顺层钻孔抽采瓦斯有效半径数值模拟与实测研究

陈学习，张 亮，陈 鹏，张 凯

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

顺层钻孔抽采瓦斯有效半径数值模拟与实测研究

陈学习，张 亮，陈 鹏，张 凯

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

为准确地确定顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径，结合实际阳泉矿区某矿煤层赋存参数条件，运用FLUENT软件对单个钻孔和多个钻孔抽采下的煤层瓦斯渗流场进行了数值模拟分析。结果表明：该工作面抽采时间60 d的单个钻孔理论瓦斯有效抽采半径为1.73 m；多钻孔抽采条件下相邻钻孔的间距对瓦斯渗流场的影响具有一定的规律；数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性。

顺层钻孔；瓦斯抽采；有效抽采半径；数值模拟

0 引言

煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的自然灾害。我国煤层赋存地质条件复杂，煤层透气性差，瓦斯灾害最为严重，煤与瓦斯突出总次数占全世界各国总次数的三分之一以上[1]。目前防治煤与瓦斯突出主要采取区域性治理措施和局部性治理措施两大类。区域性治理措施又包括开采保护层以及预抽煤层瓦斯。近年来大量的应用实践证明，预抽煤层瓦斯是煤与瓦斯突出的最有效的手段[2]。由于煤层中瓦斯的涌出，钻孔周围煤层瓦斯压力和瓦斯含量下降，煤体会发生收缩变形，使煤层中的裂缝张开，增大了钻孔周围煤层的透气性系数，从而达到消除和减弱突出危险性的目的。顺层钻孔在煤层瓦斯抽采中占有很大比例，它的设计和布置直接影响到瓦斯抽采效率与消突效果，而顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径则是进行钻孔设计与布置的重要参数[3-5]。

目前，国内外常采用的钻孔有效抽采半径测定方法有钻孔测试法、计算机模拟法及二者相结合的方法[6-7]。钻孔测试的优点是结果直观可靠，但现场工作量大，数量较少时易产生较大的误差，计算模拟法优点总是比较方便快捷，可以宏观大批量模拟，但需要结合现场实测结果进行验证。钻孔测试法和计算机模拟法相结合，则可以取长补短，越来越得到了广泛的应用。本文以阳泉矿区某矿15108工作面煤层赋存参数为依据，应用这两种方法确定了顺层钻孔抽采瓦斯有效半径，为工作面设计和布置顺层抽采钻孔奠定技术基础。

1 煤层基础参数

阳泉矿区某矿15108工作面煤层倾角3°～5°，工作面设计走向长1835 m，南北倾斜宽216 m。煤层厚度4.35～6.94 m，平均5.6 m，地面标高为1137～1307 m，工作面标高为757～782 m，埋深为471～545 m。该工作面瓦斯压力0.71 MPa，瓦斯含量12.91 m3/t，煤层渗透率1.53×10-18m2，煤的孔隙率为0.0533。煤层赋存主要参数如表1所示。

表1 煤层赋存参数

2 顺层钻孔抽采瓦斯数值模拟

2.1 基本假设

(1) 煤层各向同性且渗透率及孔隙率不变；

(2) 把瓦斯视为理想气体，在煤层中瓦斯流动按等温过程处理；

(3) 煤层内的瓦斯是以吸附和游离两种状态态存在的，吸附瓦斯符合朗缪尔方程且煤层瓦斯解析瞬间完成；

(4) 煤层中瓦斯的流动在压力梯度作用下作层流运动，符合达西定律。

2.2 瓦斯流动方程建立

(1) 质量守恒方程

(1)

式中：M为单位体积含瓦斯煤体中的瓦斯含量，kg/m3；ρ为煤层瓦斯密度，kg/m3；q为瓦斯渗流速度，m/s。

(2) 煤体瓦斯含量方程

M=Mv+Mp

(2)

其中游离瓦斯含量可以表示成[8]

Mv=nρ

(3)

吸附瓦斯含量满足朗缪尔等温吸附方程

(4)

式中：Mv为游离瓦斯含量，Mp为游离瓦斯含量；n为煤体孔隙率；p为煤层瓦斯压力；a和b为朗缪尔吸附常数。

(3) 达西渗透方程

(5)

