南陽煤業3號煤層抽采鉆孔布孔方案優化研究

牛澤光

（山西高平科興南陽煤業有限公司，山西 高平 048400）

0 引言

瓦斯抽采中鉆孔布設間距依靠生產經驗取值存在不確定性[1]，而瓦斯治理效果與鉆孔布設間距息息相關，合理布設方案一定程度上決定了整個礦井開采工作的順利進行[2]。鉆孔布設間距過大時抽采效果不佳，間距過小時易受采動影響發生塌孔事故，同時使得生產鉆進及維護工作量加大[3，4]。而傳統的現場鉆孔試驗法測定有效抽采半徑較為局限，其實際測定結果往往與鉆孔施工過程及特定工作面賦存與關，為此，本文借助數值模擬軟件分析了有效抽采半徑影響因素，探究了群孔抽采時合理布設間距，結合現場生產情況給定了交錯式布孔優化方案。

1 工程概況

南陽煤業3203工作面煤層厚度4.1～6.4 m，平均煤厚5.38 m，節理較發育，3號煤層自燃傾向性等級為Ⅲ級，屬不易自燃煤層，且煤塵無爆炸性；工作面布置運輸順槽、軌道順槽、回風順槽，其中運輸順槽、軌道順槽同時進風，綜放工作面采用W型獨立通風。實測3203綜放工作面原始瓦斯含量最大值為7.91 m3/t，最小值為6.34 m3/t，煤層透氣性0.045 79～0.140 075 m2/（MPa.d），具備煤層開采預抽條件。實際生產中，工作面瓦斯抽采方法采用回采面預抽及邊采邊抽，針對采空區瓦斯采用密閉墻內預埋管路抽采，3202工作面為2采區最后一個回采面，不具備全封閉插管抽采老采空區條件。

2 鉆孔抽采有效半徑影響因素分析

生產工作中抽采鉆孔的瓦斯抽采純量是決定鉆孔抽采瓦斯效果的直觀體現，抽采鉆孔的布設方式是其內在影響機理，而鉆孔抽采有效半徑在確定鉆孔布設參數中起主導作用，為此，針對鉆孔抽采有效半徑影響因素，分別從鉆孔抽采負壓、鉆孔直徑、鉆孔抽采時間3個維度探究其作用機理。

2.1 瓦斯流-固耦合滲流方程

為使得數值解算結果可靠，借鑒前人研究成果將煤層內部瓦斯混合氣體視作理想氣體，考慮煤體內部瓦斯吸附解吸過程，壓力梯度下游離瓦斯在煤體孔裂隙中滲流流動符合Darcy定律：

式中：q為瓦斯滲流流速，m/s；k為煤層滲透率，m2；μ為瓦斯的動力黏度，pa·s。

同時，在煤體基質雙重孔隙中，瓦斯氣體流動滿足質量守恒方程，依據極限理論將煤體分割為微小單元體，借助積分思想簡化可得單位體積煤體滲流連續方程為：

式中：C為單位容積內煤體瓦斯質量，kg/m3；ρ為瓦斯密度，kg/m3；Q為瓦斯煤體瓦斯總質量，kg/（m3·s）。

將瓦斯滲流看作等溫過程，則理想狀態下煤層內線性滲流可表達為：

式中：M為瓦斯氣體分子量，kg/mol；R為氣體常數；T為氣體溫度，℃。

結合Langmuir方程：

式中：x為單位煤體中瓦斯含量，m3/t；xa為單位煤體中游離瓦斯含量，m3/t；xb為單位煤體中吸附瓦斯含量，m3/t；V為單位質量煤體孔隙容積大小，m3/t；P為瓦斯壓力，MPa；T0為標準狀態下絕對溫度，273.15 K；P0為標準大氣壓，101.3 kPa；ω為瓦斯壓縮系數，無量綱；t為煤層溫度，K。

上式聯立可得煤體內部瓦斯流-固耦合滲流方程，借助COMSOL內部PDE函數功能代入模型進行解算。

2.2 幾何模型及參數設定

結合南陽煤業3303工作面生產情況，和煤層物理力學參數，建立幾何模型，模型尺寸為：長20 m×寬5.38 m。鉆孔位于煤層中心，鉆孔直徑分別按94、113、133、200 mm進行解算，幾何細化網格見圖1。

圖1 幾何細化網格圖

煤層物理力學參數按現場測量結果和實驗室測定結果給定，其幾何參數見表1。

表1 煤層物理力學參數

2.3 抽采負壓對瓦斯抽采效果影響

抽采負壓的增大勢必影響鉆孔抽采效果的好壞，在大量不同負壓的解算基礎上，本文選取差別較大的10、13、23、26 kPa 4種負壓抽采情況進行分析，其瓦斯壓力模擬結果如圖2所示。

