不同沖煤量對(duì)有效抽采半徑的影響規(guī)律研究

張　翔，辛程鵬，杜　鋒

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2. 貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院， 貴州 畢節(jié) 551700；3.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

0　引言

隨著工作面推進(jìn)速度的加快和開采深度的增加，煤層瓦斯含量越來(lái)越高，突出危險(xiǎn)性增加，瓦斯治理難度增大[1-4]。礦井瓦斯影響著礦井的安全生產(chǎn)，瓦斯抽采是積極防治瓦斯災(zāi)害的有效措施[4-5]。水力沖孔可利用高壓水射流使鉆孔周邊煤巖體應(yīng)力降低，提高煤層透氣性，達(dá)到提高抽采量、消除突出危險(xiǎn)性等目的[6-7]，是最有效的卸壓增透技術(shù)之一[8]。

部分學(xué)者針對(duì)水力沖孔做了相關(guān)研究。王凱等[9]采用壓力法和含量法對(duì)水力沖孔卸壓范圍進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察，并模擬分析了水力沖孔鉆孔周圍煤體應(yīng)力及透氣性變化規(guī)律；郝富昌等[10]分析了水力沖孔的卸壓增透效果和孔徑變化規(guī)律；魏建平等[11]闡述了水力沖孔措施的消突機(jī)理，確定了水力沖孔有效影響范圍；王兆豐等[12]通過(guò)數(shù)值模擬，確定了順層抽采的合理的抽采負(fù)壓、抽采時(shí)間及有效抽采半徑；陳攀等[13]結(jié)合水力沖孔技術(shù)在九里山礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了水力沖孔有效影響半徑。

上述研究主要針對(duì)水力沖孔卸壓范圍、增透效果、鉆孔參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行研究，不同沖煤量對(duì)有效抽采半徑的影響研究尚需進(jìn)一步加強(qiáng)。本文針對(duì)不同沖煤量對(duì)水力沖孔實(shí)施效果的影響，以中馬村礦為例，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法，開展了不同沖煤量對(duì)抽采半徑的影響規(guī)律研究。研究結(jié)果對(duì)于優(yōu)化水力沖孔參數(shù)設(shè)計(jì)，提高瓦斯災(zāi)害防治效果具有一定指導(dǎo)意義。

1　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1　概況

中馬村礦位于河南省焦作市，采用立井單水平上下山開拓，后退式走向長(zhǎng)壁分層開采，全部垮落法管理頂板。該礦屬于煤與瓦斯突出礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量45～55 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為30～40 m3/t。礦井主采山西組二1煤，埋深61～788 m，厚度0.1～13.53 m，平均厚度4.90 m，可采性指數(shù)0.94，建井后曾多次發(fā)生煤與瓦斯突出事故，最大突出煤量900 t，最大突出瓦斯量1.285×105m3。礦井主要采取底抽巷穿層抽采的區(qū)域防突措施。

1.2　試驗(yàn)方案

鉆孔瓦斯抽采半徑主要與煤層瓦斯含量、透氣性系數(shù)、鉆孔直徑等因素有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，結(jié)合礦井采掘接替和鉆孔施工計(jì)劃，選定在27001回風(fēng)底抽巷進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，設(shè)計(jì)施工3組水力沖孔鉆孔，每組鉆孔間距15 m，每組布置5個(gè)鉆孔，鉆孔布置如圖1所示，鉆孔設(shè)計(jì)圖如圖2所示。鉆孔施工完成后進(jìn)行水力沖孔，每天對(duì)瓦斯抽采量進(jìn)行測(cè)定，擬合瓦斯抽采量衰減曲線，分析瓦斯抽采量衰減規(guī)律，最終確定在不同沖煤量下水力沖孔鉆孔抽采有效半徑。

圖1　鉆孔布置示意Fig.1　Layout of drill boreholes

圖2　鉆孔設(shè)計(jì)Fig.2　Design of drill boreholes

1.3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

施工鉆孔的瓦斯賦存、施工工藝等條件基本一致，單位沖煤量不同，可認(rèn)為造成鉆孔有效抽采半徑差異的關(guān)鍵性因素是單位沖煤量。

每米鉆孔瓦斯抽采量Q與時(shí)間t的關(guān)系為:

Q=Q0e-at

(1)

式中:Q0為每米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3；a為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可以得到：

(2)

式中:M為煤層原始瓦斯含量，m3/t；η為煤層瓦斯抽采率；ρ為煤體密度，t/m3；r2為抽采半徑，m；r1為鉆孔半徑，m，L為鉆孔長(zhǎng)度，m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤的抽采數(shù)據(jù)，由式(1)、(2)計(jì)算后，可得到了鉆孔有效抽采半徑與單位沖煤量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖3所示。

圖3　不同抽采周期不同沖煤量與有效抽采半徑的對(duì)應(yīng)Fig.3　Correspondence graph of different punching coal amount and effective gas drainage radius in different extraction period

由圖3可知，抽采半徑隨單位沖煤量的增加而增大，增大速度成衰減趨勢(shì)，從而得到不同抽采周期不同沖煤量條件下的有效抽采半徑，如表1所示。

表1　不同抽采周期不同沖煤量條件下的有效抽采半徑

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及分析表明，中馬村礦水力沖孔最佳抽采期為90 d，有效抽采半徑可達(dá)到極限值(抽采360 d的有效抽采半徑)的96%左右。

通過(guò)上述分析可得，水力沖孔有效抽采半徑隨單位沖煤量的增加而增大，增大速度逐漸變緩。抽采90 d，單位沖煤量為1,1.5,2 t/m的有效抽采半徑分別為3.21,3.5,3.73 m。

