綜放工作面瓦斯抽采最優(yōu)鉆孔參數(shù)研究*

齊慶杰，祁 云，張建國，周新華

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 葫蘆島 125000；3. 中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000;4.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000)

0 引言

瓦斯抽采是一種既提高開采效益又降低瓦斯災(zāi)害發(fā)生還能確保安全生產(chǎn)的綠色開采技術(shù)[1]。截止到2016年，我國井下瓦斯抽采總量已達(dá)128億m3，占抽采總量的74%。瓦斯抽采已成為煤礦瓦斯治理的主要途徑[2]。隨著開采深度和強(qiáng)度的增大，通風(fēng)阻力隨之增加，導(dǎo)致瓦斯突出、瓦斯爆炸等災(zāi)害事故頻繁發(fā)生[3-5]。因此，瓦斯抽采成為減少瓦斯涌出量、降低工作面瓦斯含量的必要措施，在研究瓦斯抽采的過程中，發(fā)現(xiàn)合理選取的抽采鉆孔參數(shù)是保證瓦斯抽采率，防治工作面瓦斯超限的關(guān)鍵[6]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層瓦斯抽采的限制因素進(jìn)行了細(xì)致的研究， Germsnnovich[7]通過菲克定律分析了瓦斯在煤基質(zhì)中擴(kuò)散的規(guī)律，解釋瓦斯擴(kuò)散現(xiàn)象;洪林等[8]利用有限容積法分析研究采空區(qū)流場(chǎng)的壓力、滲流流度和瓦斯的濃度分布規(guī)律，為采空區(qū)瓦斯抽采參數(shù)的選擇提供了可靠的依據(jù);李宗翔等[9]根據(jù)流體力學(xué)原理模擬瓦斯涌出、分布規(guī)律，得出瓦斯抽采量及濃度均與工作面瓦斯涌出量成反比，并提出了開區(qū)移動(dòng)式“邊采邊抽”法；郝富昌等[10]建立受煤的流變特性、滲透率及吸附特性影響的滲流-應(yīng)力耦合模型，找出了瓦斯抽采半徑的影響因素;徐明智等[11]依據(jù)滲流理論利用CFD軟件建立了瓦斯抽采模型，得出煤層滲透率和抽采負(fù)壓對(duì)抽采效果的影響;李勝等[12]充分考慮水滲流和Klinkenberg效應(yīng)的影響，建立了基于流固耦合的穿層鉆孔瓦斯抽采模型，得出抽采負(fù)壓、鉆場(chǎng)間距對(duì)抽采效果的影響。

鉆孔間距和鉆孔直徑對(duì)瓦斯抽采效果的影響具有疊加效應(yīng)，但是目前對(duì)于合理選取鉆孔間距和鉆孔直徑以達(dá)到最佳抽采效果的研究還相對(duì)缺乏[13-14]，筆者在前人的基礎(chǔ)上，以平煤某礦己15-24070(下)工作面抽采現(xiàn)狀為例，利用COMSOL多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件建立抽采鉆孔的三維模型，模擬研究鉆孔間距、直徑對(duì)本煤層瓦斯抽采效果的影響，對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而為瓦斯抽采工作提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)。

1 己15-24070(下)工作面概況

己15-24070(下)工作面地面西靠四采區(qū)下山系統(tǒng)；東至平煤十二礦邊界保護(hù)煤柱；南鄰已回采結(jié)束的己15-24070采空區(qū)平距4.5 m；北距已回采結(jié)束的己15-2490采空區(qū)平距4.5 m。地面標(biāo)高+170～+200 m，工作面標(biāo)高-400～-500 m。最大煤層厚度38.26 m，平均厚度32.37 m；全區(qū)分部，煤層較穩(wěn)定，煤層節(jié)理、層理較復(fù)雜，夾矸4-15層，夾矸厚0.08～0.90 m，夾矸以薄層泥巖為主，煤層走向N15°E-N42°W,傾角5°～13°，傾向NW-SW。煤層容重1.28 t/m3,硬度系數(shù)f：1～2，煤層瓦斯初始?jí)毫?.55 MPa， 煤層原始瓦斯含量7.79 m3/t。

2 己15-24070工作面模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

1)應(yīng)力控制數(shù)學(xué)模型

煤巖體受地應(yīng)力、瓦斯壓力的影響產(chǎn)生固體壓縮變形，結(jié)合Terzaghi有效應(yīng)力定律，可得煤與瓦斯耦合應(yīng)力控制方程[15-16]為：