圖2 不同負壓抽采效果

隨著抽采鉆孔抽采負壓的增加，其瓦斯壓力卸壓范圍與抽采負壓呈正相關關系，抽采負壓較低時，該效應尤其明顯，但當抽采負壓超過一定值時，該效應開始減弱，23、26 kPa時，增幅較為平緩。由此可知，抽采負壓大小存在最佳效益區間，當負壓值位于該區間內時，增幅效益最大，實際生產中，應根據現場實際情況，在設備允許、礦井安全、經濟等多方面綜合考量下確定最佳抽采負壓值，該處最佳負壓值為23 kPa。

2.4 鉆孔直徑對瓦斯抽采效果影響

分別設置4個不同直徑大小的抽采鉆孔進行抽采工作，其鉆孔直徑分別按94、113、133、200 mm考量，分別模擬抽采120 d后瓦斯壓力變化，分析不同鉆孔直徑對瓦斯抽采效果影響。

圖3 不同鉆孔直徑抽采效果

抽采時間固定時，抽采鉆孔影響范圍隨著抽采鉆孔直徑的增大而不斷擴大。根據鉆孔徑向流動理論及相關文獻可知鉆孔周邊煤體卸壓有效影響半徑表達式為：

式中：σ0為鉆孔作業前周邊煤層原巖應力，MPa；σc為煤的單軸抗壓強度，MPa；fr為孔壁間煤體摩擦因數，無量綱。

式中：φ為煤的內摩擦角。

據此分析可知，鉆孔直徑增大，卸壓有效影響半徑增加，但同時受地應力影響作用，鉆孔塌孔風險隨之增加，施工過程中，鉆孔內壁暴露面積更大，鉆機需克服的煤巖阻力增大，過大的鉆孔往往使得鉆進過程不連續，且封孔難度指數上升，極易發生竄孔現象，為此在現場條件允許下，最大施工鉆孔直徑為113 mm。

3 群孔參數優化研究

同時，考慮到實際抽采過程中大多以群孔方式布設，單一鉆孔研究存在一定的局限性，不同鉆孔布設參數下其疊加效應影響不同，為了更好的掌握群孔抽采條件下的瓦斯運移及影響因素分析，此處選擇直徑113 mm的抽采鉆孔進行試驗，抽采負壓設定為23 kPa，一組鉆孔同時位于煤層中心，對其網格進一步細化，幾何模型如圖4所示。

圖4 幾何模型及網格劃分

3.1 不同抽采時期抽采效果分析

群孔抽采過程中，不同時期的鉆孔周圍瓦斯壓力變化如圖5所示。抽采初期，鉆孔周圍壓力開始降低，此時群孔疊加效應并不明顯，瓦斯壓力分布較為均勻，一段時間后，瓦斯壓力邊界效應顯現，中下部煤層抽采影響范圍略小于中上部煤層，考慮為頂部載荷影響。

圖5 不同抽采時期瓦斯壓力云圖

瓦斯壓力下降至初始壓力的49%，可將其視作瓦斯有效抽采半徑[5]，基于此分析群孔抽采不同時期內有效抽采半徑變化規律，初始抽采10 d后，瓦斯有效抽采半徑為1.42.1 m，抽采40 d后，瓦斯有效抽采半徑為2.1 m，100 d后抽采影響半徑最大為3.2 m，有效影響范圍與瓦斯抽采時間呈現非線性相關性，且有效范圍增長速度隨抽采時間的增加而遞減，因此，煤層瓦斯抽采存在合理預抽期。抽采前期，在壓力梯度及鉆孔變形所導致的鉆孔周圍孔裂隙擴張過程中，其抽采效果顯著，吸附瓦斯大量解吸，壓力降低速率快；鉆孔抽采穩定后，瓦斯壓力逐漸恢復，同時瓦斯壓力梯度降低、部分鉆孔在采動應力作用下發生塌孔變形，此時，瓦斯壓力降低速率隨時間的推移逐漸放緩。

