三軟煤層水力沖孔布孔參數確定及優化?

彭業升宋大釗,何志龍高勤瓊

(1.永城煤電控股集團有限公司,河南省永城市,450016; 2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116; 3.河南能源化工集團貴州興安煤業有限公司糯東煤礦,貴州省興義市,561904)

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三軟煤層水力沖孔布孔參數確定及優化?

彭業升1宋大釗1,2何志龍3高勤瓊2

(1.永城煤電控股集團有限公司,河南省永城市,450016; 2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116; 3.河南能源化工集團貴州興安煤業有限公司糯東煤礦,貴州省興義市,561904)

摘 要為提高“三軟”煤層水力沖孔瓦斯消突效果,采用COMSOL軟件進行模擬以確定沖孔有效半徑,結合現場試驗及應用對布孔參數進行優化與檢驗。結果表明,沖煤量為0.5 t/m、0.75 t/m、1.0 t/m時,卸壓范圍分別為6.7 m、8.9 m、11.2 m,瓦斯抽采半徑為3.2 m、4.5 m、5.3 m;根據糯東煤礦現場試驗優化確定水力沖孔孔間距為9 m,區域效果檢驗瓦斯抽采濃度及流量由沖孔前的25％,0.08 m3/min升至沖孔后85％,0.35 m3/ min,確定布孔參數合理可靠。

關鍵詞“三軟”煤層 水力沖孔 抽采半徑 卸壓范圍 沖煤量

The parameters determination and optimization of hole arrangement to hydraulic flushing in the three soft coal seam

Peng Yesheng1,Song Dazhao1,2,He Zhilong3,Gao Qinqiong2
(1.Yongcheng Coal and Power Holding Group Co.,Ltd.,Yongcheng,Henan 450016,China; 2.College of Safety Engineering,China University of Mining& Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.Nuodong Coal Mine,Guizhou Xing＇an Coal Industry Co.,Ltd.,Henan Energy& Chemical Group,Xinyi,Guizhou 561904,China)

Abstract In order to increase the effect of hydraulic flushing to eliminate gas outburst in the ＂three soft＂coal seam,the effective radius of hydraulic flushing was determined using the COMSOL software simulation,the parameters of hole arrangement were optimized and tested by combing the field experiments and application.The results show that the parameters of hole arrangement is determined by the analysis of the range of pressure relief and the radius of gas drainage,when the flushed coal quantity is 0.5 t/m,0.75 t/m,1.0 t/m respectively,the range of pressure relief is 6.7 m,8.9 m,11.2 m respectively,and the radius of gas drainage is 3.2 m,4.5 m,5.3 m respectively;According to the optimal results of field experiments,the pitch of holes to hydraulic flushing is 9 m,and the gas concentration and the gas flow rate to area effect testing increases from 25％,0.08 m3/min before hydraulic flushing to 85％,0.35 m3/min after hydraulic flushing respectively,which shows the parameter of hole arrangement is reasonable and reliable.

Key words ＂three soft＂coal seam,hydraulic flushing,the radius of gas drainage,the range of pressure relief,the flushed coal quantity

三軟煤層一般具有低透氣性、易流變、不易抽采的特性,在生產過程中,容易導致煤與瓦斯突出事故,瓦斯災害威脅嚴重.水力沖孔技術對無保護層開采、應力高、透氣性差的高瓦斯煤層具有良好的卸壓增透、煤層消突效果,而水力沖孔效果的好壞關鍵在于沖孔技術參數的確定.

目前,我國眾多學者對煤層水力沖孔技術參數優化進行了大量研究并取得了一定的研究成果.魏建平等應用壓力法與流量法相結合的技術,分析了水力沖孔的有效影響半徑和水力沖孔鉆孔周圍的卸壓范圍的大小,并對沖孔鉆孔進行了優化.楊云峰等通過研究水力沖孔措施在突出煤層中的應用,優化沖孔參數使該措施可以有效提高抽采量、快速消除高瓦斯突出煤層掘進或回采過程中的突出危險性.郝福昌等采用COMSOL模擬軟件對建立的不同沖煤量鉆孔煤層的滲透率動態變化及吸附特征流固耦合模型進行計算機模擬,研究不同沖煤量的鉆孔的抽采半徑,優化煤層抽采鉆孔的布置.劉振英等應用數字模擬與現場應用結合的方法,研究了地應力對抽采鉆孔間距的影響,確定鉆孔布孔參數.以上各位學者是基于實驗室的計算機模擬提出的各種結論,而實際的煤層由于受周圍各種環境因素的影響,在水力沖孔過程中煤層呈現不同的響應效果.研究表明,水力沖孔有效半徑的確定必須分析瓦斯的運移規律,而瓦斯的運移規律受應力場及滲流場的影響.因此,筆者考慮以計算機模擬為基礎,研究了應力場與瓦斯抽采過程壓力變化范圍,確定孔間距,結合現場試驗加以優化完善,研究結果為確定孔間距及相關參數提供依據.

