司馬煤礦3號煤層瓦斯抽采半徑優化與實踐

牛金明,李金華

(山西潞安集團 司馬煤業公司,山西 長治 047105)

瓦斯抽采技術在我國歷經幾十年發展,煤礦瓦斯災害防治方面具有舉足輕重的作用[1-2]。瓦斯災害嚴重威脅煤礦安全生產,目前多采用瓦斯抽采的方法從根本上對瓦斯災害進行治理[3-4]。其中,鉆孔抽采是最常用的抽采技術措施[5-6],鉆孔間距是影響瓦斯抽采效果的重要參數,合理的鉆孔間距布置既可以避免抽采空白區,又可以有效降低抽采成本[7-8]。基于此,Wu Bing等[9]利用FLAC3D軟件,進行了井下瓦斯抽采模擬,并通過現場試驗進行驗證,發現模擬結果與測試結果基本一致。王兆豐等[10]通過數值模擬的方法計算了瓦斯抽采鉆孔的合理抽采負壓和有效抽采半徑。Liu等[11]分析瓦斯抽采過程中多個鉆孔的疊加效應,發現多個鉆孔同時抽采會影響單個鉆孔的抽采效率和影響范圍。陳月霞等[12]以有效抽采半徑、疊加效應、三維瓦斯壓力等壓面的形狀及有效抽采區域體積大小為指標的鉆孔間距數值計算考察方法,為煤礦井下鉆孔間距優化布置提供參考。綜上所述,瓦斯抽采鉆孔的布置應基于其有效抽采半徑,并兼顧瓦斯抽采效果和工程成本[13]。

司馬煤業由于煤層地質構造復雜、透氣性差,是低瓦斯難抽采煤層的典型代表[14-15]。由于缺乏理論以及實踐支撐,導致礦井的瓦斯抽采效果達不到預期,影響煤礦的安全開采。因此本文依據實測儲層參數,采用了COMSOL Multiphysics數值模擬軟件對司馬煤業3號瓦斯有效抽采半徑進行模擬優化,并通過瓦斯壓力降低法,在1208運巷610～710 m處展開試驗,得到該3號煤層的瓦斯抽采有效半徑,對模擬優化結果進行了驗證,為司馬煤業3號煤層瓦斯抽采方案設計提供借鑒。

1 瓦斯地質特征

1.1 構造特征

司馬煤業位于山西省東南部,沁水煤田的東部,長治以南4 km,井田位于晉(城)～獲(鹿)褶斷帶南段的主要構造形跡長治大斷裂的西側,西接武～陽凹褶帶,構造形跡呈“多”字型排列規律。井田總體呈一走向NNE,傾向NW,傾角4°的單斜構造,并伴有寬緩褶曲和少量斷裂構造,無巖漿巖侵入[16]。

1.2 煤層及瓦斯

3號煤層位于山西組中下部,為當前主采煤層[17],煤層平均埋深440 m,煤層厚5.47～7.80 m,平均6.62 m.3號煤最大鏡質組反射率為1.67%～1.83%,屬貧煤-貧瘦煤;煤體結構以碎裂煤為主,實測煤體堅固性系數為0.60～0.68,瓦斯放散初速度為12.8～16.0;3號煤層瓦斯吸附常數a介于34.15～38.36 m3/t,b介于0.58～0.68 MPa-1.礦井在3號煤層1208運輸巷和1303回風巷實測瓦斯含量4.38～6.02 m3/t,實測瓦斯壓力0.20～0.43 MPa.

2 瓦斯抽采半徑數值模擬優化

2.1 物理模型建立

本文主要利用了COMSOL Multiphysics數值模擬軟件對瓦斯抽采半徑模擬優化,通過建立模型,對實測參數進行數值模擬計算,并根據數值模擬計算的結果進行分析,確定合適的鉆孔間距以及抽采時間。模型模型長×高為20 m×6 m,孔徑深度和直徑分別為120 m和94 mm,煤層埋深440 m,垂直方向承載上覆巖層的重力作用于圖中AB面,為10 MPa,兩側邊界AC面、BD面受側壓力影響,為2.5 MPa,煤層初始瓦斯壓力賦值0.51 MPa,煤層瓦斯含量6.02 m3/t.

