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，現階段正在開采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、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質泥巖，深灰色粉砂巖。該煤層全井田可采，結構簡單，厚度變化不大，屬穩定型煤層。郭莊煤礦3#煤層瓦斯相對涌出量為11.61m3/t，絕對涌出量為31.91m3/min，鑒定為高瓦斯礦井。礦井目前生產系統主要布置在北翼，南翼采區為開拓準備區域。為查明井田煤層瓦斯賦存狀況，指導采區和工作面設計及通風瓦斯管理工作，同時考察瓦斯抽放可行性，對郭莊煤業3#煤層瓦斯涌出量進行預測，對順層鉆孔抽采半徑進行試驗研究。

2 順層鉆孔有效抽采半徑數值模擬研究

2.1 建立數值模型

COMSOL Multiphysics是一個能夠實現多場耦合分析的數值仿真軟件[1]，目前廣泛用于各類工程地質問題的試驗研究。為具體分析郭莊煤礦3#煤層采用順層鉆孔預抽瓦斯的效果，并指導現場生產實踐，根據3#煤層具體條件建立圖1所示的三維數值模型。3#煤層傾角2°～4°，平均3°，屬于近水平煤層，建立模型時為更加接近真實情況，數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，其厚度對于抽采鉆孔的有效抽采半徑基本沒有影響，因此為提高計算的速度、精度，此次模擬試驗的三維數值模型簡化為二維剖面模型，剖面位置對應于煤層中部，詳細情況如圖1所示。煤層的實際長度和寬度遠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又能準確地反應研究區域的模擬結果。參考相關的研究實例，設計模型為邊長為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，鉆孔的總長度為75m，封孔長度為16m。具體的數值模型和邊界條件的設置如圖2所示。

圖1 模型建立示意圖

圖2 瓦斯抽采鉆孔數值模型示意圖

2.2 相關參數的測量

采用COMSOL數值模擬軟件，根據耦合動力學理論模擬計算3#煤層順層鉆孔抽采瓦斯的有效半徑，需對3#煤層的相關參數進行具體的研究測定[3]。在3#煤層正式回采前，委托中國礦業大學對3#煤的原始瓦斯壓力、原始滲透性系數等參數進行試驗測定。為了方便對主要設定參數查閱，現分類如表1、表2所示。

表1 現場測定參數匯總表

表2 試驗測定參數匯總表

2.3 3#煤層單個鉆孔瓦斯有效抽采半徑數值模擬

根據郭莊煤業有限責任公司3#煤層實際情況，實測壓力點附近存在陷落柱，陷落柱附近巖層塌落、裂隙發育，附近煤層的瓦斯向陷落柱內運移，造成附近區域煤層瓦斯壓力偏小，因此用瓦斯含量進行瓦斯壓力反算。根據瓦斯含量指標用間接法計算所對應的瓦斯壓力，瓦斯含量與壓力之間存在以下關系[4]：

將吸附常數等數據代入上式可計算出對應的瓦斯壓力。根據郭莊煤業有限責任公司3#煤層瓦斯參數測定結果可知，當可解析瓦斯含量降到目標值4m3/t時，殘余瓦斯含量為6.11m3/t，此時對應的瓦斯壓力為0.40MPa。依據上述獲取數據對數值模擬模型進行設定，并確定抽采半徑的指標（可解吸瓦斯含量降到目標值4m3/t，瓦斯壓力為0.40MPa），同時結合郭莊煤業有限責任公司3#煤層回采工作面瓦斯預抽時間不同的特點，分別對鉆孔預抽2、3、6個月的單個鉆孔進行模擬，對應不同時間條件下，單個鉆孔抽采后煤層內瓦斯壓力的分布云圖如圖3所示。

圖3 3#煤層抽采不同時間鉆孔周圍壓力分布云圖

從圖3所示的模擬結果可以看出，單孔抽采時間不同的情況下，鉆孔周圍煤層內瓦斯的壓力存在明顯的不同。抽采的時間越長，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，鉆孔周圍煤體內瓦斯壓力的變化規律通過曲線表示出來，詳細的情況如圖4所示。

當可解吸瓦斯含量降到目標值4m3/t時，由圖4分析可知：

（1）經過2個月的抽采，3#煤層鉆孔周圍0.79m范圍內的瓦斯壓力降至0.40MPa以下，可解析瓦斯含量降至目標值4m3/t，因此抽采半徑為0.79m；

（2）經過3個月的抽采，3#煤層鉆孔周圍1.0～1.2m范圍內的瓦斯壓力降至0.40MPa以下，此時煤層可解析瓦斯含量降至目標值4m3/t，因此抽采半徑為1.02m；

（3）經過6個月的抽采，3#煤層鉆孔1.3～1.5m范圍內的瓦斯壓力降至0.40MPa以下，可解析瓦斯含量降至目標值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系曲線

3 瓦斯儲量法測定有效抽采半徑結果分析

通過以上模擬研究結果，即將投產的3316工作面預計進行3個月的順層鉆孔瓦斯抽采，工作面抽采鉆孔間距離取2.0m（模擬結果：有效半徑為1.02m）。在進行瓦斯預抽的過程中，在鉆孔內安裝煤氣表測定流量，進行為期70d的監測試驗，將監測的數據整理后得到如圖5所示的結果。

圖5 單孔抽采量與抽采時間的關系

根據圖5所示的結果可知，抽采鉆孔內瓦斯的抽采量隨著時間的增大逐漸減小，但是其關系并不是線性相關。具體時間單孔抽采量仍不能準確的估計，故對監測數據進行擬合，擬合曲線公式為：

采用瓦斯儲量法計算鉆孔的有效半徑，參考模擬研究的結果，抽采半徑的指標為可解吸瓦斯含量降到目標值4m3/t，下面以抽采60d為例進行計算。有效抽采半徑控制區域需要抽采瓦斯量：

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-鉆孔長度，取80m；

ρ-煤體假密度，取1.24t/m3。

根據擬合曲線計算考察鉆孔單孔實際抽采量：

鉆孔控制區域需布置的抽采鉆孔數量：

3#煤層內可解吸瓦斯含量降到4m3/t，抽采60d時的有效抽采半徑：

通過上述計算方法，對鉆孔抽采3、6個月的有效抽采半徑進行計算，對郭莊煤業有限責任公司3#煤層鉆孔瓦斯有效抽采半徑的測定采用實驗室數值模擬法與現場瓦斯儲量法相結合的方法。以可解吸瓦斯含量降到4m3/t為例，兩種方法測得的3#煤層的有效抽采半徑結果對比如表3所示。不同方法的測定結果具有很好的吻合性，采用comsol數值模擬的結果很好地佐證了現場實測結果，說明采用COMSOL模擬研究瓦斯有效抽采半徑真實可靠，能夠為現場生產提供可靠的參考依據。

表3 不同測定方法有效抽采半徑測定結果對比

4 結論

為更加合理地設計抽采鉆孔的布置方式，取得理想的抽采效果，采用COMSOL Multiphysics數值仿真模擬軟件進行試驗分析。工作面回采前進行3個月的瓦斯預抽，對抽采孔瓦斯流量進行監測，通過瓦斯儲量法計算實際的抽采效果，模擬試驗得出的結論與實際結果近似，取得了很好的應用效果。