巷道左幫向5煤層打測壓鉆孔，分別為1，2，3，4，5號鉆孔。成孔后迅速清洗鉆孔，安裝鉆孔套管進(jìn)行封孔。具體操作步驟如下所述。

(1)第1鉆孔成孔后，放入8～10m的直徑為108mm的套管，進(jìn)行封孔。封孔過程中，要保證有3m以上的距離為聚氨酯乳液和煤孔壁直接接觸，并在管口處用速凝水泥封孔。

(2)鉆孔口處，用法蘭盤與套管對接，法蘭盤上連接有壓力表和抽放閥門。

(3)在距離第1鉆孔1m處打第2鉆孔，其他鉆孔施工方式同第1鉆孔施工過程類似。

(4)將所有鉆孔封閉，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，確保鉆孔密封效果在誤差范圍內(nèi)。

1.2 壓力指標(biāo)法現(xiàn)場試驗(yàn)

分別向1，2，4，5號鉆孔內(nèi)注入2MPa的壓縮空氣，關(guān)閉閥門，并在3號鉆孔進(jìn)行抽放瓦斯，若某鉆孔內(nèi)氣體壓力逐步減小，可認(rèn)定其鉆孔位置在3號鉆孔的抽放半徑內(nèi)。

現(xiàn)場記錄各個壓力表數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 5煤層瓦斯測壓鉆孔壓力數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)分析可知，3號鉆孔進(jìn)行抽放工作時，1，2，4號鉆孔內(nèi)氣體壓力小幅度降低，后逐漸增高。氣體充入鉆孔后，會逐漸滲透到孔壁周圍的裂隙內(nèi)，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)氣體壓力降低。氣體壓力逐步增高是由煤層滲水引起的，煤層水緩慢滲入鉆孔中導(dǎo)致鉆孔內(nèi)部氣體被壓縮，氣體壓力升高。由于抽放作用于裂隙之間，滲流速度緩慢，無法排除滲水對實(shí)驗(yàn)的干擾。因此，需要采用新方法對3號鉆孔抽放半徑進(jìn)行測定。

1.3 含量指標(biāo)法測定有效抽放半徑

由于壓力指標(biāo)法所測數(shù)據(jù)無法排除誤差原因，因此，采用含量指標(biāo)法測定有效抽放半徑。

傳統(tǒng)含量指標(biāo)法測定有效抽放半徑，主要通過測定游離瓦斯和吸附瓦斯之和，但整個實(shí)驗(yàn)過程較復(fù)雜緩慢，所以對此方法進(jìn)行改進(jìn)，主要改進(jìn)過程為：實(shí)驗(yàn)前抽測到鉆孔內(nèi)氣體成分，然后進(jìn)行封孔，依次從5，1，4，2號鉆孔進(jìn)行注氮，對3號鉆孔抽放瓦斯，監(jiān)測該鉆孔內(nèi)氣體成分變化。一段時間后，確定首先使3號鉆孔內(nèi)氮?dú)庠隽砍^誤差范圍的注氮鉆孔，此鉆孔距3號鉆孔的距離為有效抽放半徑。此方法為氮?dú)鈽?biāo)定法。

1.4 氮?dú)鈽?biāo)定法現(xiàn)場試驗(yàn)

抽放前工作面氣體濃度色譜分析結(jié)果：氮?dú)?8.53%，氧氣20.78%，甲烷0.41%，其他氣體0.28%。

1.4.1 5號鉆孔注氮

5號鉆孔持續(xù)注入氮?dú)?，不關(guān)閉注氮閥門，保證整個過程中鉆孔內(nèi)氣體壓力為0.04MPa。對3號鉆孔進(jìn)行抽放，監(jiān)測3號鉆孔內(nèi)氣體濃度變化。監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 5號鉆孔注氮后3號鉆孔氣體濃度

由表3可以分析出，3號鉆孔內(nèi)的甲烷濃度先升高后降低，并降到抽放前工作面測定濃度；氮?dú)鉂舛认冉档秃笊?，并恢?fù)到抽放前工作面測定濃度。以上分析表明，由于3號鉆孔的抽放作用，煤層賦存瓦斯涌入鉆孔，導(dǎo)致甲烷氣體濃度增加，氮?dú)鉂舛冉档?。隨著抽放過程的進(jìn)行，15d后瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定，并與抽放前工作面測定濃度一致，此時氮?dú)鉂舛任蠢^續(xù)升高，因此可以判定5號鉆孔距3號鉆孔的距離大于5煤層的抽放半徑。

