大直径双钻孔强化抽采瓦斯效应及效果分析

张春华，张子健，年 军，焦登铭

大直径双钻孔强化抽采瓦斯效应及效果分析

张春华1，张子健1，年 军2，焦登铭1

(1. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030000)

为探讨大直径双钻孔强化抽采瓦斯效应，以山西石泉煤矿30110回采工作面为对象，利用RFPA2D-Gas建立不同直径单孔和双ø350 mm钻孔的数值模型，分析了钻孔周围煤体的应力分布、损伤破裂、透气性演化及瓦斯运移规律，并对双ø350 mm钻孔抽采效果进行了考察验证。模拟结果表明：ø100、ø250、ø350和双ø350 mm钻孔卸压半径分别为0.25、0.9、1.2、2.2 m；ø250、ø350和双ø350 mm钻孔周边煤体损伤破坏以蝴蝶展翅形态向钻孔上方两侧延展；双ø350 mm钻孔上方1.5 m处煤体透气性系数可由0.25 m2/(MPa2·d)增至240 m2/(MPa2·d)；瓦斯运移速率随钻孔直径增加而增大，在抽采过程中逐渐降低，当煤体破裂时会有一定幅度增加。现场考察结果显示双ø350 mm钻孔可利用钻孔塌裂强化抽采效果，抽采半径为2 m，流量可达ø100 mm钻孔的21倍，抽采总量为ø100 mm钻孔的10倍以上，甚至可达到40倍。

大直径双钻孔；双ø350 mm钻孔；强化抽采；抽采半径；瓦斯防治；山西石泉煤矿

我国煤矿地质和开采条件十分复杂，煤层瓦斯含量高、透气性差，抽采难度大，给采掘工作面安全带来极大威胁[1-4]。瓦斯抽采是预防瓦斯灾害和保证安全生产的有效措施[5]。近年来，我国煤矿瓦斯抽采技术及装备得到大幅度优化与创新，其中大直径长钻孔抽采技术也得到应用推广[6-7]。

煤层中瓦斯的运移流动是在应力场、渗流场等多物理场耦合作用下进行的[8-10]。刘佳佳等[11]在考虑Klinkenberg效应、有效应力和解吸收缩影响的作用下，研究了不同直径钻孔周围煤体渗透率的变化。规律。宋浩然等[12]考虑煤体的各向异性和非均质性以及煤体应力变形场和瓦斯渗流场的交叉耦合作用，研究了煤层抽采钻孔周围瓦斯压力以及渗透率变化的规律。丁厚成等[13]分析了应力场和渗流场对瓦斯运移的影响，建立了钻孔抽采瓦斯的数学模型。梁冰等[14]在考虑煤体骨架的基础上，依据煤层瓦斯渗流特性建立了耦合渗流模型，并应用于瓦斯抽采分析。贾秉义等[15]针对碎软煤层钻孔施工困难，抽采效果差，无法实现大面积区域预抽的问题，提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术并进行现场试验，试验表明该技术的瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍，是本煤层顺层钻孔的4.0倍。郭海军等[16]建立含瓦斯煤双孔结构数值模型，研究了两个顺层钻孔抽采过程中煤体瓦斯压力和渗透率的变化规律，确定了抽采钻孔的合理布置间距。王鲜等[17]研究大直径钻孔成孔工艺和配套装备，并完成了孔深75 m、ø650 mm的煤层钻孔，推动了煤矿井下大直径钻孔技术装备的发展应用。陈久福等[18]在石壕煤矿南四区回风巷试验研究了ø115 mm大直径钻孔联合孔内套管护孔的增透抽采技术。李飞等[19]在王坡煤矿3310工作面区段煤柱施工了ø550 mm大直径钻孔，钻孔抽采浓度提高了1.2倍，有效解决了上隅角瓦斯超限问题。姚向荣等[20]针对煤岩长钻孔过复杂结构难以成孔问题，以FLAC3D模拟钻孔的围岩破裂过程，解算出钻孔的应力场、位移场和塑性破坏区的规律，得到的钻孔围岩二次应力弹、塑性分布特征，并在丁集煤矿1412(1)工作面抽采钻孔围岩弱结构进行注浆固化试验。马赞等[21]针对负角度长钻孔积水问题，提出负角度定向长钻孔筛管护孔工艺技术，并以贵州龙凤煤矿9号中硬煤层下向长钻孔为对象进行研究，结果表明：护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采量衰减系数是未护孔的61.54%；采取筛管护孔工艺钻场抽采达标时间比未护孔钻场缩短了157 d。