3.2 布孔間距對瓦斯抽采效果影響

在壓力梯度影響下，煤層內部瓦斯氣體逐漸向抽采鉆孔附近的卸壓區徑向流動，形成徑向流動的氣體流場。瓦斯抽采鉆孔高效作用的關鍵在于，合理控制布孔間距與抽采影響范圍之間的間距，從而使得相鄰鉆孔有效影響半徑既不相離，同時，相交區域適宜，避免存在抽采空白期，或有效抽采區域疊加范圍過大導致抽采浪費。因此，群孔抽采時布孔間距是提高瓦斯抽采效果的關鍵，間距過大，煤層內部瓦斯抽采不充分，間距過小，抽采有效區域疊加，打鉆成本上升，過近的鉆孔布設勢必導致應力相互影響，極易造成塌孔、變形情況發生。為此分別選取群孔布設距離為2、3、4 m的抽采鉆孔100 d后瓦斯抽采情況進行對比，提取其瓦斯壓力分布變化規律見圖6。

圖6 不同鉆孔間距瓦斯壓力云圖

由圖6分析可知，群孔抽采過程中，鉆孔有效影響半徑疊加區域抽采效果最好，距鉆孔中心越遠抽采效果越差，選取群孔疊加區域瓦斯壓力最高值與未受影響區域原始壓力值進行對比分析，當瓦斯壓力降低至原始瓦斯壓力49%時，此時鉆孔間距較為合理。當鉆孔間距為3 m時，鉆孔疊加區域壓力值可降低66.7%以上；當鉆孔間距4 m時，鉆孔疊加區域壓力值可降低52.3%以上；當鉆孔間距5 m時，鉆孔疊加區域壓力值可降低36.8%以上。據此分析可知，鉆孔布設間距位于3～4 m時，抽采效果最好，同時從預留一定的安全變量角度考慮，從施工鉆孔變形導致抽采效果受限及抽采鉆孔施工過程中誤差考慮，確定該煤層最佳抽采鉆孔施工間距應小于4 m。

為進一步驗證抽采參數設定的合理性，選取南陽煤業3號煤層3207工作面作為試驗區域，在此區域進行抽采鉆孔試驗，提取抽7、抽8、抽9、抽15等鉆孔累計抽采量進行統計分析并計算，結果如下：抽采工作進行15 d后，抽采半徑1.61 m；抽采工作進行45 d后，抽采半徑2.35 m，抽采工作進行60 d后，抽采半徑3.21 m，在此基礎上作進一步分析，最終確定預抽鉆孔間距為3 m。

3.3 現場工程試驗

綜上所述，可知預抽鉆孔布設間距為3 m，預抽鉆孔抽采時間為100 d，同時結合3203綜放工作面設計參數可知，工作面切眼長度276 m，其中北切眼140 m，南切眼130 m，煤層厚度5.38 m，采用單排鉆孔進行抽采時，存在抽采空白區域，為使抽采效果更佳，決定采用交錯式布孔方案。以南切眼區域為例，于軌道順槽1 857 m處施工第一個鉆孔（軌1號），開孔位置距底板1.4 m，鉆孔深度120 m，鉆孔方位角0°，傾角與煤層走向相同，由里向外每隔3 m施工1個鉆孔依次進行編號；同時于回風順槽施工1 855.5 m處施工第一個鉆孔（回1號），開孔位置距離底板4 m，鉆孔深度120 m，鉆孔方位角180°，傾角與煤層走向相同，由里向外每隔3 m施工1個鉆孔依次進行編號。北切眼區域同理布置，鉆孔深度調整為130 m。瓦斯抽采鉆孔布設方案見圖7。

圖7 鉆孔布設方案示意圖

工作面現場抽采效果表明，上訴交錯式布設方案，對于煤層瓦斯預抽效果良好，數值解算結果與現場較為貼合，工作面試驗鉆孔預抽率均達到了60%以上，實現了煤層瓦斯預抽及治理的目標，為其它礦井類似煤層瓦斯抽采工作提供了一定參考借鑒。

4 結論

針對南陽煤業3號煤層實際開采情況，結合瓦斯流-固耦合滲流方程分析了抽采鉆孔有效半徑影響因素，給出了其優化布孔方案并進行了現場工程試驗，得到了以下結論：

1）借助數值模擬軟件分析了抽采負壓及抽采鉆孔直徑對瓦斯抽采效果的影響，確定了最佳抽采負壓為23 kPa，最大施工鉆孔直徑為113 mm。綜合考量群孔布設中的鉆孔疊加效應影響，確定了鉆孔預抽期100 d，給定了群孔抽采鉆孔間距取值范圍為3～4 m，結合試驗區域抽采情況，確定了最佳群孔間距為3 m。

2）結合南陽煤業3號煤層實際賦存條件，為減小抽采空白區域，提出了交錯式鉆孔布設方案，鉆孔間距3 m，鉆孔排距2.6 m，上下排鉆孔交錯1.5 m布置，現場工程試驗表明，抽采效果良好。