郭莊煤礦3#煤層瓦斯鉆孔有效抽采半徑研究

韓金壘

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限公司，山西 屯留 046100）

1 工程概況

山西潞安郭莊煤礦屬于高瓦斯礦井，現(xiàn)階段正在開(kāi)采3#煤層。3#煤層位于山西組下部，煤層厚5.13～6.35m，平均厚5.99m，含泥巖夾矸0～2層，煤層傾角2～4°，平均3°，屬于近水平煤層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。該煤層全井田可采，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度變化不大，屬穩(wěn)定型煤層。郭莊煤礦3#煤層瓦斯相對(duì)涌出量為11.61m3/t，絕對(duì)涌出量為31.91m3/min，鑒定為高瓦斯礦井。礦井目前生產(chǎn)系統(tǒng)主要布置在北翼，南翼采區(qū)為開(kāi)拓準(zhǔn)備區(qū)域。為查明井田煤層瓦斯賦存狀況，指導(dǎo)采區(qū)和工作面設(shè)計(jì)及通風(fēng)瓦斯管理工作，同時(shí)考察瓦斯抽放可行性，對(duì)郭莊煤業(yè)3#煤層瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)順層鉆孔抽采半徑進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 順層鉆孔有效抽采半徑數(shù)值模擬研究

2.1 建立數(shù)值模型

COMSOL Multiphysics是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)耦合分析的數(shù)值仿真軟件[1]，目前廣泛用于各類工程地質(zhì)問(wèn)題的試驗(yàn)研究。為具體分析郭莊煤礦3#煤層采用順層鉆孔預(yù)抽瓦斯的效果，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐，根據(jù)3#煤層具體條件建立圖1所示的三維數(shù)值模型。3#煤層傾角2°～4°，平均3°，屬于近水平煤層，建立模型時(shí)為更加接近真實(shí)情況，數(shù)值模型采用定水平模型。3#煤層厚5.13～6.35m，平均厚5.99m，參考以往的研究成果[2]，此厚度的煤層，其厚度對(duì)于抽采鉆孔的有效抽采半徑基本沒(méi)有影響，因此為提高計(jì)算的速度、精度，此次模擬試驗(yàn)的三維數(shù)值模型簡(jiǎn)化為二維剖面模型，剖面位置對(duì)應(yīng)于煤層中部，詳細(xì)情況如圖1所示。煤層的實(shí)際長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于模型所能模擬分析的范圍，建立合理尺寸的模型，需要既能夠消除邊界效應(yīng)又能準(zhǔn)確地反應(yīng)研究區(qū)域的模擬結(jié)果。參考相關(guān)的研究實(shí)例，設(shè)計(jì)模型為邊長(zhǎng)為200m的正方形。3#煤層順層鉆孔直徑為94mm，鉆孔引起的煤巖體塑性破壞半徑取0.48m，鉆孔的總長(zhǎng)度為75m，封孔長(zhǎng)度為16m。具體的數(shù)值模型和邊界條件的設(shè)置如圖2所示。

圖1 模型建立示意圖

圖2 瓦斯抽采鉆孔數(shù)值模型示意圖

2.2 相關(guān)參數(shù)的測(cè)量

采用COMSOL數(shù)值模擬軟件，根據(jù)耦合動(dòng)力學(xué)理論模擬計(jì)算3#煤層順層鉆孔抽采瓦斯的有效半徑，需對(duì)3#煤層的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行具體的研究測(cè)定[3]。在3#煤層正式回采前，委托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)3#煤的原始瓦斯壓力、原始滲透性系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。為了方便對(duì)主要設(shè)定參數(shù)查閱，現(xiàn)分類如表1、表2所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定參數(shù)匯總表

表2 試驗(yàn)測(cè)定參數(shù)匯總表

2.3 3#煤層單個(gè)鉆孔瓦斯有效抽采半徑數(shù)值模擬

根據(jù)郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司3#煤層實(shí)際情況，實(shí)測(cè)壓力點(diǎn)附近存在陷落柱，陷落柱附近巖層塌落、裂隙發(fā)育，附近煤層的瓦斯向陷落柱內(nèi)運(yùn)移，造成附近區(qū)域煤層瓦斯壓力偏小，因此用瓦斯含量進(jìn)行瓦斯壓力反算。根據(jù)瓦斯含量指標(biāo)用間接法計(jì)算所對(duì)應(yīng)的瓦斯壓力，瓦斯含量與壓力之間存在以下關(guān)系[4]：

將吸附常數(shù)等數(shù)據(jù)代入上式可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的瓦斯壓力。根據(jù)郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司3#煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果可知，當(dāng)可解析瓦斯含量降到目標(biāo)值4m3/t時(shí)，殘余瓦斯含量為6.11m3/t，此時(shí)對(duì)應(yīng)的瓦斯壓力為0.40MPa。依據(jù)上述獲取數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬模型進(jìn)行設(shè)定，并確定抽采半徑的指標(biāo)（可解吸瓦斯含量降到目標(biāo)值4m3/t，瓦斯壓力為0.40MPa），同時(shí)結(jié)合郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司3#煤層回采工作面瓦斯預(yù)抽時(shí)間不同的特點(diǎn)，分別對(duì)鉆孔預(yù)抽2、3、6個(gè)月的單個(gè)鉆孔進(jìn)行模擬，對(duì)應(yīng)不同時(shí)間條件下，單個(gè)鉆孔抽采后煤層內(nèi)瓦斯壓力的分布云圖如圖3所示。

