綜放工作面瓦斯抽采最優鉆孔參數研究*

齊慶杰，祁 云，張建國，周新華

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室 遼寧工程技術大學，遼寧 葫蘆島 125000；3. 中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司，河南 平頂山 467000;4.遼寧工程技術大學 建筑工程學院， 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害發生還能確保安全生產的綠色開采技術[1]。截止到2016年，我國井下瓦斯抽采總量已達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]。隨著開采深度和強度的增大，通風阻力隨之增加，導致瓦斯突出、瓦斯爆炸等災害事故頻繁發生[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，發現合理選取的抽采鉆孔參數是保證瓦斯抽采率，防治工作面瓦斯超限的關鍵[6]。

國內外學者對煤層瓦斯抽采的限制因素進行了細致的研究， Germsnnovich[7]通過菲克定律分析了瓦斯在煤基質中擴散的規律，解釋瓦斯擴散現象;洪林等[8]利用有限容積法分析研究采空區流場的壓力、滲流流度和瓦斯的濃度分布規律，為采空區瓦斯抽采參數的選擇提供了可靠的依據;李宗翔等[9]根據流體力學原理模擬瓦斯涌出、分布規律，得出瓦斯抽采量及濃度均與工作面瓦斯涌出量成反比，并提出了開區移動式“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壓對抽采效果的影響;李勝等[12]充分考慮水滲流和Klinkenberg效應的影響，建立了基于流固耦合的穿層鉆孔瓦斯抽采模型，得出抽采負壓、鉆場間距對抽采效果的影響。

鉆孔間距和鉆孔直徑對瓦斯抽采效果的影響具有疊加效應，但是目前對于合理選取鉆孔間距和鉆孔直徑以達到最佳抽采效果的研究還相對缺乏[13-14]，筆者在前人的基礎上，以平煤某礦己15-24070(下)工作面抽采現狀為例，利用COMSOL多物理場數值模擬軟件建立抽采鉆孔的三維模型，模擬研究鉆孔間距、直徑對本煤層瓦斯抽采效果的影響，對鉆孔參數進行優化，從而為瓦斯抽采工作提供可靠的技術指導。

1 己15-24070(下)工作面概況

己15-24070(下)工作面地面西靠四采區下山系統；東至平煤十二礦邊界保護煤柱；南鄰已回采結束的己15-24070采空區平距4.5 m；北距已回采結束的己15-2490采空區平距4.5 m。地面標高+170～+200 m，工作面標高-400～-500 m。最大煤層厚度38.26 m，平均厚度32.37 m；全區分部，煤層較穩定，煤層節理、層理較復雜，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f：1～2，煤層瓦斯初始壓力為0.55 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 數學模型和邊界條件

1)應力控制數學模型

煤巖體受地應力、瓦斯壓力的影響產生固體壓縮變形，結合Terzaghi有效應力定律，可得煤與瓦斯耦合應力控制方程[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；F為體積壓力，Pa；i,j=x,y,z；Pw，Pg，Pe分別為水、瓦斯、毛細管壓力，MPa；s為瓦斯飽和度。

2)滲流場控制數學模型

多孔介質中瓦斯氣體滲流場控制遵循以下數學方程[15-16]。

(3)

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

3)滲透率演化模型

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

(4)

(5)

式中：k0為煤體初始絕對滲透率；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變初始值、應變值；ξr0，ξr分別為煤體積應變初始值、應變值。

2.2 幾何模型的建立

依據固體力學和達西定律方程建立本煤層瓦斯抽采數值模擬模型，通過應力、孔隙率、滲透率等變量進行耦合求解。幾何模型如圖1所示，煤層厚度為30 m，煤體斜向長度為80 m，走向長度60 m，設置3個抽采鉆孔，其中在走向長度的中心處設置1個鉆孔，另2個鉆孔分布在中心鉆孔的兩側，為節省計算資源，鉆孔長度設置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

設置邊界條件和初始值后對幾何模型進行網格劃分，頂點單元數：32個；邊單元數：534個；邊界單元數：2 094個；單元數：23 965個。共計劃分成3 965個域單元、2 094個邊界單元和534個邊單元組成的完整網格。

2.3 參數方程及值的設定

達西定律中采用綜合壓縮系數方程，孔隙率采用phi求解，滲透率使用k1求解，儲存方程計算用co1進行，質量源項采用ttt求解，抽采鉆孔邊界采用抽采負壓P控制。模型相關參數設置如表1所示。

