新景礦15123 底抽巷瓦斯抽采效果研究

王軍

（華陽新材料科技集團有限公司 安全監察局，山西 陽泉 045000）

煤與瓦斯突出問題一直以來都是煤礦安全生產過程中面臨的主要問題之一。煤層瓦斯抽采作為有效治理煤層瓦斯問題的方式之一，能夠有效降低煤層瓦斯含量，減少煤層突出危險性，保障工作面生產的安全高效有序進行。然而，在當前煤與瓦斯治理過程中，受工作面所處地質條件、埋深條件、施工工藝、煤巖自身滲透性、瓦斯賦存情況等因素的影響，在煤層瓦斯抽采過程中，不同區域抽采效果存在一定的差異性。因此本文以新景礦15123 底抽巷穿層鉆孔為研究對象，結合數值模擬和現場試驗兩種方式，對穿層鉆孔抽采效果進行考察，分析鉆孔抽采效果，從而提高瓦斯治理效率，保障工作面安全高效生產。

1 工程概況

新景礦15123 工作面屬于15 號煤層，位于新景公司佛洼采區+420 水平南翼中部。15 號煤層上部覆有3、6、8、9、12、13 號等煤層，且均未開采。15123 工作面處15 號煤層，埋深600～800 m，煤層傾角2°～9°，分布相對穩定，煤質程度為中灰、中硫的優質無煙煤，主要以鏡煤和亮煤為主，頂板和底板為灰黑色的泥巖，頂底板透氣性相對較差，有利于瓦斯賦存，因此瓦斯含量相對較高。15123 工作面采掘范圍內瓦斯含量8～15 m3/t，在工作面回采前，需施工抽采鉆孔治理煤層瓦斯，并考察鉆孔抽采效果。

2 瓦斯抽采數學模型的建立

2.1 數值模擬參數選擇

選用comsol 軟件對鉆孔抽采過程中鉆孔周邊瓦斯壓力變化情況進行分析。在運用comsol 建立數值模型過程中，假設煤體為各向同性均質的介質，以煤層鉆孔段為研究對象，考慮影響瓦斯流動的影響因素。由于煤層頂底板為透氣性較差的泥巖，可認為巖層中無游離態的瓦斯存在，同時煤層中的瓦斯氣體，在煤層中均勻分布，在吸附解吸過程中，為理想氣體，符合Langmuir 氣體狀態方程，煤層中瓦斯流動符合達西定律，在瓦斯運移過程中溫度無明顯變化。

通過建立煤巖瓦斯滲流場方程（廣義型偏微分方程（g）） 和煤體骨架變形方程（固體力學線彈性材料方程），研究兩場流固耦合作用下，鉆孔周圍瓦斯壓力分布同時間的變化情況，模型參數見表1。

表1 模型參數設置Table 1 Model parameter settings

2.2 模型參數設置

煤層瓦斯氣體只在煤層中流動，煤層流動邊界條件為：

抽放孔周圍，鉆孔瓦斯壓力符合狄氏邊界條件(DiriChlet)，即：

煤層瓦斯壓力的初始值為：

基于理論推導模型，根據上述基本假設條件以及相關參數，結合新景礦15123 工作面實際情況，采取二維平面模型進行抽采半徑的數值模擬計算。模型高（煤厚） 為4 m，煤層長度設為20 m，底部邊界固定，左右兩側為自由邊界，不加固。頂部應力為8.09 MP，鉆孔半徑為55 mm，抽采負壓為-13 kPa，初始瓦斯壓力大小為1.03 MPa，鉆孔布置在模型中心位置，取h方向為y 軸方向，L方向為x 軸方向。模型網格見下圖1 所示。