抽采煤层瓦斯关键要保证瓦斯快速持续地解吸释放，保证瓦斯有效抽采[22]。目前煤层瓦斯高效抽采仍然面临一些难题，如煤层大直径钻孔易失稳堵塞，长孔钻进受复杂地质影响偏离轨迹。基于此笔者开展大直径双钻孔抽采瓦斯研究，大直径双钻孔抽采瓦斯技术可保证大直径钻孔稳定钻进，利用双孔保持钻孔按照预定轨迹钻进，消除钻孔塌孔的影响，并可利用塌孔增大煤体透气性强化抽采。笔者以高瓦斯矿井山西石泉煤矿30110回采工作面为例，通过数值模拟和现场考察，对大直径双钻孔强化抽采瓦斯效应和效果进行研究。

1 大直径双钻孔强化抽采模拟分析

1.1 本构方程

RFPA2D-GAS软件固–气耦合本构方程主要包括：瓦斯渗流场方程、煤岩体固体变形场方程和因煤岩体损伤引起透气系数变化的透气性系数–应力耦合方程三部分[23-25]。

根据质量守恒定律，煤岩体中瓦斯渗流场方程为：

当考虑孔隙瓦斯压力时，以位移表示的煤岩体变形场方程为：

在剪切模量和拉梅常数中涉及的材料力学参数(如强度、弹性模量等)服从Weibull统计分布。

考虑到煤岩体变形和瓦斯渗流的相互作用和影响可引起透气性系数的变化，引入透气性系数-应力耦合关系方程来反映煤岩体变形过程中透气性系数的演化情况。

式中：0为初始透气性系数；为孔隙压力，MPa；为透气性增大倍率；耦合系数(应力对孔隙压力的影响系数)。

1.2 数值模型

以山西石泉煤矿30110回采工作面地质开采条件建立各钻孔抽采数值模型，如图1所示。模型尺寸8 m×6 m，共划分320×240个网格。各钻孔距煤层底板1.2 m处，直径分别为100 、250 、350 mm和双ø350 mm(间距50 mm)。载荷边界：考虑煤层埋深462.50 m，模型顶部施加4 MPa的均布载荷，两端水平约束，底端固定约束。渗透边界：模型四周设置不透气，即流量为零。模型媒体力学和渗流参数见表1。

图1 钻孔布置方案

表1 模型煤体力学和渗流参数

2 不同方案钻孔抽采效应分析

利用RFPA2D-Gas软件对上述不同钻孔布置方案进行模拟计算，计算结束步数分别为：第89大步第1小步(ø100 mm钻孔)，第80大步第59小步(ø250 mm钻孔)，第75大步第17小步(ø350 mm钻孔)，第53大步第36小步(双ø350 mm钻孔)，依据各方案最终计算步结果进行分析。

2.1 煤体应力分布特性

钻孔后周围煤体原有的应力平衡打破和重新分布，各直径单钻孔及双ø350 mm钻孔煤体应力分布如图2、图3所示。

注：应力单位：MPa

图3 不同钻孔煤体主应力分布曲线

比较各钻孔煤应力分布图可以看出，由于ø100 mm钻孔扰动范围较小，应力集中于钻孔周边，煤体的卸压效果不明显，卸压半径仅为0.25 m。ø250、ø350钻孔和双ø350 mm钻孔周边煤体卸压区域主要分布在钻孔的上方两侧，与钻孔呈V形张开，各钻孔的卸压半径分别为0.9、1.2和2.2 m。

