不同孔徑排放鉆孔有效影響半徑的時空響應*

劉 軍，李 寧，吳錦旗，楊 通

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454003；3.山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214)

0 引言

工作面局部防突措施是突出礦井2個“四位一體”綜合防突措施中的重要一環。超前排放鉆孔是目前國內外突出礦井廣泛采用的一項局部防突措施。大量實際應用效果表明這一措施具有較好的防突效果和工藝簡單、操作方便、適用性強等優點。根據《防治煤與瓦斯突出規定》要求，采掘工作面局部防突措施中，應優先選擇超前預抽鉆孔和超前排放鉆孔措施。超前排放鉆孔的孔數、孔底間距等應當根據鉆孔的有效排放半徑確定。

鉆孔有效排放半徑是指在規定的時間內，在該半徑范圍內的瓦斯壓力或瓦斯含量降低到安全允許值。鉆孔有效排放半徑受煤層透氣性、瓦斯解吸特征、鉆孔孔徑和排放時間等因素的綜合影響，是指導排放鉆孔施工的重要依據。

前人對抽采鉆孔有效影響半徑研究較多[1-2]，對排放半徑研究較少。超前鉆孔有效排放半徑的常用測定方法主要有現場測試法(瓦斯壓力降低法、瓦斯流量法、鉆屑量法、鉆屑瓦斯解吸指標法)和數值模擬計算法[3-7]。

蔣承林等[8]利用安全臨界瓦斯壓力和含量，對排放鉆孔有效排放半徑進行了現場測試；武磊等[9-10]采用鉆孔瓦斯流量法對不同孔徑超前鉆孔有效排放半徑進行了現場測定；劉冠鵬等[11]采用鉆屑瓦斯解吸指標法對不同孔徑排放鉆孔的效排放半徑進行了測試；陳國紅[12]采用鉆屑量和鉆屑瓦斯解吸指標法對排放鉆孔沿煤層層理方向和垂直層理方向的有效排放半徑進行了測試；路學燊等[13]采用流量法和鉆屑法測定相結合的方法，對排放鉆孔的有效排放半徑進行了測試；江萬剛[14]采用數值模擬的方法對豐城礦區排放鉆孔有效影響半徑進行了分析；王海東等[15]采用數值模擬和鉆屑瓦斯解吸指標法對排放鉆孔的有效影響半徑進行了分析。

鉆孔有效排放半徑現場測試法的測試結果可靠，但施工周期長、工程量較大；數值模擬計算法操作簡單、工作量小，但測試結果與現場有一定的偏差。

本文以玉溪煤礦為工程背景，利用現場測試結合數值模擬的方法，對不同孔徑鉆孔有效排放半徑的時空特性進行考察，研究結果對玉溪煤礦排放鉆孔孔徑選擇及鉆孔設計具有指導意義。

1 玉溪煤礦概況

玉溪煤礦位于山西省高平市沁水縣胡底鄉，井田面積29.79 km2，礦井設計生產能力2.40 Mt/a，服務年限50.7 a，采用斜井方式開拓，全井田布置主斜井、副斜井、進風立井和回風立井4個井筒。

玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采3號煤層，平均厚度5.85 m，煤層頂、底板均為泥巖，煤層結構簡單，為全區穩定可采煤層。根據地勘及已揭露區域的測定結果，3號煤層堅固性系數在0.45～1.09之間，煤層透氣性系數0.103 2～26.58 m2/MPa2·d，最大原始瓦斯含量25.59 m3/t，最高原始瓦斯壓力2.90 MPa。

礦井采取的局部防突措施為超前排放鉆孔，排放鉆孔直徑為75～113 mm，如何確定排放鉆孔孔徑、數量、間距和排放時間成為困擾煤礦安全生產的難題。

2 排放半徑現場測試

在選定位置施工直徑42 mm，鉆孔深度10 m的預測孔，測量鉆孔每米的鉆屑量S值和鉆屑瓦斯解吸指標k1值。預測鉆孔測試結束后，分別將其孔徑擴至75，94和113 mm，作為排放鉆孔使用。待排放結束(2 h)后，施工與該孔成10°的測試孔，測試孔與排放孔開孔間距為0.3 m，鉆進過程中分別測量測試孔每米的鉆屑量S值與鉆屑瓦斯解吸指標k1，測試鉆孔布置及參數見圖1、表1。

圖1 排放半徑測試鉆孔布置示意Fig.1 Schematic diagram of testing boreholes for drainage radius

鉆孔編號鉆孔直徑/mm偏角/(°)孔深/m 備注142010垂直煤幫275,94,113010342-1010左偏為負4421010右偏為正

根據現場實測，可以得出不同直徑排放鉆孔鉆屑量、鉆屑解吸指標與鉆進深度的變化情況，由于篇幅有限，文中僅列出直徑75 mm排放鉆孔測試結果，見表2、圖2。將2組測試結果取平均值可以看出，測試孔1～7 m的鉆屑量、鉆屑解吸指標明顯小于預測孔，鉆屑量指標下降幅度為2.22%～16.2%，鉆屑解吸指標下降幅度為0～67.3%，說明10 m長的排放鉆孔在前7 m的泄壓作用明顯，此時孔底間距為1.4 m；測試孔7～10 m的鉆屑量、鉆屑解吸指標與預測孔相比，上下起伏波動，說明在7～10 m段的泄壓作用有一定的偶然性。應該將7 m時的測試孔與預測孔之間的距離作為φ75 mm排放鉆孔的排放半徑，即：根據鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標測試結果，排放2 h后，φ75 mm排放鉆孔的有效排放半徑為1.4 m。