(1)

其中，

(2)

式中：G為煤巖體剪切模量，Pa；K為煤巖體體積模量，Pa；E為煤巖體彈性模量，Pa；v為泊松比；α為Biot常數(shù)；F為體積壓力，Pa；i,j=x,y,z；Pw，Pg，Pe分別為水、瓦斯、毛細(xì)管壓力，MPa；s為瓦斯飽和度。

2)滲流場(chǎng)控制數(shù)學(xué)模型

多孔介質(zhì)中瓦斯氣體滲流場(chǎng)控制遵循以下數(shù)學(xué)方程[15-16]。

(3)

式中：ρw，ρg分別為水和瓦斯的密度；φ為裂隙度；t為時(shí)間，s；μw，μg分別為水、瓦斯的流速；Mg瓦斯的摩爾質(zhì)量；R為氣體摩爾體積常數(shù)，取8.134 J/(mol.k)；T為煤巖體溫度，K；Pg為瓦斯壓力，MPa；k為煤體絕對(duì)滲透率，m2；krg0，krg分別為瓦斯初始、相對(duì)滲透率。

3)滲透率演化模型

基于煤層物理簡(jiǎn)化模型和應(yīng)力條件，考慮到煤的多孔介質(zhì)特性[17]，修正滲透演化模型為：

(4)

(5)

式中：k0為煤體初始絕對(duì)滲透率；φ0為初始裂隙度；Kf修正后的裂隙剛度，GPa；ξa0，ξa分別為煤吸附瓦斯應(yīng)變初始值、應(yīng)變值；ξr0，ξr分別為煤體積應(yīng)變初始值、應(yīng)變值。

2.2 幾何模型的建立

依據(jù)固體力學(xué)和達(dá)西定律方程建立本煤層瓦斯抽采數(shù)值模擬模型，通過應(yīng)力、孔隙率、滲透率等變量進(jìn)行耦合求解。幾何模型如圖1所示，煤層厚度為30 m，煤體斜向長(zhǎng)度為80 m，走向長(zhǎng)度60 m，設(shè)置3個(gè)抽采鉆孔，其中在走向長(zhǎng)度的中心處設(shè)置1個(gè)鉆孔，另2個(gè)鉆孔分布在中心鉆孔的兩側(cè)，為節(jié)省計(jì)算資源，鉆孔長(zhǎng)度設(shè)置40 m，鉆孔為平行鉆孔，鉆孔距煤層底部21 m，即在首分層距離底板上方1 m。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

設(shè)置邊界條件和初始值后對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，頂點(diǎn)單元數(shù)：32個(gè)；邊單元數(shù)：534個(gè)；邊界單元數(shù)：2 094個(gè)；單元數(shù)：23 965個(gè)。共計(jì)劃分成3 965個(gè)域單元、2 094個(gè)邊界單元和534個(gè)邊單元組成的完整網(wǎng)格。

2.3 參數(shù)方程及值的設(shè)定

達(dá)西定律中采用綜合壓縮系數(shù)方程，孔隙率采用phi求解，滲透率使用k1求解，儲(chǔ)存方程計(jì)算用co1進(jìn)行，質(zhì)量源項(xiàng)采用ttt求解，抽采鉆孔邊界采用抽采負(fù)壓P控制。模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)Tab.1 Parameter

3 鉆孔參數(shù)對(duì)抽采效果的影響

3.1 鉆孔間距對(duì)抽采效果影響

原始瓦斯壓力0.55 MPa，初始孔隙率0.064，數(shù)值模擬中鉆孔直徑100 mm，抽采負(fù)壓20 kPa，設(shè)置抽采時(shí)間180 d。瓦斯抽采后xy截面瓦斯壓力分布及變化情況如圖2所示，圖2中顯示鉆孔間距越大相鄰鉆孔之間區(qū)域的瓦斯壓力降低范圍越大，但是壓力降低的貫通效果越不明顯。鉆孔間距越小，相鄰鉆孔之間壓力降低區(qū)域的貫通效果越明顯，卸壓充分。

xz截面瓦斯壓力分布及變化情況如圖3所示?？梢钥闯觯@孔的終孔位置處鉆孔周圍卸壓范圍小于鉆孔的其他位置，且與圖2一致，鉆孔間距越小鉆孔之間瓦斯卸壓區(qū)域聯(lián)通性能越強(qiáng)，所有鉆孔間距不能過大，否則會(huì)在鉆孔之間留存以終孔位置最嚴(yán)重，鉆孔長(zhǎng)度方向其他位置次之的瓦斯壓力卸壓盲區(qū)，導(dǎo)致瓦斯抽采效果降低。

yz截面瓦斯壓力分布及變化情況如圖4所示，鉆孔z軸方向瓦斯卸壓分布不均勻，鉆孔下方瓦斯卸壓效果明顯優(yōu)于鉆孔上方，呈現(xiàn)出鉆孔下方稍寬上方略窄的紡錘體分布，所以瓦斯抽采時(shí)鉆孔下方的瓦斯卸壓較為充分。