1.4.2 鉆孔注氮

1號鉆孔持續(xù)注入氮?dú)?，不關(guān)閉注氮閥門，保證整個過程中鉆孔內(nèi)氣體壓力為0.04MPa。對3號鉆孔進(jìn)行抽放，監(jiān)測3號鉆孔內(nèi)氣體濃度變化。監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 1號鉆孔注氮后3號鉆孔氣體濃度

分析表4可知，由于向5號鉆孔持續(xù)注入氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)中3號鉆孔的瓦斯抽放工作已經(jīng)完成，所以數(shù)據(jù)中瓦斯?jié)舛茸兓^小，氮?dú)鉂舛戎鸩缴?，并趨于穩(wěn)定。分析表明，1號鉆孔內(nèi)的氮?dú)庠诔榉抛饔孟逻M(jìn)入3號鉆孔，1號鉆孔到3號鉆孔的距離小或者等于5煤層的抽放半徑。所以5煤層的瓦斯抽放半徑范圍為3～4m。

2 數(shù)值模擬

2.1 抽放參數(shù)確定

根據(jù)煤層地質(zhì)條件和方案設(shè)計要求等因素，將錢家營礦5煤瓦斯抽放數(shù)值模擬主要參數(shù)設(shè)定為：煤層瓦斯壓力分別為0.89MPa (模擬時確定為0.9，0.6MPa)；煤層埋藏深度約為850m，其產(chǎn)生的地應(yīng)力約為19MPa(模擬選取20MPa)；根據(jù)礦井的瓦斯抽放實(shí)際情況，一般選擇抽放鉆孔直徑約為94～108mm(模擬時選取100mm)；鉆孔抽放負(fù)壓選取為0.04MPa；巖層透氣性非常小，模擬時將參數(shù)設(shè)置為零[8]；煤層瓦斯抽放效果主要受煤層的透氣性影響，由于井下煤層賦存環(huán)境的差異性，導(dǎo)致了煤層透氣性變化較大。因此，對煤層抽放半徑的研究可轉(zhuǎn)化為對煤層透氣性的研究。

2.2 數(shù)值模擬軟件及模型

RFPA2D-GasFlow是以彈性力學(xué)、彈性損傷理論為基礎(chǔ)理論，耦合的模擬巖石破壞過程的2維系統(tǒng)。

2.2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)現(xiàn)場工作面實(shí)際情況，建立數(shù)值模型，如圖2所示。

圖2 有效抽放半徑數(shù)值模型

圖2(a)模擬模塊選擇尺寸為11m×11m，將整個部分按110×110的形式劃分單元，最外側(cè)1m為巖層，中間10m×10m為煤層，其中黑體部分為取芯鉆孔(2m×0.1m)；在瓦斯抽放鉆孔的兩側(cè)設(shè)置的邊界條件是應(yīng)力邊界條件，其值固定為20MPa；兩外側(cè)限制位移。

數(shù)值模型圖2(b)尺寸為4m×4m，劃分為200×200個單元。模型四周為固定壓力邊界20MPa，且無瓦斯流動補(bǔ)給，鉆孔就抽放此區(qū)域內(nèi)的瓦斯，鉆孔直徑100mm，無抽放負(fù)壓自然排放。

2.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

確定抽放煤層相關(guān)參數(shù)、抽放時間和抽放負(fù)壓。根據(jù)錢家營礦實(shí)際情況，進(jìn)行數(shù)值模擬，確定抽放時間為30d(時間跨度為1d，模擬抽放時間為30d)，抽放負(fù)壓確定為0.04MPa，排放負(fù)壓為0。

(1)抽放鉆孔模擬結(jié)果 5煤層的透氣性為0.0669m2/(MPa2·d)，其模擬此透氣性系數(shù)時的鉆孔瓦斯流動圖和鉆孔瓦斯流量圖如圖3(a)、(b)所示。

圖3 5煤鉆孔瓦斯抽放數(shù)值模擬

由鉆孔瓦斯流動圖3(a)和鉆孔瓦斯流量圖3(b)可知，當(dāng)抽放孔孔徑為100mm，抽放負(fù)壓為0.04MPa時，抽放鉆孔的有效影響半徑分別約為3.5，3.4m，由圖3(b)可知臨界流量和鉆孔周圍瓦斯流量相交于距離鉆孔中心3.4m的位置，可得鉆孔有效抽放范圍為3.4m。

(2)抽放半徑模擬結(jié)果分析 RFPA2D-GasFlow數(shù)值模擬生成有2組圖片，分別是抽放鉆孔周圍煤體的鉆孔瓦斯流動圖和流量曲線圖。當(dāng)抽放負(fù)壓和抽放孔徑一定時，抽放鉆孔有效影響半徑大小和煤層透氣性系數(shù)成正比。煤層透氣性越小，鉆孔瓦斯流動阻力越大，抽放鉆孔有效影響半徑就越小，鉆孔流量就越小(鉆孔流量曲線與臨界流量曲線閉合區(qū)域小)。

