阳泉矿区松软低透煤层底板穿层钻孔抽采时间优化

郭春生 徐超 葛勇

摘 要：确定底板穿层钻孔有效抽采时间对于优化生产接替，提高生产效率有重要意义。在阳泉某矿穿层钻孔施工过程中，由于煤层透气性差、瓦斯含量高、地应力大，原有的抽采设计已不能满足消突与接替需要。在不补打钻孔条件下，延长预抽时间就成为区域瓦斯防突达标的重要途径。文中采用实验室实验、数值模拟与工程验证相结合的研究方法，首先通过实验得到了煤层的瓦斯基础参数，建立了适用于阳泉矿区煤层特点的数值模拟本构模型，并对该煤层底板穿层钻孔不同抽采时间下的抽采效果進行了模拟研究。结果表明：随着抽采时间的延长，穿层钻孔的影响范围在逐渐增大，瓦斯压力在不断降低。抽采时间为300 d时，抽采钻孔中心点残余瓦斯压力可以降至0.74 MPa以下，可以达到防突要求。最后，通过收集工程实践过程中瓦斯抽采数据，计算得出了煤层残余瓦斯含量，获得了实际残余瓦斯含量与抽采天数的关系，验证了数值模拟结果的正确性。

关键词：底板穿层钻孔;抽采时间;COMSOL模拟;松软煤层;固气耦合模型

中图分类号：TD 712           文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2019）05-0875-07

Abstract：Determination of gas drainage time in floor crossing boreholes is vital to the production efficiency in coal mines.In one mine in Yangquan area，during the construction of boreholes，the original drainage design can not meet the current demand of production balance due to the low permeability，high gas content and high ground stress in coal seams.Therefore，to extend the drainage time is an important way to reduce the outburst risk level with no further supplementary boreholes drilled.This study used the methods of experiments，numerical simulation and engineering validation to study the gas drainage performance of flooring crossing boreholes with different drainage time.It firstly obtained the basic parameters of coal by experiments and then established a constitutive model to simulate the drainage process.The results showed that with the increase of drainage time，the drainage area increased and the gas pressure decreased.When the drainage time reached 300 days，the residual gas content at the center decreased below 0.74 MPa，which met the demands of outburst prevention standards.At last，by collecting the gas drainage data and calculating the residual gas content，the relationship between residual gas content and drainage time was also obtained，which provided a solid validation to the simulation results.

Key words：floor crossing boreholes;gas drainage time;COMSOL simulation;soft coal seam;solid-gas coupled model

0 引 言

我国95%以上的高瓦斯矿井和突出矿井拥有高地应力、高瓦斯含量、高瓦斯压力和低透气性的“三高一低”特征，其透气性多处于0.04～0.004 m2/（MPa2·d）的范围[1]，远小于国际煤层气井抽采透气性指标，抽采十分困难。目前，我国常用的区域防突措施有保护层开采和预抽瓦斯2种。底板岩巷穿层钻孔预抽方法属于预抽瓦斯方法的一种，指在煤层底板岩层中布置钻场施工上向钻孔预抽煤层瓦斯的方法，是我国松软低透煤层防突的主要区域防突措施，能很好的适应煤层顶底板起伏较大的地质条件，抽采横向范围和抽采煤层较多，同时由于有坚硬的岩巷作为保障，可有效解决顺层钻孔喷孔塌孔的问题，已在皖北、淮北、淮南、云南等矿区得到推广应用[2-6]。底板穿层钻孔的抽采效果通常与钻孔长度、钻孔直径、抽采时间、抽采负压、封孔长度、巷道竣工时间、煤层原始渗透率及应力条件等因素有关[7-8]。

关于抽采时间的合理设定，国内外学者都将其与抽采半径结合分析，李峰等以马村矿为例研究了水力冲孔后钻孔的合理抽采时间，认为90 d后抽采基本稳定[9]。张超林等认为抽采时间随钻孔数量的增加呈幂函数降低，降低速度逐渐变缓[10]。刘清泉认为由于基质体平衡时间的差异会使得抽采在不同阶段难易不同[11]。程远平等认为瓦斯流动的主控形式会随着抽采时间而改变，因此钻孔抽采负压需要响应改变[12]。Pillalamarry 等认为扩散是控制抽采后期效果的主要因素，也重申了抽采时间对于抽采效果的重要性[13]，此结论得到了Wang 等研究的验证[14]。之后，通过建立引入时间常数或平衡时间常数的扩散方程[15-16]，Liu以及Dong等均明确了抽采时间以及负压在抽采效果中的作用[17-18]。