2.2 煤体损伤特性

钻孔后，在应力作用下周围煤体出现不同程度和范围的损伤破坏，图4显示了用声发射表示的不同直径钻孔及双钻孔损伤破坏情况。可以看出，钻孔直径越大煤体损伤破坏范围越大，ø100 mm钻孔损伤破坏主要集中在钻孔周边，范围较小，损伤半径仅为0.25 m。ø250、ø350钻孔和双ø350 mm钻孔周边煤体损伤破坏范围分别为0.9、1.2和2.2 m。同时可以看出，ø250、ø350钻孔和双ø350 mm钻孔煤体损伤破坏逐渐向上方两侧发展，演化行迹如同蝴蝶展翅。

图4 不同钻孔煤体损伤情况

2.3 煤体透气性变化特性

提取ø250 mm、ø350 mm钻孔和双ø350 mm钻孔上方1.5 m处的透气性数据建立瀑布图，如图5所示。可以看出，ø100 mm钻孔的透气性并未发生明显变化，其余钻孔透气性均有不同幅度和范围的增加。其中双ø350 mm钻孔煤体透气性增加最为明显，距模型左端边界2～2.75 m和5～6.37 m范围内，其透气性系数由初始数值0.25 m2/(MPa2·d)增加为240 m2/(MPa2·d)。

2.4 煤体瓦斯运移特性

为对比分析各钻孔煤体瓦斯运移情况，取模型水平方向3.75 m，距底板距离2.7 m处进行分析。各钻孔抽采条件下，该位置的瓦斯运移速率变化如图6所示。可以看出，ø100 mm钻孔瓦斯初始运移速率最小，仅为0.15 m/s，并呈逐渐减小趋势，平均速率为0.04 m/s。ø250、ø350和双ø350 mm钻孔初始瓦斯运移速率较大，分别为0.5、0.75、0.9 m/s，当煤体损伤破裂时会有一定幅度的增加，整体呈波动减小趋势，平均速率分别为0.130、0.238、0.427 m/s。

图5 不同钻孔煤体透气性系数变化

图6 不同钻孔煤体瓦斯运移速率变化曲线

3 双ø350mm钻孔强化抽采效果分析

3.1 工作面概况

山西石泉煤矿为高瓦斯矿井，30110工作面位于301盘区西北部，东侧为30108采空区，西侧为实体煤，南侧为301盘区大巷，北侧为303盘区。工作面高程+400～+320 m，地面标高+892～+990 m。所开采的3号煤层赋存稳定，厚度5.8～6.8 m，平均为6.1 m，密度1.42 t/m3，煤层倾角2°～7°，工作面煤层瓦斯基础参数见表2。强化钻孔抽采试验选择在工作面的运输巷道进行。

表2 30110工作面瓦斯基础参数

3.2 强化抽采效果考察

3.2.1 双ø350 mm钻孔设备

图7为双ø350 mm螺旋钻机和钻具设计示意图，钻头的间距为50 mm，双钻头同时钻进割煤，螺旋钻杆运煤，利用钻杆间犁板顶推两钻孔间隙煤体，落煤通过巷道皮带运出，最终形成长750 mm、高350 mm近似矩形的“∞”形孔洞。

1—犁板；2—定位器；3—螺旋钻杆；4—犁板顶头

在双螺旋中间随钻铺设护孔筛管，钻进到预定深度后退钻，然后打开犁板端头反向顶推头，退出钻杆和犁板，随后封孔，接入抽采系统管路抽采。护孔筛管与钻孔孔壁之间存在较大的间距，钻孔塌孔时煤体会产生大量裂隙，可以提高抽采效果。