同理可以得到排放2 h后，φ94 mm排放鉆孔的有效排放半徑為1.7 m；φ113 mm排放鉆孔的有效排放半徑為1.9 m。

3 排放鉆孔數值計算

現場測試排放半徑過程中，只能得出具體影響范圍，針對是否在規定時間內，達到規定的排放效果方面存在不足。本文通過數值模擬對現場測試結果進行驗證。

表2 φ75 mm排放半徑測試記錄Table 2 Testing records of drainage radius with φ75 mm

圖2 φ75 mm排放半徑測試結果Fig.2 Testing results of drainage radius with φ75 mm

3.1 數學模型的建立

為使問題簡化，對瓦斯在孔隙裂隙系統中的數學模型做以下假設：

1)煤層是各向同性體，其透氣性以及孔隙率恒定不變。

2)吸附瓦斯符合Langmuir方程，煤層中瓦斯解吸在瞬間完成。

3)將瓦斯視為理想氣體，符合理想氣體狀態方程。

4)瓦斯在煤體中流動服從Fick擴散和Darcy流動定律。

5)頂底板不透氣。

3.2 物理模型的建立

沿著鉆孔的長度方向將煤體剖開，創建如圖3所示的二維物理模型。取模型平面為20 m×15 m的煤層，鉆孔直徑分別為75，94，113 mm，鉆孔深度為10 m，鉆孔位于模型中心處。

圖3 數值模擬物理模型Fig.3 Physical model of numerical simulation

本文在模擬時采用的初始條件為：在t=0時，煤層中的瓦斯壓力為p0，鉆孔中的氣體壓力為pn。其邊界條件為：上下均為固定邊界，鉆孔內部為大氣壓力。

3.3 模擬結果分析

本模擬針對的情況是經過區域效果檢驗后，認定本區域內無突出危險性的情況下。局部突出危險性預測煤層仍有突出危險性，則仍需對煤層采取局部的防突措施。根據《煤礦安全規程》第一百九十條規定：抽采煤層瓦斯后，瓦斯預抽率大于30%。因此，將抽采后煤層瓦斯壓力比抽采前下降30%以上作為抽采有效的指標。當瓦斯壓力小于0.58 MPa時，視為有效排放半徑。圖4是直徑75，94，113 mm鉆孔排放2 h后鉆孔周圍瓦斯壓力分布模擬結果。

表3 數值計算所用的煤體與瓦斯的物理參數Table 3 Physical parameters of coal and gas used in numerical calculation

圖4 不同直徑鉆孔排放2 h后瓦斯壓力分布情況Fig.4 Distribution of gas pressure after 2 hours for boreholes with different diameters

分析圖4可得：

1)在相同的排放時間以及鉆孔直徑條件下，排放鉆孔的影響范圍呈“U”型分布。

2)煤層瓦斯壓力隨著離鉆孔距離的增加逐漸變大。在相同的排放時間條件下，隨著排放鉆孔直徑的增加，排放鉆孔的影響范圍以及有效影響范圍逐漸擴大。

沿著排放鉆孔軸向7.5 m位置做截線1-1，沿著截線1-1得出排放鉆孔徑向不同位置的瓦斯壓力分布情況，如圖5所示。橫坐標為徑向不同位置，縱坐標為殘余瓦斯壓力大小。

圖5 不同直徑鉆孔不同排放時間瓦斯壓力分布情況Fig.5 Distribution of gas pressure under different drainage time for boreholes with different diameters

將圖5中數據提取出來，如表4所示。分析有效排放半徑隨時間的變化曲線如圖6所示，分析有效排放半徑隨鉆孔直徑的變化曲線如圖7所示。

表4 不同直徑鉆孔有效排放半徑Table 4 Effective drainage radius of boreholes with different diameters m

圖6 有效排放半徑與時間關系Fig.6 Relationship between effective drainage radius and time

圖7 有效排放半徑與鉆孔直徑關系Fig.7 Relationship between effective drainage radius and borehole diameter

分析表3、圖6、圖7得出以下結論：

1)隨著排放時間的增加，同一直徑鉆孔有效影響范圍逐漸增加。對于75 mm鉆孔來說，隨著時間從2 h提高到12 h，有效排放半徑從1.31 m提高到2.91 m。同理，對于94 mm鉆孔，有效排放半徑從1.78 m提高到3.31 m；對于113 mm鉆孔，有效排放半徑從2.25 m提高到3.53 m。排放時間對排放半徑影響較大。

2)對于75 mm鉆孔，有效影響范圍與排放時間符合y=1.17x0.37的冪指數關系，相關系數為0.86；對于94 mm鉆孔，有效影響范圍與排放時間符合y=1.47x0.32的冪指數關系，相關系數為0.97；對于113 mm鉆孔，有效影響范圍與排放時間符合y=1.80x0.045的冪指數關系，相關系數為0.92。

3)在相同排放時間的條件下，隨著鉆孔孔徑的擴大，有效影響范圍與鉆孔直徑符合冪指數關系。

4 結論

1)在相同的排放時間以及鉆孔直徑條件下，排放鉆孔的影響范圍呈“U”型分布。

2)隨著排放時間的增加，同一直徑排放鉆孔有效影響范圍逐漸增加，符合y=a·xb的冪指數關系。

3)隨著排放鉆孔直徑的增加，隨著排放時間的增加，有效影響范圍逐漸增加，符合y=c·xd的冪指數關系。

4)根據玉溪煤礦實際情況，當排放時間為2 h，直徑為75 mm鉆孔的有效排放半徑為1.31 m；直徑為94 mm鉆孔的有效排放半徑為1.78 m；直徑為113 mm鉆孔的有效排放半徑為2.25 m。