在阳泉矿区某矿穿层钻孔施工过程中，由于煤层透气性差、瓦斯含量高、地应力大，原有的抽采设计已不能满足消突和工作面接替需要。在不补打钻孔条件下，延长预抽时间就成为区域瓦斯防突达标的重要途径。如何确定钻孔抽采的合理时间，达到预定的防突效果，从而合理制定抽采计划，已成为该矿区域防突工作亟待解决的技术难题。

本项目以阳泉某矿松软低透煤层工作面为试验研究对象，通过工程试验与实测、理论分析与模拟实验，得到了煤层的瓦斯基础参数，并基于钻孔瓦斯抽采的固—气耦合模型，采用COMSOL模拟的方法，得出试验工作面底板岩巷穿层钻孔的合理抽采时间，结合现场钻孔残余瓦斯含量的测定结果对数值模拟结果进行了验证。

1 瓦斯基础参数测定

阳泉矿区主要的含煤地层为石炭系太原组及二叠系山西组，共含煤16层，其中主采3#，12#，15#煤层，煤层倾角一般为5°～10°，煤种为无烟煤。文中所研究工作面处于+420 m水平，开采煤层为15#煤层，平均埋藏深度为497.5 m，采长为194.56 m，走向长度为935 m.工作面煤层平均厚度为625 m，煤层倾角平均为8°.根据钻孔地质资料，开采煤层为复杂结构煤层，一般含矸2～4层，岩性为泥岩，煤岩类型为半亮型-光亮型。

参照《煤的工业分析方法》（GB/T 212—2001）及《煤的甲烷吸附量测定方法（高压容量法）》（MT/T 752—1997）标准，对研究矿井15#煤取得的煤样进行基本参数测定，测定结果见表1.

2 数值模拟方法

2.1 本构方程建立

在建立本构型前要对方程进行预先的假设，简化计算过程如下：①研究煤体为各向同性的均质体;②瓦斯气体的状态变化符合理想气体状态方程;③瓦斯吸附解吸过程为等温过程。模型建立时涉及的主要模型有基于煤体孔隙率的动态渗透率响应模型、煤层瓦斯渗流模型、煤体变形场的控制模型3种，3种方程耦合构成了本次计算模拟的本构模型[19-21]。

2.2 几何模型和边界条件

研究工作面采用底板穿层钻孔进行瓦斯抽采，在进回风巷下方各布置一条底板岩巷，钻孔直径为110 mm，终孔进入15#煤层顶板0.5 m，形成3 m×6 m的矩阵，钻孔整体控制范围为进回风巷两侧15 m（钻孔布置如图2所示）。煤层原始瓦斯最大值为11.29 m3/t，最大瓦斯压力为0.93 MPa.

根据所研究工作面的煤层赋存条件和瓦斯钻孔原有的设计情况，建立模拟所需的几何模型，如图3所示，模型参数取值见表2.为了研究现有穿层钻孔布置参数条件下，不同抽采时间的瓦斯抽采效果，根据研究矿井的地质条件，分别以钻孔时间6，8，10，12个月建立数值计算模型进行模拟，模拟抽采负压根据实际情况取-10 kPa.另外，为了清晰的看出不同抽采时间条件下钻孔周围瓦斯压力分布的情况，选取几何模型内水平中心线和垂直中心线上瓦斯压力作为研究对象，水平测线和垂直测线分别为图中红色的x线和y线（图3）。

3 底板岩巷穿层钻孔抽采时间优化模拟  利用COMSOL软件中的后处理模块，可得到不同抽采时间条件下，研究区域内的瓦斯压力分布云图，如图4所示。从图中可以看出，随着抽采时间的增加，穿层钻孔的抽采范围在逐渐增大，4个抽采钻孔连线的中心点瓦斯压力在不断降低，抽采中心区域也逐渐连接在一起，由横置的“沙漏”状逐步过渡到近“矩形”状。