式中k为煤层渗透率，m2；μ为瓦斯动力粘度系数，pa·s。

(4) 煤层中瓦斯状态方程

(6)

将式(2)～(6)带入式(1)可得瓦斯在煤层中的渗流方程

(7)

2.3 数值模型及几何模型的建立

数值模型选取主要参数见表1。由于顺煤层中瓦斯在钻孔周围的流动属于径向流动，故选取钻孔的径向方向作为研究对象。设计模型区域长×宽=20×5.6 m，钻孔直径120 mm，钻孔之间以一定的间距d分布在模型中心位置，模型采用三角形非结构化网格划分，考虑抽采时钻孔周围压力梯度较大，对钻孔周围网格进行加密处理。假设模型四周为零流量边界，钻孔抽采负压为13 kPa。瓦斯抽采钻孔位置及测线布置如图1所示。

图1 瓦斯抽采钻孔模型及测线布置

2.4 数值模拟结果与分析

2.4.1 单个钻孔理论抽采半径的确定

钻孔抽采负压为13 kPa的情况下，不同抽采时间下的钻孔周边瓦斯压力分布云图及测线上压力分布曲线分别见图2和图3所示。

图2 不同抽采时间下瓦斯压力分布云图

图3 不同抽采时间下测线上瓦斯压力变化曲线图

从图3可以看出，当抽采时间从10 d增加到60 d时，钻孔影响的瓦斯流场范围从2.43增加到6.14 m，钻孔的瓦斯有效抽采半径从0.71增加到了1.73 m。抽采初期时，在钻孔抽采负压的作用下，钻孔周围一定范围内的瓦斯压力衰减迅速，随着抽采时间的延长，钻孔周围的瓦斯压力降区域逐渐增大，该区域内的瓦斯压力逐渐减小，瓦斯压力衰减速度也逐渐减小，这与现场钻孔进行连续抽采时抽采瓦斯量逐渐减小的现象一致。根据钻孔抽采煤层瓦斯有效性界定指标[9-10]，确定抽采影响半径的指标为瓦斯压力下降10%，确定有效抽采半径的指标为瓦斯压力下降51%以上。依据此指标，不同抽采时间下钻孔瓦斯抽采影响半径和有效半径如表2所示。

表2 不同抽采时间下的抽采半径

2.2.2 两钻孔抽采之间的相互影响

影响钻孔抽采煤层瓦斯的的因素主要有两个方面[1]：一方面是煤体本身所具备的条件，主要包括煤层瓦斯压力和煤层渗透率；另一个是取决于钻孔抽采瓦斯的技术条件，主要包括钻孔间距、抽采负压和抽采时间。本文根据抽采时间为50 d时的有效抽采半径，设计钻孔间距分别为1.5 m、3 m和4.5 m。两个钻孔不同孔间距抽采时的瓦斯压力云图如图4所示。

图4 不同钻孔间距抽采下瓦斯压力分布云图

对比图2和图4可以看出，由于两个钻孔抽采的相互叠加影响，形成一个大的瓦斯压降区，在两个钻孔抽采的交叠区域内瓦斯压力下降幅度增大。随着钻孔间距的增大，瓦斯压降范围逐渐增大，但钻孔间的相互影响反而逐渐减小，两钻孔抽采交叠区的瓦斯压降逐渐减弱。

当钻孔间距为3 m、4.5 m和6 m时，两钻孔中心位置处的残余瓦斯压力分别为原始瓦斯压力的15%、38%和57%，与单个钻孔抽采时相应位置处瓦斯压力相比，下降幅度更大。因此，在钻孔抽采煤层瓦斯时，根据有效抽采半径范围将钻孔抽采影响范围划分为强影响区域和弱影响区域[11-12]。当两钻孔间距超过单孔有效抽采半径2倍以上时，在各个钻孔的强影响区域内，该钻孔的抽采对煤层瓦斯压力的降低起主要作用，相邻的钻孔对其影响程度较小。而在钻孔的弱影响区域内时，两钻孔抽采的相互叠加作用占主要地位，此区域内煤层瓦斯压力受两钻孔叠加作用比单孔抽采时降低较快。