圖3 3#煤層抽采不同時(shí)間鉆孔周圍壓力分布云圖

從圖3所示的模擬結(jié)果可以看出，單孔抽采時(shí)間不同的情況下，鉆孔周圍煤層內(nèi)瓦斯的壓力存在明顯的不同。抽采的時(shí)間越長(zhǎng)，煤層中瓦斯壓力降低的范圍越大。為了定量表示鉆孔抽采的有效半徑，將隨著與鉆孔邊緣距離變化，鉆孔周圍煤體內(nèi)瓦斯壓力的變化規(guī)律通過(guò)曲線表示出來(lái)，詳細(xì)的情況如圖4所示。

當(dāng)可解吸瓦斯含量降到目標(biāo)值4m3/t時(shí)，由圖4分析可知：

（1）經(jīng)過(guò)2個(gè)月的抽采，3#煤層鉆孔周圍0.79m范圍內(nèi)的瓦斯壓力降至0.40MPa以下，可解析瓦斯含量降至目標(biāo)值4m3/t，因此抽采半徑為0.79m；

（2）經(jīng)過(guò)3個(gè)月的抽采，3#煤層鉆孔周圍1.0～1.2m范圍內(nèi)的瓦斯壓力降至0.40MPa以下，此時(shí)煤層可解析瓦斯含量降至目標(biāo)值4m3/t，因此抽采半徑為1.02m；

（3）經(jīng)過(guò)6個(gè)月的抽采，3#煤層鉆孔1.3～1.5m范圍內(nèi)的瓦斯壓力降至0.40MPa以下，可解析瓦斯含量降至目標(biāo)值4m3/t，因此抽采半徑為1.35m。

圖4 3#煤層鉆孔抽采瓦斯壓力與抽采半徑關(guān)系曲線

3 瓦斯儲(chǔ)量法測(cè)定有效抽采半徑結(jié)果分析

通過(guò)以上模擬研究結(jié)果，即將投產(chǎn)的3316工作面預(yù)計(jì)進(jìn)行3個(gè)月的順層鉆孔瓦斯抽采，工作面抽采鉆孔間距離取2.0m（模擬結(jié)果：有效半徑為1.02m）。在進(jìn)行瓦斯預(yù)抽的過(guò)程中，在鉆孔內(nèi)安裝煤氣表測(cè)定流量，進(jìn)行為期70d的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)整理后得到如圖5所示的結(jié)果。

圖5 單孔抽采量與抽采時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)圖5所示的結(jié)果可知，抽采鉆孔內(nèi)瓦斯的抽采量隨著時(shí)間的增大逐漸減小，但是其關(guān)系并不是線性相關(guān)。具體時(shí)間單孔抽采量仍不能準(zhǔn)確的估計(jì)，故對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合曲線公式為：

采用瓦斯儲(chǔ)量法計(jì)算鉆孔的有效半徑，參考模擬研究的結(jié)果，抽采半徑的指標(biāo)為可解吸瓦斯含量降到目標(biāo)值4m3/t，下面以抽采60d為例進(jìn)行計(jì)算。有效抽采半徑控制區(qū)域需要抽采瓦斯量：

式中：

L1-抽采鉆孔處巷道寬度，取5m；

L2-鉆孔間距離，取2m；

W原-3#煤原始可解吸瓦斯含量，取6.32m3/t；

h-鉆孔長(zhǎng)度，取80m；

ρ-煤體假密度，取1.24t/m3。

根據(jù)擬合曲線計(jì)算考察鉆孔單孔實(shí)際抽采量：

鉆孔控制區(qū)域需布置的抽采鉆孔數(shù)量：

3#煤層內(nèi)可解吸瓦斯含量降到4m3/t，抽采60d時(shí)的有效抽采半徑：

通過(guò)上述計(jì)算方法，對(duì)鉆孔抽采3、6個(gè)月的有效抽采半徑進(jìn)行計(jì)算，對(duì)郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司3#煤層鉆孔瓦斯有效抽采半徑的測(cè)定采用實(shí)驗(yàn)室數(shù)值模擬法與現(xiàn)場(chǎng)瓦斯儲(chǔ)量法相結(jié)合的方法。以可解吸瓦斯含量降到4m3/t為例，兩種方法測(cè)得的3#煤層的有效抽采半徑結(jié)果對(duì)比如表3所示。不同方法的測(cè)定結(jié)果具有很好的吻合性，采用comsol數(shù)值模擬的結(jié)果很好地佐證了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明采用COMSOL模擬研究瓦斯有效抽采半徑真實(shí)可靠，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供可靠的參考依據(jù)。

表3 不同測(cè)定方法有效抽采半徑測(cè)定結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

為更加合理地設(shè)計(jì)抽采鉆孔的布置方式，取得理想的抽采效果，采用COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真模擬軟件進(jìn)行試驗(yàn)分析。工作面回采前進(jìn)行3個(gè)月的瓦斯預(yù)抽，對(duì)抽采孔瓦斯流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)瓦斯儲(chǔ)量法計(jì)算實(shí)際的抽采效果，模擬試驗(yàn)得出的結(jié)論與實(shí)際結(jié)果近似，取得了很好的應(yīng)用效果。