1　試驗區域煤層概況

糯東煤礦位于貴州省普安縣南部,礦井井田面積為66.2961 km2,主要可采17＃、19＃、20＃、26＃煤層,經鑒定各煤層均為突出煤層.井田大部分地區煤層厚度在3.5 m以上,東部、北部及13線附近厚度稍薄.

試驗區域17＃煤層位于龍潭組中段,上距B2灰巖22 m左右,上距B3泥質灰巖0.5 m左右,煤層厚0.65～8.99 m,平均4.16 m.煤層含夾矸0～3層,一般1層,夾矸厚度0.05～0.54 m;煤層厚度呈中部厚,外圍稍薄的趨勢.煤層直接頂板多為泥巖、粉砂質泥巖,局部為泥質灰巖(B3);底板多為泥巖或粉砂質泥巖.煤層原始瓦斯壓力平均為1.03 MPa,原始瓦斯含量平均為15.37 m3/t,百米鉆孔初始瓦斯流量為0.429～0.733 m3/min,鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.1433～0.7108 d－1,透氣性系數為0.016429～0.021527 m/ (MPa2·d),瓦斯放散初速度為18～28 m L/s,煤的堅固性系數為0.16～0.30.

17＃煤層頂底板巖體與主采煤層強度以及煤層的滲透率較低,屬于標準的三軟低透氣性煤層.本礦前期采用底板穿層鉆孔預抽瓦斯技術進行礦井煤層區域性防突,但由于三軟煤層具有透氣性差、煤質松軟易流變的特征,單個鉆孔瓦斯抽采率低.因此,需要應用底板水力沖孔技術提高煤層瓦斯透氣性,改變煤層流變性,用以提高鉆孔瓦斯抽采率;為了更好地達到卸壓增透的效果,需對水力沖孔的各技術參數進行優化.

2　不同沖煤量沖孔參數模擬

2.1煤體力學參數

數值模擬對現場試驗參數選擇具有指導作用,因此,本文應用COMSOL Multiphysics軟件,以糯東煤礦17＃煤層力學參數建立模型,模擬水力沖孔過程鉆孔卸壓范圍及瓦斯抽采半徑.已知隨著沖煤量的增大,沖孔孔徑隨之增大,卸壓增透效果越好.但是,受到現有設備及技術的限制和防止沖孔后孔洞難以閉合的現象,要求單孔沖煤量不能過大.糯東煤礦煤層密度為1.5 t/m3,初始鉆孔孔徑為94 mm,沖出煤量為0.5 t/m、0.75 t/m、1 t/m時,分別對應的孔洞半徑為0.35 m、0.42 m、0.49 m.通過對現場地質、瓦斯資料的收集和整理及實驗室參數測定得出含瓦斯煤層特性參數,彈性模量1.2 GPa,內聚力1.5 MPa,內摩擦角26°,泊松比0.46,初始孔隙率2.94×10－2％,煤層對瓦斯的初始滲透率2.176×10－16md,原始瓦斯壓力2 MPa,瓦斯的動力粘度1.08×10－6Pa·s,煤的水分0.78％,煤的灰分5.23％,埋藏深度350 m.

2.2不同沖煤量鉆孔卸壓范圍

水力沖孔對地應力具有良好的卸壓效果,而煤體應力集中和卸壓情況通常可以通過其區域最大主應力分布來反映.應用COMSOL Multiphysics軟件對17＃煤層水力沖孔進行計算機模擬,得到沖煤量為0.5 t/m、0.75 t/m和1 t/m時在抽采15 d后分別對應的最大主應力分布曲線,見圖1.

由圖1可以看出,煤層經過水力沖孔后,從鉆孔兩側向煤體深部橫向最大主應力逐漸增大,其分布規律依次是應力卸壓區、應力集中區、原始應力區.孔洞周圍形成了不同程度的卸壓,應力卸壓區越靠近鉆孔,應力越小,至孔洞處幾乎為0.沖出煤量為0.5 t/m、0.75 t/m、1 t/m的鉆孔分別對應的卸壓區范圍是6.7 m、8.9 m、11.2 m,應力卸壓區范圍隨沖出煤量的增加而逐漸增大.

圖1　不同沖出煤量最大主應力分布

2.3不同沖煤量瓦斯抽采半徑

依據《煤礦安全規程》的規定瓦斯壓力低于0.74 MPa的區域為無突出區域.因此,將瓦斯壓力低于0.74 MPa的區域視為瓦斯抽采的有效區域.應用COMSOL Multiphysics軟件對17＃煤層水力沖孔進行模擬求解,得出不同沖煤量情況下瓦斯抽采15 d鉆孔煤層瓦斯壓力分布圖,見圖2.

