時空效應(yīng)下不同孔徑超前鉆孔有效排放半徑研究*

程 磊，程志楷，連少朋，郝 殿，萬劍峰

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學(xué) 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；4.焦作煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454002；5.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

0 引言

在煤礦的災(zāi)害中，煤與瓦斯突出仍然是比較嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]。而超前排放鉆孔治理工作面局部突出是根本有效的措施之一。利用排放鉆孔削減地應(yīng)力，增大煤層的透氣性，使得瓦斯排出，從而消除突出危險[2]。因此，準(zhǔn)確計算排放半徑能夠確定鉆孔間距，提高瓦斯排放效率，降低治理瓦斯成本，減少煤礦災(zāi)害。

目前大多數(shù)研究是抽采鉆孔的影響半徑[3-5]，很少有對排放鉆孔的研究。超前鉆孔的排放半徑主要有2大類方法：第1類是現(xiàn)場測試方法，主要包括瓦斯壓力降低法、鉆孔瓦斯流量法、鉆屑量與鉆屑瓦斯解析指標(biāo)法；第2類是數(shù)值模擬法[6-11]。其基本思想都是分析不同孔徑的鉆孔在不同時間下對煤層瓦斯的影響，從而確定排放半徑和鉆孔間距。

武磊等在瓦斯排放時間基礎(chǔ)上對鉆孔瓦斯涌出量進(jìn)行實地測試，得出超前排放鉆孔排放半徑[12]；劉冠鵬等在實地測量朱集西煤礦11501工作面的基礎(chǔ)上，利用鉆屑量方法計算鉆孔有效排放半徑，得出不同鉆孔的不同排放半徑[13]；劉斯佳在實際考察的基礎(chǔ)上得出煤層壓力、透氣性和滲透率對瓦斯排放半徑效果顯著，但排放時間對排放半徑影響有限的結(jié)論[14]；趙長闖等通過對武山煤礦的實際考察對瓦斯流量法確定排放半徑的局限性進(jìn)行分析，進(jìn)而提出利用鉆屑量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測量更加準(zhǔn)確的結(jié)論[15]；姚尚文等利用瓦斯流量法和數(shù)值模擬結(jié)合的方法綜合得出91 mm鉆孔的排放半徑為0.5 m[16]。因此，本文旨在使用瓦斯流量法、鉆屑法進(jìn)行實地考察和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究超前鉆孔影響半徑，為提高排放半徑精度提供參考作用，從而達(dá)到預(yù)防煤與瓦斯突出，提高礦井安全水平的目的。

1 平煤十礦己15-33200工作面概況

平煤十礦位于河南省平頂山市，年產(chǎn)量可達(dá)2 Mt。己15-33200工作面位于井下-870 m水平己三采區(qū)西翼最下部區(qū)段。己15煤層原始瓦斯壓力值為0.2～2.5 MPa，原始瓦斯含量值為3.68～10.20 m3/t。己15-33200工作面屬于煤與瓦斯突出危險區(qū)域，即本文考察地點。

2 排放半徑現(xiàn)場實測

現(xiàn)場實測采用鉆孔瓦斯流量法和鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法綜合考察，以提高排放半徑的精確性。

2.1 鉆孔瓦斯流量法測定

測試地點選在平煤十礦己15-33200工作面風(fēng)巷通尺350 m上幫，距離底板1.4 m處設(shè)置排放孔(φ89，113 mm)，排放孔深20 m，傾角+3°，在排放孔左側(cè)0.8，1.3，1.7 m處和右側(cè)0.6，1.0，1.5 m處布置6個考察孔(φ42 mm)，考察孔孔深均為10 m，傾角+3°。如圖1所示。

圖1 流量法排放孔、考察孔布置示意Fig.1 Layout of discharge borehole and inspection boreholes of flow method

測試地點1～6號使用φ42 mm鉆桿施工深度10 m的考察孔，之后每隔5 min測定1次瓦斯流量，共測定5次。待所有考察孔測定完瓦斯流量后，利用φ89和113 mm鉆頭擴(kuò)孔施工10 m深排放孔，施工完后測定鉆孔q值，共測定5次，每次間隔30 min。考察孔瓦斯流量變化如圖2所示。

圖2 各考察孔瓦斯流量數(shù)據(jù)Fig.2 Gas flow data of each inspection hole

根據(jù)考察孔瓦斯流量在排放孔施工前后的變化量可以看出：當(dāng)排放孔直徑為113 mm時，除1號考察孔不在排放孔影響半徑內(nèi)，其余考察孔流量均有所增大，說明2，3，4，5，6 號考察孔在φ113 mm排放孔的影響半徑內(nèi)。

綜上分析可以得到φ89 mm鉆孔影響半徑為1.3 m，φ113 mm鉆孔影響半徑為1.5 m。

2.2 鉆屑量測定

測試地點選在平煤十礦己15-33200采煤工作面切眼第27架附近，試驗段斜長3 m，距頂板2.7 m處布置考察(排放)孔，考察孔φ42 mm，排放孔φ89和113 mm，孔深10 m，傾角0°，在排放孔左右兩側(cè)0.6 m處各施工1個考察孔(φ42 mm)，左側(cè)考察孔夾角-10°，右側(cè)考察孔夾角+10°。如圖3所示。

圖3 鉆屑法排放孔、考察孔布置示意Fig.3 Layout of drill cuttings discharge borehole and inspection boreholes