表1 參數Tab.1 Parameter

3 鉆孔參數對抽采效果的影響

3.1 鉆孔間距對抽采效果影響

原始瓦斯壓力0.55 MPa，初始孔隙率0.064，數值模擬中鉆孔直徑100 mm，抽采負壓20 kPa，設置抽采時間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。可以看出，鉆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域聯通性能越強，所有鉆孔間距不能過大，否則會在鉆孔之間留存以終孔位置最嚴重，鉆孔長度方向其他位置次之的瓦斯壓力卸壓盲區，導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于鉆孔上方，呈現出鉆孔下方稍寬上方略窄的紡錘體分布，所以瓦斯抽采時鉆孔下方的瓦斯卸壓較為充分。

3.2 鉆孔直徑對抽采效果的影響

鉆孔直徑的大小影響瓦斯抽采效果，主要表現在對鉆孔周圍瓦斯流動速度、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。總體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，在能夠提高抽采效果的情況下，可適當選取較大的鉆孔直徑。

3.3 相鄰鉆孔中心點壓力衰減規律

不同鉆孔間距，鉆孔直徑均為5 m抽采180 d時，相鄰鉆孔中心點的瓦斯壓力隨時間變化規律如圖6所示。圖中數據表明，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范圍內時，抽采開始后的30～40 d瓦斯壓力均會顯著降低，超過40 d后瓦斯壓力隨抽采時間的延長而緩慢降低至趨于穩定。以瓦斯壓力降低30%為標準，結合不同鉆孔間距間最終瓦斯壓力穩定值分析，最優的鉆孔間距范圍為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間變化規律如圖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，抽采0～180 d過程中相鄰鉆孔中心點瓦斯壓力變化規律；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差異所需要的時間越短，但在抽采時間較短時鉆孔直徑對相鄰鉆孔間區域的卸壓程度影響較小。以瓦斯壓力降低30 %為標準，結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壓力衰減規律Fig.6 Attenuation law of central pressure at adjacent boreholes under different drilling spacing

4 現場方案實施及抽采效果

4.1 煤層鉆孔布置

根據模擬結果，結合己15-24070(下)工作面的運輸順槽和回風順槽標高相差比較大的特點，決定鉆場和鉆孔布置在本煤層工作面的運輸順槽內，其中鉆孔間距為5 m，鉆孔直徑為100 mm，利用現有抽采系統進行瓦斯抽采。工作面運輸順槽內布置平行鉆孔，在距切眼30 m位置為第一組鉆孔(每組1個鉆孔)，每個鉆孔高度為距底板1 m，垂直煤壁方向，平行鉆孔鉆孔深度為60 m。根據研究決定采用Φ82 mm鉆頭，可以擴孔至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瓦斯壓力衰減規律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間的變化如圖9所示。抽采數據顯示，己15-24070(下)工作面平均絕對瓦斯涌出量為17.16 m3/min，初采期間瓦斯涌出量逐漸升高，頂板初次來壓后，最大涌出量達到24.87 m3/min，工作面回采3個月后，瓦斯涌出量逐漸降低并趨于穩定。回采期間，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定，其中平均瓦斯抽采純量為4.95 m3/min，抽采110 d后達到穩定。采空區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12.92 m3/min。受工作面瓦斯抽采作用影響，風排瓦斯量逐漸降低，抽采110 d后，風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間的變化Fig.9 Variation of emission and extraction with time

瓦斯抽采率隨時間變化如圖10所示。可以看出，綜放面瓦斯抽采率同樣呈先升高后趨于穩定的規律，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%，能夠達到相關國家標準的要求。從現場數據分析可知，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，因此應加強工作面邊采邊抽技術措施。采空區瓦斯抽采率變化相對平穩，但所占比重較大，加強本煤層抽采的同時也應考慮采空區瓦斯聯合抽采技術。

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

根據己15-24070(下)綜放工作面回風瓦斯的實際測定，得到整個回采期間工作面回風中平均瓦斯變化規律。工作面回采期間回風巷瓦斯平均濃度如圖11所示。圖11顯示，整個回采期間工作面瓦斯濃度范圍在0.15%-0.35%之間趨于穩定，最大平均濃度為0.5%，沒有出現瓦斯超限現象，說明本煤層平行鉆孔瓦斯抽采技術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巷瓦斯平均濃度Fig.11 Average concentration of gas in the returnairway during working face

5 結論

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，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測數據顯示，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，加密鉆孔抽采時可以不考慮加大孔徑的問題。

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