3 顺层钻孔抽采瓦斯现场实测

3.1 现场测试钻孔布置

根据该矿工作面现场实际情况，测试地点选择在15108进风顺槽新鲜煤壁处，在瓦斯抽采钻孔周围分布间隔0.5、1、1.5、2 m依次设计施工1～4 号钻孔，测试抽采时煤层瓦斯压力的变化，试验钻孔布置参数如图5所示。

图5 钻孔布置图

3.2 煤层瓦斯压力测定结果

在测试地点经过60 d的现场观测，获得了不同距离测压钻孔在不同时间内的瓦斯压力变化情况如图6所示。

图6 测压孔瓦斯压力变化曲线图

根据图中4个压力测试孔的压力变化趋势曲线进行分析可知：(1)2号孔在抽采孔联网抽采10d后下降趋势最为明显，下降幅度达65.5%，说明此时抽采孔到2号孔范围内的瓦斯已经得到较好的抽采，随后瓦斯压力下降速度变缓，抽采60 d时瓦斯压力降至0.1 MPa。(2)3号孔瓦斯压力变化趋势与2号孔较为相似，在抽采22 d后瓦斯压力下降幅度为50%左右，表明在抽采22 d的情况时，瓦斯有效抽采半径为1 m，抽采60 d时瓦斯压力由0.63 MPa下降至0.22 MPa。(3)1号孔瓦斯压力变化较为明显，在抽采46 d后，瓦斯压力由0.71 MPa下降至0.33 MPa，瓦斯压力下降值接近一半，表明此时瓦斯有效抽采半径为1.5 m左右，抽采60 d时由0.71 MPa降至0.33 MPa。(4)随着抽采时间的增加，4号孔瓦斯压力值虽然在逐渐减小，但变化基本保持在0.53 MPa左右，表明抽采60天后此区域瓦斯在钻孔瓦斯抽采的影响范围以内，但此时的有效抽采半径未超过2 m。

因此，据以上结果分析可得：在设计抽采负压为13 kPa、钻孔直径120 mm的情况下，该矿钻孔瓦斯有效抽采半径为：抽采10 d时小于1 m，抽采22 d时为1 m左右，抽采 46 d时为1.5 m，抽采60 d时大于1.5 m但未超过2 m。

4 结语

(1) 数值模拟结果表明：在15108工作面煤层赋存条件下，抽采时间60 d的顺层钻孔瓦斯有效抽采半径为1.73 m。

(2) 不同钻孔间距条件下，各个钻孔的瓦斯压力降低区域相互叠加，随着钻孔间距的增大，瓦斯压降范围逐渐增大，但钻孔间的相互影响反而逐渐减小，两钻孔抽采交叠区的瓦斯压降逐渐减弱。

(3) 现场实测得出，单个钻孔预抽煤层瓦斯60 d时有效抽采半径大于1.5 m但未超过2 m，这与数值模拟结果基本一致，从而确定该矿15108工作面60天合理的有效半径为1.5 m。

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[2] 林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996.

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Numerical Simulation and Field Research on Effective Radius of Gas Drainage with Drill Hole along Coal Seam

CHEN Xue-xi,ZHANG Liang,CHEN Peng,ZHANG Kai

(SafetyEngineeringCollege,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China)

In order to accurately determine the effective radius of gas drainage with drill hole along coal seam,according to the actual basis parameters of coal seam in Yangquan mining area,the seepage field of coalbed gas with single and multiple drill hole were analyzed on numerical simulation by using the FLUENT software.The result shows that：The theoretical effective gas drainage radius with single borehole of this working face in the extraction time of 60d is 1.73m; There is a regular pattern in mutual influence of neighboring boreholes distance on the seepage field of gas; The numerical simulation results and the measured results were unified well.

drill hole along coal seam; gas drainage; effective drainage radius; numerical simulation

2016-04-28

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015020，3142015001，3142015134)

陈学习(1972-)，男，江苏邳州人，博士，教授，华北科技学院安全工程学院副院长，主要从事煤矿瓦斯治理方向研究。E-mail：xuexichen1210@163.com

TD713

A

1672-7169(2016)04-001-05