在測試地點施工深度10 m，φ42 mm的考察孔，測量每米的鉆屑量S值，測量結(jié)束后擴(kuò)孔成φ89 mm，排放2 h后在左側(cè)0.6 m處施工深10 m，夾角為-10°的1號考察孔，并測量其每米的鉆屑量S值，測量結(jié)束后再擴(kuò)成φ113 mm的排放孔，2 h后在右側(cè)0.6 m處施工深10 m，夾角為+10°的2號考察孔，并測量其每米的鉆屑量S值。測量鉆屑量變化結(jié)果如圖4所示，其鉆孔間距和孔深關(guān)系見表1。

圖4 S值與鉆孔間距的關(guān)系Fig.4 Relationship between S value and borehole spacing

表1 孔深與2測點之間的距離Table 1 Borehole depths and distances between two measuring points m

根據(jù)圖4和表1分析，對于φ89 mm排放孔，當(dāng)鉆孔在3 m以淺(鉆孔間距為1.13 m)時，1 號考察孔鉆屑量下降明顯，下降值為0.5～0.6 kg/m，下降幅度達(dá)31.2%～42.9%，說明φ89 mm鉆孔在10 m深的排放鉆孔的前3 m的排放效果明顯，此時鉆孔間距為1.13 m，說明φ89 mm鉆孔影響半徑可達(dá)1.13 m。同理，對于φ113 mm鉆孔，當(dāng)鉆孔在4 m以淺(鉆孔間距為1.31 m)時，2號考察孔鉆屑量下降0.5～0.8 kg/m，下降幅度35.7%～50%，此時考察孔和排放孔間距為1.31 m，說明φ113 mm鉆孔影響半徑可達(dá)1.31 m。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 基本假設(shè)

為簡化問題，對瓦斯在煤體中的流動做出以下假設(shè)：

1)煤層頂?shù)装逡暈椴煌笟鈳r層。

2)煤體為多孔介質(zhì)，其中瓦斯是單項飽和的。

3)瓦斯的滲流解吸按等溫過程處理。

4)煤體骨架是線彈性體，且滲透率各向異性。

5)煤體中瓦斯是理想氣體，服從Darcy定律。

3.2 建立物理模型

二維幾何模型的尺寸參數(shù)為長10 m，寬3 m，排放鉆孔位于幾何中心，鉆孔直徑為89，113 mm。

3.3 模擬計算參數(shù)

根據(jù)實際工況，煤層的基本計算參數(shù)見表2。

表2 煤層的基本計算參數(shù)Table 2 Basic calculation parameters of coal seam

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為研究單一排放孔在排放煤層瓦斯過程中，隨著時間的變化引起的瓦斯壓力分布和有效影響半徑的變化情況，利用COMSOL-Multiphysics軟件進(jìn)行模擬，得到模擬結(jié)果及分析，如圖5所示。

圖5 φ89 mm和φ113 mm排放8 h時煤層瓦斯壓力分布Fig.5 Distribution of coal seam gas pressure after 8 hours of discharge under φ89 mm and φ113 mm

由圖5可看出，由于排放鉆孔的影響，瓦斯壓力從φ89 mm和φ113 mm排放鉆孔中心開始呈橢圓形環(huán)狀遞減分布，在同一時刻水平方向上的影響半徑大于垂直方向上的。分析圖5可知：

1)瓦斯壓力在空間分布上隨排放孔距離的增加先是從1 Pa開始激增，然后逐漸變小，最后趨近于初始值。

2)在同一檢測處，煤層瓦斯壓力隨著瓦斯排放時間的增加先迅速減小，然后減小速率逐漸變小，壓力緩慢變小，這表明時間的增加對瓦斯排放的有效半徑影響有限。

鉆孔瓦斯排放有效半徑的變化見表3，對比試驗結(jié)果和模擬結(jié)果可以看出，對于φ89 mm鉆孔，當(dāng)排放2 h后影響半徑不再明顯增大，因此，其排放半徑為1.3 m，對于φ113 mm鉆孔，當(dāng)排放2.5 h后影響半徑不再明顯增大，因此，其排放半徑為1.5 m。

表3 鉆孔瓦斯排放有效影響半徑隨時間變化Table 3 Change table of effective influence radius borehole gas discharge with time

由于φ89 mm鉆孔在3 h后影響半徑穩(wěn)定，故只分析0～3 h的影響半徑與時間的關(guān)系，同理，對于φ113 mm鉆孔，只分析0～3 h的影響半徑與時間的關(guān)系，分析情況如圖6所示。

分析圖6可知，對于φ89 mm的排放孔，其影響半徑和時間的關(guān)系為y=1.04x0.31的冪指關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98，對于φ113 mm的排放孔，其影響半徑和時間的關(guān)系為y=1.22x0.26的冪指關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.94。

圖6 φ89 mm和φ113 mm影響半徑和時間關(guān)系Fig.6 Relationship between influencing radius and time under φ89 mm and φ113 mm

4 結(jié)論

1)利用試驗和模擬結(jié)合的方式，對平煤十礦己組煤層瓦斯排放鉆孔影響半徑進(jìn)行分析，結(jié)果表明其φ89 mm鉆孔影響半徑為1.3 m，φ113 mm鉆孔影響半徑為1.5 m。

2)對于同一直徑的排放鉆孔，當(dāng)排放時間相同時，排放鉆孔對煤體內(nèi)瓦斯壓力的影響范圍呈橢圓形分布。

3)隨著鉆孔直徑的增大，在一定范圍內(nèi)，隨著排放時間的增加，影響半徑也相應(yīng)的增加，影響半徑的增加與不同鉆孔的直徑呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4)煤礦瓦斯壓力隨著排放時間的增加先迅速減小，后緩慢減小，瓦斯壓力在水平方向上隨著距離排放孔中心的距離的增大而迅速增大，后緩慢增大，最后趨近于煤體瓦斯的初始壓力。