圖1 垂直于鉆孔的煤體幾何模型

依據實驗室測試以及現場實測數據確定數值計算的關鍵參數如表1所示。

表1 3號煤層基本參數

2.2 數值模擬結果分析

本次建立孔群抽采的數值模型,分析不同鉆孔間距(4 m、5 m、6 m)條件下的鉆孔周邊煤層瓦斯壓力實時數據。圖2為抽采過程中1 d、15 d、30 d和90 d時,不同間距抽采下垂向煤層瓦斯壓力分布云圖。

圖2 不同孔距垂向鉆孔瓦斯抽采壓力分布

不同孔距抽采瓦斯監測點瓦斯壓力變化曲線如圖3所示。由圖可知:

圖3 不同孔距抽采瓦斯監測點瓦斯壓力變化曲線

1) 測試點的瓦斯壓力隨抽采時間的增大而降低,且瓦斯壓力的降低速率整體上隨時間的增大而減小,即呈現出減速降低的趨勢。

2) 抽采前7 d瓦斯壓力降低的趨勢較為明顯,當超過30 d后,瓦斯壓力降低的速率變化較小,基本呈現出線性減低的趨勢。

3) 不同鉆孔間距情況下,瓦斯壓力降低基本呈現出相同的降低趨勢。鉆孔間距越小,瓦斯壓力越小,即增加抽采孔的密度可有效減低瓦斯壓力。

不同孔距抽采瓦斯壓力隨時間變化曲線如圖4所示,由圖可知:

圖4 不同孔距抽采瓦斯壓力隨時間變化曲線

1) 煤層內的瓦斯殘存壓力隨鉆孔間距的增大而增大,并隨抽采時間的增大而減小;

2) 相比于抽采30～60 d,抽采60～90 d的煤層殘存壓力變化較小,這表明在抽采60 d后煤層殘存壓力趨向于穩定;

3) 《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》要求抽采后的瓦斯壓力應降低至原煤層瓦斯壓力的60%以下,在抽采60 d后,孔距為4 m、5 m和6 m的情況下,瓦斯壓力分別降低至初始值的47%、53%和63%.

3 瓦斯抽采半徑測試

采用有效抽采半徑的方法對司馬煤礦3號煤層二采區1208運巷進行模擬研究。

3.1 測試方法

可以按照不同礦井的實際條件選擇合適的瓦斯抽采半徑測試方法,目前對鉆孔瓦斯抽采有效半徑的測定應用主要為現場測試法,但考慮到司馬煤業的現場實際操作條件復雜,選用鉆孔瓦斯壓力下降法對3號煤層的瓦斯抽采半徑進行考察,選用拋物線方程來近似取代煤層瓦斯含量曲線:

(1)

式中:X為瓦斯含量,kg/m3;a為煤層瓦斯含量系數;P為瓦斯壓力,MPa.

按照《煤礦安全規程》、《煤礦瓦斯抽采基本指標》等要求煤層瓦斯預抽率要大于30%.瓦斯壓力代入瓦斯含量可得,當瓦斯預抽率為30%以上時,抽采后的殘余瓦斯壓力應小于原始瓦斯壓力49%.即瓦斯壓力下降量應大于原始瓦斯壓力的51%,基于瓦斯含量的相對壓力測定有效半徑技術依據該原理來得出。

3.2 施工方案

根據司馬煤業實際生產情況進行抽采鉆孔設計,鉆孔布置如圖5所示。測試地點位于二采區在1208運巷610～710 m處,共布置15個鉆孔,其中抽采孔10個,測壓孔5個(分別為1～5號孔)。各組測壓孔與抽采孔間距依次取1.5 m、2 m、2.5 m、3 m和3.5 m,每組間隔25 m,抽采孔和測壓孔傾角均為5°,方位垂直于煤壁,封孔長度均為50 m,孔深均為65 m,開孔高度1.7 m,鉆孔直徑94 mm.