图5为抽采负压10 KPa，抽采时间分别为180，240，300，360 d时，水平测线x与垂直测线y上的瓦斯压力分布图。从图中可以看出，随着抽采时间增加，抽采后的瓦斯压力在逐渐降低。在抽采时间为t=300 d的情况下，钻孔中心区域的瓦斯压力已经下降至0.74 MPa以下，因此为了保证现有钻孔布置条件下区域防突效果能够达标，穿层钻孔的预抽时间应设置为300 d左右为宜。

4 工程验证

根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》对工作面抽采区域不同钻孔的残余瓦斯含量进行计算。计算时需首先将钻孔按分布区域和抽采时间分为H-1（回风测-1）、H-2（回风测-2）和J-1（进风测-1）组，然后根据原始瓦斯含量和累计抽采量得到见表3和图6的计算结果。从图中可以看出工作面原始瓦斯含量為11 m3/t，在抽采天数约为280天的情况下，残余瓦斯含量下降到了8 m3/t以下，与第4节中模拟得出的300 d相差不大，故而有效验证了模拟结果的正确性。值得指出的是，在实际条件下，抽采有效时间还受到诸如封孔效果、抽采负压、周期来压等因素的影响，因而会产生波动。但总体而言，300 d的抽采时间是有指导意义的。

5 结 论

1）数值模拟结果表明：抽采时间对穿层钻孔的抽采效果影响较大，随着抽采时间的延长，穿层钻孔的影响范围在逐渐增大，模型中心点瓦斯压力在不断降低。在抽采时间为300 d时，钻孔中心区域的瓦斯压力下降至0.74 MPa以下。

2）工程实践表明：经过约280 d的抽采，工作面瓦斯含量从11 m3/t降至了8 m3/t，达到防突规定的要求，同时有效验证了数值模拟的结果。

参考文献（References）：

[1] 周红星，程远平，刘洪永，等.突出煤层穿层钻孔群增透增流作用机制[J].采矿与安全工程学报，2011，28（4）：618-622.

ZHOU Hong-xing，CHENG Yuan-ping，LIU Hong-yong，et al.Permeability and fluidity improvement mechanism of crossing borehole group in outburst coal seam[J].Jourml of Mining & Safety Engineering，2011，28（4）：618-622.

[2]赵 伟.粉化煤体瓦斯快速扩散动力学机制及对突出煤岩的输运作用[D].徐州：中国矿业大学，2018.

ZHAO Wei.Diffusion dynamics of rapid desorption of gas from pulverized coal and its influence on transporting coal and rock in outbursts[D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2018.

[3]程远平.煤矿瓦斯防治理论与工程应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

CHENG Yuan-ping. Coal mine gas control theory and engineering application[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2010.

[4]程远平，付建华，俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2009，26（2）：127-139.

CHENG Yuan-ping，FU Jian-hua，YU Qi-xiang.Development of gas extraction technology in coal mines of China[J].Jourml of Mining & Safety Engineering，2009，26（2）：127-139.

[5]黄 德，刘 剑，李雪冰，等.底抽巷瓦斯抽采钻孔布置数学模型及应用[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2017，36（12）：1233-1239.

HUANG De，LIU Jian，LI Xue-bing，et al.Mathematical model and application of gas drainage drilling in bottom drainage tunnel[J].Journal of Liaoning Technical University（Natural Science），2017，36（12）：1233-1239.

[6]张 亮.顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔参数研究[D].廊坊：华北科技学院，2017.

ZHANG Liang.Study on the reasonable sealing parameters of gas drainage boreholes along coal seam[D].Langfang：North China Institute of Science & Technology，2017.

[7]Karacan C .Evaluation of the relative importance of coalbed reservoir parameters for prediction of methane inflow rates during mining of longwall development entries[J].Computers & Geosciences，2008，34（9）：1093-1114.

[8]李树刚，包若羽，张天军，等.本煤层瓦斯抽采钻孔合理密封深度确定[J].西安科技大学学报，2019，39（2）：183-188.