從圖2可以看出,瓦斯壓力在孔洞邊緣形成以孔洞為中心的同心圓環,由外及內逐漸擴散,且隨著每米沖出煤量的增加,瓦斯壓力下降范圍逐漸擴大,顏色變化范圍越大,表明瓦斯壓力梯度越大.由圖2(a)可以看到在距鉆孔3.2 m處瓦斯壓力降到0.74 MPa以下,因此出煤量為0.5 t/m鉆孔的抽采半徑為3.2 m.同理可得出煤量為0.75 t/m、1 t/m鉆孔的抽采半徑分別為4.5 m、 5.3 m.由此可得隨著每米沖出煤量的增加,瓦斯抽采半徑也隨之增大.

圖2　不同沖煤量煤層瓦斯壓力分布圖

3　現場試驗優化及效果考察

3.1現場試驗參數優化

考慮到17＃煤層屬于三軟煤層,地質構造比較復雜,為確保一定的安全系數,選擇試驗孔間距為6 m.通過11902工作面上下巷道對11702工作面上下巷道掘進工作面實施水力沖孔.其中,11702工作面上下巷道屬于17＃煤層掘進工作面;11902工作面上下巷道位于19＃煤層,是11702工作面的底抽巷.試驗鉆場確定兩組,分別布置在距11702上下巷道煤巷掘進頭20 m處,鉆孔間距6 m×6 m,11902上巷道布置5個試驗鉆孔,下巷道布置6個試驗鉆孔,編號依次為1＃～11＃,沖孔水壓從6 MPa開始,依次沖孔且每個鉆孔水壓比上一個鉆孔水壓遞增2 MPa,試驗結果見表1.由表1計算得出每個鉆孔沖煤量均超過0.5 t/m,最大可達到3.7 t/m,在試驗過程中發現水力沖孔過程中煤層出現流變現象,因此,將卸壓鉆孔間距適當調為9 m,沖孔位置由距離11702上巷道、下巷道與煤巷掘進頭間距10 m開始,標定第一組鉆場位置開始沖孔,鉆孔間距9 m×9 m,每組鉆孔設計5個,詳見水力沖孔鉆孔設計圖3.

表1　沖孔水壓記錄表

3.2區域效果檢驗

通過在11902工作面上巷道對11703上巷道掘進煤層的兩組鉆孔沖孔前后連續20 d瓦斯抽采,每隔5 d進行一次瓦斯抽采濃度及瓦斯流量統計,取平均值,做出瓦斯抽采濃度變化曲線及瓦斯流量變化曲線見圖4.

通過圖4可以看出水力沖孔后較沖孔前瓦斯抽采濃度及流量明顯升高,沖孔后的煤體滲透性及流變性得以改善,易于瓦斯抽采.從圖4(a)可以看出,沖孔前第一組剛開始瓦斯抽采濃度為25％,第二組為20％,連續抽采10 d后,濃度分別連續衰減至5％、10％;水力沖孔后第一組剛開始抽采濃度為85％,第二組為80％,連續抽采20 d,第一組在6～10 d內瓦斯抽采濃度急劇下降,隨后趨于平穩直至60％,第二組瓦斯抽采濃度平穩衰減至66％,水力沖孔后比沖孔前瓦斯抽采濃度升高至少3.4倍,大大縮短瓦斯抽采時間.從圖4(b)可以看出,沖孔前鉆孔第一組剛開始瓦斯抽采流量為0.08 m3/min,第二組為0.1 m3/min,連續抽采20 d后,流量分別平穩連續衰減至0.02 m3/min、0.05 m3/min;沖孔后鉆孔第一組剛開始抽采瓦斯流量為0.35 m3/min,第二組為0.34 m3/min,連續抽采20 d,第一組瓦斯流量連續衰減至0.25 m3/min、第二組在1～10 d內瓦斯流量有小幅度上升,隨后連續衰減至0.3 m3/min,趨于穩定,水力沖孔后瓦斯抽采流量是采取措施前的4.4倍.

圖3　11702工作面水力沖孔鉆孔設計

4　結論

(1)依據糯東煤礦17＃煤層力學參數建立模型,模擬沖煤量為0.5 t/m、0.75 t/m、1.0 t/m水力沖孔過程,得出鉆孔卸壓范圍是6.7 m、8.9 m、11.2 m,瓦斯抽采半徑為3.2 m、4.5 m、5.3 m.

圖4　11902上巷道水力沖孔前后瓦斯抽采變化曲線圖

(2)通過現場試驗優化,確定水力沖孔孔間距為9 m,經區域應用檢驗發現,確定的沖孔布孔參數合理可靠.

(3)糯東煤礦11702掘進工作面瓦斯抽采濃度與抽采流量分別由沖孔前的25％升至沖孔后85％、沖孔前的0.08 m3/min升至沖孔后0.35 m3/min,沖孔20 d后,瓦斯抽采濃度與抽采流量仍能達到60％及0.25 m3/min,卸壓增透效果明顯.

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(責任編輯 張艷華)

作者簡介:彭業升(1964－),工程師,永城煤電集團有限責任公司總工程師,主要從事礦山安全技術及管理方面的研究工作。

基金項目:?中國博士后科學基金資助項目(2013M541982,2014T70679)

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