3.2 鉆孔直徑對(duì)抽采效果的影響

鉆孔直徑的大小影響瓦斯抽采效果，主要表現(xiàn)在對(duì)鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)速度、卸壓速度、卸壓范圍的大小影響，不同鉆孔直徑下鉆孔周圍瓦斯壓力變化如圖5所示?？傮w來說鉆孔直徑越大卸壓范圍越大，且卸壓范圍在鉆孔周圍成紡錘體分布。所以布置鉆孔時(shí)，在能夠提高抽采效果的情況下，可適當(dāng)選取較大的鉆孔直徑。

3.3 相鄰鉆孔中心點(diǎn)壓力衰減規(guī)律

不同鉆孔間距，鉆孔直徑均為5 m抽采180 d時(shí)，相鄰鉆孔中心點(diǎn)的瓦斯壓力隨時(shí)間變化規(guī)律如圖6所示。圖中數(shù)據(jù)表明，鉆孔間距越大，相鄰鉆孔中心的瓦斯殘余壓力越大，卸壓能力越低；相反鉆孔間距越小相鄰鉆孔間區(qū)域卸壓越快，且卸壓幅度越大。在本次模擬中，鉆孔間距2～10 m范圍內(nèi)時(shí)，抽采開始后的30～40 d瓦斯壓力均會(huì)顯著降低，超過40 d后瓦斯壓力隨抽采時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢降低至趨于穩(wěn)定。以瓦斯壓力降低30%為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合不同鉆孔間距間最終瓦斯壓力穩(wěn)定值分析，最優(yōu)的鉆孔間距范圍為3～5 m。

不同鉆孔直徑在不同鉆孔間距條件下，相鄰鉆孔間瓦斯壓力隨時(shí)間變化規(guī)律如圖7所示。圖7顯示了鉆孔間距2，3，5，7，10 m條件下，鉆孔直徑為0.075，0.09，0.1，0.113，0.133 m時(shí)，抽采0～180 d過程中相鄰鉆孔中心點(diǎn)瓦斯壓力變化規(guī)律；鉆孔直徑越大衰減后殘余的瓦斯壓力越小，但在抽采的前期鉆孔直徑大小對(duì)瓦斯壓力衰減速度影響不大。鉆孔間距越大，不同鉆孔直徑之間瓦斯卸壓效果出現(xiàn)差異所需要的時(shí)間越短，但在抽采時(shí)間較短時(shí)鉆孔直徑對(duì)相鄰鉆孔間區(qū)域的卸壓程度影響較小。以瓦斯壓力降低30 %為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合以上分析最佳鉆孔直徑范圍為0.1～0.133 m。

圖2 xy截面瓦斯壓力變化Fig.2 Variation of gas pressure at xy section

圖3 xz截面瓦斯壓力變化Fig.3 Variation of gas pressure at xz section

圖4 yz截面瓦斯壓力變化Fig.4 Variation of gas pressure at yz section

圖5 不同孔徑下鉆孔周圍瓦斯壓力變化Fig.5 Variation of gas pressure around boreholes in different pore sizes

圖6 不同鉆孔間距條件下相鄰鉆孔中心點(diǎn)壓力衰減規(guī)律Fig.6 Attenuation law of central pressure at adjacent boreholes under different drilling spacing

4 現(xiàn)場(chǎng)方案實(shí)施及抽采效果

4.1 煤層鉆孔布置

根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合己15-24070(下)工作面的運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽標(biāo)高相差比較大的特點(diǎn)，決定鉆場(chǎng)和鉆孔布置在本煤層工作面的運(yùn)輸順槽內(nèi)，其中鉆孔間距為5 m，鉆孔直徑為100 mm，利用現(xiàn)有抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽采。工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)布置平行鉆孔，在距切眼30 m位置為第一組鉆孔(每組1個(gè)鉆孔)，每個(gè)鉆孔高度為距底板1 m，垂直煤壁方向，平行鉆孔鉆孔深度為60 m。根據(jù)研究決定采用Φ82 mm鉆頭，可以擴(kuò)孔至105 mm，具體鉆孔布置如圖8所示。