圖1 模型網格劃分Fig.1 Model meshing

2.3 數值模擬結果及分析

當鉆孔抽采負壓為-13 kPa，孔徑為110 mm時，抽采時間為0、40、70、150 d 時，煤層瓦斯壓力分布如圖2 所示。

圖2 煤層瓦斯壓力分布云圖Fig.2 Coal seam gas pressure distribution nephogram

選取抽采鉆孔徑向剖面圖作為研究對象，不同時間鉆孔水平方向瓦斯壓力分布曲線如圖3 所示。

圖3 不同時間鉆孔周邊瓦斯壓力分布曲線Fig.3 Distribution curve of gas pressure around borehole at different time

根據《防止煤與瓦斯突出細則》的第五十八條規定，煤層瓦斯壓力≤0.74 MPa 時，可認為達到防突效果指標。因此，此處認定P≤0.7 MPa 時，即可認為煤層瓦斯抽采效果達標鉆孔周圍的有效影響半徑范圍內。從圖3 可知，隨著抽采時間的增加，鉆孔有效抽采半徑逐漸變大，當抽采時間為40 d 時，有效抽采半徑為0.7 m 左右；當抽采時間達到70 d 時，鉆孔有效抽采半徑可達1.2 m 左右；當抽采時長為150 d 時，鉆孔有效抽采半徑可達3.0 m 左右。

3 現場瓦斯抽采效果測試

在數值模擬結果的基礎上，先在15123 底抽巷開展瓦斯抽采效果測試。現場共施工壓力測試鉆孔2 個，抽放孔1 個，鉆孔孔徑均為110 mm，傾角為30°，鉆孔與巷道夾角為90°。施工過程中，先施工壓力測試孔，測試孔距抽采孔間距分別為0.7 m、1.2 m，具體鉆孔布置方式如圖4 所示。

圖4 鉆孔布孔方式Fig.4 Drilling hole arrangement method

鉆孔施工完成后，安裝壓力表，采用“兩堵一注”封孔方式封孔，觀測壓力表讀數變化，待壓力讀數穩定后，施工抽采鉆孔，對抽采鉆孔進行抽放，每天觀測并記錄周圍2 個考察鉆孔的壓力表讀數。現場共觀測壓力表讀數70 d，考察孔壓力隨時間變化結果如圖5 所示。

圖5 觀測孔瓦斯壓力衰減變化Fig.5 Observation hole gas pressure attenuation change

根據鉆孔壓力測試結果可知，隨著抽采時間的增加，鉆孔瓦斯壓力逐漸降低，且在一定時間后，壓力衰減逐漸平緩。鉆孔瓦斯初始壓力分別為1.03 MPa 和1 MPa；抽采40 d 后，1 號考察孔壓力下降至0.7 MPa，2 號考察孔壓力下降至0.86 MPa；抽采70 d 后1 號考察孔壓力下降至0.63 MPa，2 號考察孔壓力下降至0.68 MPa，2 個鉆孔壓力均降至0.7 MPa 以下。即抽采40 d 后，鉆孔有效抽采半徑為1.5 m，抽采70 d 后，鉆孔有效抽采半徑為1.85 m。

4 結 語

本文以新景礦15121 底抽巷穿層鉆孔抽采效果考察為研究對象，結合煤層自身煤巖物理參數，通過建立穿層鉆孔瓦斯抽采模型，利用comsol 軟件模擬底抽巷穿層鉆孔瓦斯效果隨時間的變化情況，結合數值模擬結果，對現場鉆孔布孔間距進行設計，通過現場實測檢驗數值模擬結果的有效性，兩者相互印證。現場實測結果與數值模擬結果基本一致，鉆孔有效抽采半徑考察結果表明，隨著抽采時間的增加，鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸降低。抽采40 d后，新景礦15121 底抽巷穿層鉆孔有效抽采半徑為1.5 m；抽采70 d 后，鉆孔有效抽采半徑可達1.8 m；預計抽采250 d 后，鉆孔有效預計可達2.8 m。在底抽巷進行穿層鉆孔瓦斯抽采時，可根據鉆孔抽采半徑對布孔位置進行優化。