2　數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步分析不同沖煤量對(duì)抽采半徑的影響規(guī)律，本文采用Comsol軟件模擬分析水力沖孔后瓦斯抽采有效影響半徑和孔洞周圍瓦斯壓力分布情況。

2.1　基本假設(shè)

瓦斯在煤層中的流動(dòng)，按空間流向類型可分為: 單向流動(dòng)、徑向流動(dòng)和球向流動(dòng)；按時(shí)間流向分為穩(wěn)定流場(chǎng)和非穩(wěn)定流場(chǎng)[14]。本文假定當(dāng)煤體中的游離態(tài)瓦斯發(fā)生滲流引起瓦斯?jié)舛忍荻壬邥r(shí)，吸附態(tài)瓦斯瞬間轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯，僅從宏觀角度來(lái)研究瓦斯的運(yùn)移。提出假設(shè)如下：煤層中只有單相飽和的瓦斯流體，煤體是均勻連續(xù)介質(zhì)；煤層瓦斯壓力的變化不影響煤層滲透性系數(shù)及煤體孔隙率；煤層頂?shù)装宓臐B透率非常小，瓦斯只在煤層中流動(dòng)；煤體中吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)的瓦斯分別服從修正的Langmuir吸附平衡方程和理想氣體狀態(tài)方程；瓦斯在煤層中的滲流規(guī)律符合達(dá)西定律。

2.2　理論模型

2.2.1瓦斯在煤層內(nèi)流動(dòng)的連續(xù)性方程

(3)

2.2.2滲流場(chǎng)方程

根據(jù)基本假設(shè)，瓦斯在煤層中的流動(dòng)符合達(dá)西定律：

(4)

式中：q為氣體流速，m/s,k為煤體的滲透率，m2；μ為瓦斯氣體黏性系數(shù)，取1.087×10-5Pa·s。

煤體中吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)的瓦斯分別服從修正的Langmuir吸附平衡方程和理想氣體狀態(tài)方程：

(5)

(6)

式中：Q為單位體積含瓦斯煤的瓦斯含量，kg/m3，a為單位質(zhì)量可燃物在參考?jí)毫ο碌臉O限吸附量，m3/kg；b為吸附常數(shù)，Pa-1；C為煤質(zhì)校正參數(shù)，kg/m3；ρ為煤體密度，kg/m3；φ為孔隙率。

由式(3)～(6)可得滲流場(chǎng)方程：

(7)

可以得出瓦斯?jié)B流方程的嵌入方程：

(8)

2.3　幾何模型及邊界條件

根據(jù)水力沖孔現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，建立模型尺寸為80 m×13 m，頂?shù)装宄叽缇鶠?0 m×5 m，煤層尺寸為80 m×3 m，鉆孔布置在模型中心。上覆巖層壓力為10 MPa，鉆孔直徑為 94 mm，抽采負(fù)壓為30 kPa，初始瓦斯壓力為 1.2 MPa，水力沖孔孔洞簡(jiǎn)化為類橢球體[15]。幾何模型示意圖如圖4所示。

圖4　幾何模型示意Fig.4　Geometric model diagram

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，基本參數(shù)見表2。

表2　基本參數(shù)

本模型邊界條件為：邊界上壓力確定，為定值；邊界上流量確定，為定值。

2.4　結(jié)果分析

不同沖煤量條件下，抽采時(shí)間30,90 d時(shí)的瓦斯壓力分布圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，瓦斯壓力隨著距孔洞中心距離的增加而逐漸增大，直至接近原始瓦斯壓力。但受鉆孔瓦斯抽采的影響，隨著抽采時(shí)間的增加，孔洞周圍卸壓范圍逐漸擴(kuò)大，抽采的有效影響范圍逐漸擴(kuò)大，有效抽采半徑增加。

圖5　不同沖煤量抽采30,90 d瓦斯壓力分布Fig.5　Nephogram of gas pressure distribution in different punching coal amount after 30，90 days extraction

為進(jìn)一步考察不同沖煤量對(duì)瓦斯抽采有效影響半徑的影響，以孔洞右側(cè)x軸上端點(diǎn)為(40,1.5)和(60,1.5)的線段作為監(jiān)測(cè)線，繪制出不同沖煤量不同抽采時(shí)間瓦斯壓力分布圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同沖煤量不同抽采時(shí)間瓦斯壓力分布曲線Fig.6　Gas pressure distribution curve of different punching coal amount after different extraction period

從模擬結(jié)果可知，當(dāng)抽采時(shí)間一定時(shí)，有效抽采半徑與單位沖煤量呈現(xiàn)正相關(guān)，單位沖煤量增加，有效抽采影響半徑逐漸增大，但增大趨勢(shì)逐漸減弱；當(dāng)單位沖煤量一定時(shí)，有效抽采半徑與抽采時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)，有效抽采半徑隨著抽采時(shí)間增加逐漸增大。抽采90 d，單位沖煤量為 0.5,1,1.5,2 t/m的有效抽采半徑分別為3.05,3.45,3.61,3.88 m。

3　結(jié)論

1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明，水力沖孔抽采時(shí)間一定時(shí)，有效抽采半徑隨著單位沖煤量的增加逐漸增大，但增大趨勢(shì)逐漸減弱。單位沖煤量一定時(shí)，有效抽采半徑隨著抽采時(shí)間增加逐漸增大。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，抽采90 d，單位沖煤量為1，1.5，2 t/m的有效抽采半徑分別為3.45,3.61,3.88 m。與礦井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的結(jié)論基本一致。結(jié)論有助于優(yōu)化水力沖孔設(shè)計(jì)參數(shù)，提高抽采效率。

3)利用不同沖煤量對(duì)有效抽采半徑的影響規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)確定的單位沖煤量，通過(guò)合理布置水力沖孔鉆孔，可有效提高水力沖孔抽采效果，消除突出危險(xiǎn)性。

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