在鉆孔瓦斯流動圖中，鉆孔周圍陰影區(qū)域表示鉆孔瓦斯流動，陰影未覆蓋的區(qū)域，因其瓦斯流量較小，軟件生成分辨率有限未顯示。因此，可以認(rèn)為鉆孔周圍陰影區(qū)域即為瓦斯抽放鉆孔有效抽放范圍，按照模型尺寸(10m×10m)對比鉆孔周圍陰影區(qū)域的范圍，可測定，上述透氣性條件下的瓦斯抽放鉆孔有效抽放半徑3.5m。

在流量曲線圖中，流量的正負(fù)表示流動方向相反，離鉆孔越遠(yuǎn)，其流量越小。當(dāng)流量降低到一定數(shù)值后，該位置到鉆孔的距離為鉆孔抽放瓦斯的有效范圍，此數(shù)值也為臨界流量。由計算分析可知，5煤鉆孔周圍煤壁單位面積瓦斯涌出臨界流量約為8.0×10-4m3/(min·m2)，根據(jù)鉆孔瓦斯流量曲線和臨界流量直線可確定瓦斯抽放鉆孔有效抽放范圍為3.4m。

對以上2種方式得出不同透氣性條件下瓦斯抽放鉆孔的有效抽放半徑進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)2種數(shù)據(jù)結(jié)果對比可知，鉆孔有效抽放范圍為3.4m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合錢家營礦5煤層實(shí)際情況，綜合考量后確定瓦斯抽放鉆孔有效抽放半徑約為3.4m。

有效抽放半徑是指鉆孔抽放一定時間后能消除突出的范圍[9]，這個范圍用以鉆孔為中心的半徑來表示。假定煤層是均質(zhì)煤體[10]，抽放鉆孔在一定抽放時間下的影響范圍就是以鉆孔為圓心，以該時間下的抽放影響半徑為半徑的一個圓[11]，見圖4。

圖4 合理抽放鉆孔間距

從圖4可知，A為DE的中點(diǎn)，B，C為抽放鉆孔的中心，抽放鉆孔在一定抽放時間下的影響半徑為R，AB的長度為L，陰影部分為抽放空白帶。由勾股定理可得：

式中，L為AB長度，m；R為抽放鉆孔有效影響半徑，m。

經(jīng)計算錢家營礦-850m水平5煤抽放鉆孔合理間距應(yīng)為4.8m。

3 結(jié) 論

(1)通過改進(jìn)的含量指標(biāo)法確定了錢家營礦5煤層的有效抽放半徑在3～4m之間。

(2)運(yùn)用RFPA2D-GasFlow模擬軟件確定了錢家營礦5煤層的有效抽放半徑為3.4m。

(3)通過理論分析和計算，確定錢家營礦5煤層的最佳鉆孔間距為4.8m，為礦井瓦斯抽采鉆孔施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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[責(zé)任編輯：李 青]

Experimental Study of Coal Seam Gas Drainage Radius Based on Numerical Simulation

ZHANG Jia-yong1，CHEN Jian1，ZHOU Feng-zeng2,ZHANG Xin-shuang2，ZHANG Jin-hai3,LI Feng-zhi3

(1.School of Mine Engineering，North China University of science and technology，Tangshan 063009，China；2.Kailuan(Corporation) Co.，Ltd.，Tangshan 063000，China；3.Qianjiaying Mine Branch Company，Kailuan(Corporation) Co.，Ltd.，Tangshan 063000，China)

To the problem of rockburst in deep，and experimental detection of coal seam gas drainage radius experimental was done in Qianjiaying mine of Kailuan，and gas drainage radius of 5# coal seam was detected with pressure index method，the results showed that the gas drainage radius of 5# coal seam more than 1m，and then an effective radius of 5# coal seam was field test with improved content index method，it is between 3～4m，then seepage situation during drainage process was simulated with software RFPA2D-GasFlow，an effective radius was determined as 3.4m，and the optimum spacing of drainage hole distribution was 4.8m with mathematics analysis，it references for outburst prevention development of Qianjiaying coal mine.

content index method；mine outburst prevention；drainage radius，numerical analysis

2016-11-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.026

國家自然基金資助項目(51374089)

張嘉勇(1977-)，男，河南南陽人，副教授，主要從事礦井瓦斯防治方面的研究工作。

張嘉勇， 陳 建，周鳳增，等.基于數(shù)值模擬的煤層瓦斯抽采半徑合理化試驗(yàn)研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：89-92.

TD712.6

A

1006-6225(2017)03-0089-04