LI Shu-gang，BAO Ruo-yu，ZHANG Tian-jun，et al. Determining the rational sealing depth for horizontal gas drainage borehole[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2019，39（2）：183-188.

[9]李 锋，马 耕，陶云奇.水力冲孔钻孔合理抽采时间研究[J].中国煤炭，2018，44（3）：136-139.

LI Feng，MA Geng，TAO Yun-qi.Study on reasonable drainage time of hydraulic punching borehole[J].China Coal，2018，44（3）：136-139.

[10]張超林，许 江，彭守建，等.钻孔数量对瓦斯抽采量及抽采时间的影响[J].中国矿业大学学报，2019，48（2）：287-294.

ZHANG Chao-lin，XU Jiang，PENG Shou-jian，et al.Effect of borehole amounts on gas drainage quantity and drainage time[J].Journal of China University of Mining and Technolgy，2019，48（2）：287-294.

[11]刘清泉.多重应力路径下双重孔隙煤体损伤扩容及渗透性演化机制与应用[D].徐州：中国矿业大学，2015.

LIU Qing-quan.Damage and permeability evolution mechanism of dual-porosity coal under multiple stress paths and its application[D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2015.

[12]程远平，董 骏，李 伟，等.负压对瓦斯抽采的作用机制及在瓦斯资源化利用中的应用[J].煤炭学报，2017，42（6）：1466-1474.

CHENG Yuan-ping，DONG Jun，LI Wei，et al.Effect of negative pressure on coalbed methane extraction and application in the utilization of methane resource[J].Journal of China Coal Society，2017，42（6）：1466-1474.

[13]Pillalamarry M，Harpalani S，Liu S.Gas diffusion behavior of coal and its impact on production from coalbed methane reservoirs[J].International Journal of Coal Geology，2011，86（4）：342-348.

[14]Wang Y，Liu S.Estimation of pressure-dependent diffusive permeability of coal using methane diffusion coefficient：laboratory measurements and modeling[J].Energy & Fuels，2016，30（11）：8968-8976.

[15]Shi J，Sevket D，Gas storage and flow in coalbed reservoirs：implementation of a bidisperse pore model for gas diffusion in a coal matrix[J].SPE Reservoir Evaluation & Engineering，2005，8（2）：169-175.

[16]Mora C，Wattenbarger R.Analysis and verification of dual porosity and CBM shape factors[J].Journal of Canadian Petroleum Technology，2009，48：17-21.

[17]Liu Z，Cheng Y，Dong J，et al.Master role conversion between diffusion and seepage on coalbed methane production：Implications for adjusting suction pressure on extraction borehole[J].Fuel，2018，223：373-384.

[18]Dong J，Cheng Y，Jin K，et al.Effects of diffusion and suction negative pressure on coalbed methane extraction and a new measure to increase the methane utilization rate[J].Fuel，2017，197：70-81.

[19]盧守青.基于等效基质尺度的煤体力学失稳及渗透性演化机制与应用[D].徐州：中国矿业大学，2016.

LU Shou-qing.Mechanical failure and permeability evolution mechanism of coal based on equivalent matrix scale and its application[D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2016.

[20]闫志铭.煤渗透率各向异性及其对本煤层瓦斯预抽的影响规律研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2018.

YAN Zhi-ming.Coal permeability anisotropy and its effects on gas pre-drainage of coal seam[D].Beijing：China University of Mining and Technology，Beijing，2018.

[21]陈月霞.瓦斯抽采过程中参数演化及钻孔优化数值模拟研究[D].重庆：重庆大学，2018.

CHEN Yue-xia.Parameters evolution during gas drainage and numerical simulation of boreholes optimization[D].Chongqing：Chongqing University，2018.

[22]Pan Z，Connell L.Modelling permeability for coal reservoirs：a review of analytical models and testing data[J].International Journal of Coal Geology，2012，92：1-44.

[23]Liu Q，Cheng Y，Wang H，et al.Numerical assessment of the effect of equilibration time on coal permeability evolution characteristics[J].Fuel，2015，140：81-89.

[24]An F，Cheng Y，Wang L，et al.A numerical model for outburst including the effect of adsorbed gas on coal deformation and mechanical properties[J].Computers and Geotechnics，2013，54：222-231.