圖7 不同鉆孔直徑在不同間距條件下相鄰鉆孔中點(diǎn)瓦斯壓力衰減規(guī)律Fig.7 The attenuation law of gas pressure under different drilling radius andspacing

圖8 抽采鉆孔布置Fig.8 Drilling layout

4.2 抽采效果分析

瓦斯涌出量及抽采量隨時(shí)間的變化如圖9所示。抽采數(shù)據(jù)顯示，己15-24070(下)工作面平均絕對(duì)瓦斯涌出量為17.16 m3/min，初采期間瓦斯涌出量逐漸升高，頂板初次來壓后，最大涌出量達(dá)到24.87 m3/min，工作面回采3個(gè)月后，瓦斯涌出量逐漸降低并趨于穩(wěn)定?；夭善陂g，邊采邊抽(即本煤層鉆孔)瓦斯抽采量成先升高后降低至趨于穩(wěn)定，其中平均瓦斯抽采純量為4.95 m3/min，抽采110 d后達(dá)到穩(wěn)定。采空區(qū)瓦斯抽采純量與工作面瓦斯涌出量大致相同，平均瓦斯抽采純量為8.39 m3/min，最大可達(dá)12.92 m3/min。受工作面瓦斯抽采作用影響，風(fēng)排瓦斯量逐漸降低，抽采110 d后，風(fēng)排瓦斯量平均值由原來的5.60 m3/min降低至2.19 m3/min，降低了39.14%，可見本煤層瓦斯抽采效果顯著。

圖9 涌出量及抽采量隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of emission and extraction with time

瓦斯抽采率隨時(shí)間變化如圖10所示?？梢钥闯?，綜放面瓦斯抽采率同樣呈先升高后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，平均瓦斯抽采率為78%。其中，邊采邊抽瓦斯抽采率占29%，占平均瓦斯抽采率的37%，能夠達(dá)到相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析可知，邊采邊抽瓦斯抽采率在逐漸上升，但上升幅度較小，占瓦斯涌出量的比重大，因此應(yīng)加強(qiáng)工作面邊采邊抽技術(shù)措施。采空區(qū)瓦斯抽采率變化相對(duì)平穩(wěn)，但所占比重較大，加強(qiáng)本煤層抽采的同時(shí)也應(yīng)考慮采空區(qū)瓦斯聯(lián)合抽采技術(shù)。

圖10 抽采率隨時(shí)間變化Fig.10 Variation of extraction rate with time

根據(jù)己15-24070(下)綜放工作面回風(fēng)瓦斯的實(shí)際測(cè)定，得到整個(gè)回采期間工作面回風(fēng)中平均瓦斯變化規(guī)律。工作面回采期間回風(fēng)巷瓦斯平均濃度如圖11所示。圖11顯示，整個(gè)回采期間工作面瓦斯?jié)舛确秶?.15%-0.35%之間趨于穩(wěn)定，最大平均濃度為0.5%，沒有出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，說明本煤層平行鉆孔瓦斯抽采技術(shù)能夠解決該工作面瓦斯超限問題。

圖11 工作面回采期間回風(fēng)巷瓦斯平均濃度Fig.11 Average concentration of gas in the returnairway during working face

5 結(jié)論

1)合理布置鉆孔間距和鉆孔直徑能夠增大煤層透氣性，降低殘余瓦斯壓力。模擬結(jié)果顯示，己15-24070(下)綜放工作面鉆孔間距為3～5 m，鉆孔直徑為0.1～0.133 m時(shí)，煤層最終殘余瓦斯壓力最小，抽采全程瓦斯涌出量較大。

2)己15-24070(下)綜放工作面瓦斯抽采實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，合理的鉆孔間距和鉆孔直徑下，瓦斯抽采率先增大后趨于穩(wěn)定，平均抽采率為78%，其中鉆孔瓦斯抽采率為29%。

3)綜合考慮間距和直徑對(duì)抽采效果的影響，在小間距鉆孔抽采條件下，不同孔徑之間的瓦斯卸壓情況差異不大，在大間距條件下瓦斯卸壓差異顯著。因此，加密鉆孔抽采時(shí)可以不考慮加大孔徑的問題。

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