圖5 鉆孔布置圖

首先施工Φ94 mm的測壓鉆孔,壓力測定采用4分無縫鋼管,封孔深度為45 m,采用1.0 MPa標準壓力表。測試點鉆孔布置如圖5所示,每天測試次數不少于1次,觀測不少于80 d,抽放期間要保證抽放負壓基本維持穩定。

3.3 測試結果

測壓鉆孔采用被動測壓法觀測25 d左右,瓦斯壓力穩定后,施工抽采孔并接入礦井已有的預抽管路進行瓦斯抽采。由于預抽鉆孔的瓦斯抽采半徑會受到很多因素的影響,包括煤層瓦斯壓力、鉆孔直徑、抽采時間、抽采負壓等因素。因此,本次壓力測試過程中的鉆孔直徑為Φ94 mm,測定煤層相對瓦斯壓力介于0.36～0.43 MPa,抽采負壓為23 kPa左右,考察抽采時間最大為80 d.同時對司馬煤業1208運巷5個測壓鉆孔壓力值數據進行統計,分別對測壓鉆孔抽采40 d、60 d、80 d的數據進行分析,統計數據如表2所示。

表2 測壓鉆孔瓦斯壓力統計分析

通過數據分析得出:當抽采天數為60 d時,1號和2號壓力測試鉆孔中瓦斯壓力下降幅度均超過51%,抽采半徑為1.5 m和2 m均滿足瓦斯抽采有效半徑的確定指標,因此確定3#煤層抽采半徑為2 m;當抽采天數為80 d時,1號、2號、3號和4號壓力測試鉆孔中瓦斯壓力下降幅度均超過51%,抽采半徑為1.5 m、2 m、2.5 m和3 m均滿足瓦斯抽采有效半徑的確定指標,因此確定3號煤層抽采半徑為3 m.

綜合以上可知,司馬煤業3號煤層抽采天數為60 d以下,選擇抽采半徑為2 m時較為合適;3號煤層抽采天數為60～80 d,選擇抽采半徑為2～3 m時較為合適;3號煤層抽采天數為80 d以上,選擇抽采半徑為3 m時較為合適。通過以上對3號煤層瓦斯抽采半徑實測數據統計,得到測壓鉆孔瓦斯壓力統計表,見表3.

表3 測壓鉆孔瓦斯壓力統計分析

通過對表3中數據進行線性回歸,得到3號煤層瓦斯抽采有效半徑與抽采天數的對應關系,對應曲線圖如圖6所示。根據司馬煤業3號煤層瓦斯抽采半徑和抽采天數關系圖得出回歸方程:Y=1.518 4ln(x)-3.491 4,相關性為0.972 4.由于本次瓦斯抽半徑現場測定時間為80 d,測定時間較短。礦方在實際生產中,可根據以上公式按照實際抽采天數判定煤層瓦斯抽采半徑數值,但3號煤層最大瓦斯抽采半徑不超過4.72 m.

圖6 3號煤層瓦斯抽采半徑與天數關系圖

通過現場實測3號煤層瓦斯抽采半徑與數值模擬分析結果進行比較,當抽采天數為60 d時,抽采半徑為2.5 m時滿足瓦斯抽采有效半徑的確定指標;當抽采天數達到90 d時,抽采半徑為2.5 m和3 m時均滿足瓦斯抽采有效半徑的確定指標。現場實際測定結果與瓦斯抽采半徑數值模擬結果基本相符。

4 結 語

1) 根據模擬結果,司馬煤業3號煤層在抽采60 d以后,瓦斯壓力的下降幅度趨于緩慢,從經濟角度考慮合理抽采時間為60 d.抽采60 d后,在鉆孔間距為4 m以及5 m的情況下,瓦斯壓力可降至煤層瓦斯原始壓力的60%以下,布置4～5 m孔距符合瓦斯抽采標準。

2) 根據實測數據,當抽采天數為60 d時,抽采半徑為1.5 m和2 m均滿足瓦斯抽采有效半徑的確定指標,確定3號煤層抽采半徑為2 m;當抽采天數為80 d時,抽采半徑3 m可滿足瓦斯抽采有效半徑的確定指標。

3) 模擬結果與實測數據基本吻合,可確定為司馬煤業3號煤層最佳抽采天數為60～80 d,同時選擇抽采半徑為2～3 m時較為合適;可按照實際抽采天數判定煤層瓦斯抽采半徑數值,但3號煤層最大瓦斯抽采半徑不超過4.72 m.