3.2.2 强化钻孔抽采半径分析

为了确定双ø350 mm钻孔的抽采半径，在工作面胶带巷中布置2组强化抽采考察钻孔，间隔20 m，利用压降法进行考察，钻孔布置如图8所示。

现场测试表明，强化钻孔抽采负压为21 kPa，第15天时抽采半径达到1.2 m，第25天时抽采半径达到1.4 m，第40天时抽采半径达到1.6 m，第90天时抽采影响到2 m钻孔。待抽采120 d时，2 m之外钻孔的压力表值基本未受影响，由此确定强化抽采钻孔抽采半径为2 m。与模拟的结果保持一致

3.2.3 强化钻孔抽采效果分析

为了考察双ø350 mm钻孔强化抽采效果，在30110工作面胶带巷中布置双ø350 mm钻孔和ø100 mm钻孔，均铺设ø75 mm护孔筛管，图9为抽采纯量对比图。可以看出，ø100 mm钻孔瓦斯抽采纯量初值约为0.05 m3/min，平均抽采纯量为0.030 1 m3/min，在第50天时瓦斯抽采纯量数值接近0；而双ø350 mm钻孔抽采纯量初值为1.1 m3/min，平均抽采纯量为0.746 8 m3/min，在第60天瓦斯抽采纯量数值仍然保持在0.38 m3/min，双ø350 mm钻孔的平均瓦斯抽采纯量是ø100 mm钻孔的21倍。

图8 强化钻孔抽采半径分析方案

图9 ø100 mm和双ø350 mm钻孔抽采纯量对比

表3为ø100 mm和双ø350 mm钻孔抽采统计表，可以看出ø100 mm钻孔第1天的抽采总量为78 m3/d，60 d后抽采量减少了91%，变为7 m3/d；而双ø350 mm钻孔第1天的抽采总量为802 m3/d，60 d后抽采总量减少了66.46%，但仍然可以保持269 m3/d的日抽采总量，保证高效抽采。双ø350 mm钻孔的抽采总量为ø100 mm钻孔的10倍以上，甚至可达40倍。

表3 ø100 mm和双ø350 mm钻孔抽采统计

4 结论

a.钻孔直径越大周围煤体损伤破坏越明显，ø100 mm、ø250 mm、ø350 mm和双ø350 mm钻孔的损伤半径分别为0.25、0.9、1.2和2.2 m。ø250 mm、ø350 mm和双ø350 mm钻孔呈现沿钻孔上部两侧损伤破坏趋势，形态如同蝴蝶展翅。

b.随钻孔直径增加周边煤体透气性增加越明显，在各模型钻孔上方1.5 m煤体处，双ø350 mm钻孔透气性增加最为明显，在距模型左边界的2～2.75 m和5～6.37 m范围内煤体透气性系数由初始数值0.25 m2/(MPa2·d)增加为240 m2/(MPa2·d)。

c.煤体瓦斯运移速率随孔直径增加而增大，各钻孔模型的平均瓦斯运移速率分别为0.040、0.130、0.238和0.427 m/s。在抽采过程中ø100 mm钻孔瓦斯运移速率呈逐渐降低趋势，而ø250 mm、ø350 mm和双ø350 mm钻孔瓦斯运移速率在煤体破裂时会有一定幅度的增加。

d.山西石泉煤矿30110工作面强化抽采试验表明，以压降法测得的双ø350 mm钻孔的抽采半径达到2 m；采用ø100 mm钻孔抽采瓦斯时纯流量较小且衰减快，而双ø350 mm钻孔抽采纯量大且持续时间长，可达ø100 mm钻孔的21倍；双ø350 mm钻孔的抽采总量为ø100 mm钻孔的10倍以上，甚至可达40倍。

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Mechanism and effect analysis of enhanced gas drainage with large diameter double boreholes

ZHANG Chunhua1, ZHANG Zijian1, NIAN Jun2, JIAO Dengming1

(1. College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. College of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030000, China)

To study the mechanism of enhanced gas drainage with large diameter double boreholes, numerical models of single holes with different diameters and double ø350 mm holes were established by using the RFPA2D-Gas software in working face 30110 of Shiquan Coal Mine, Shanxi Province. Stress distribution, damage and fracture, gas permeability evolution and gas migration law of the coal around the hole were analyzed, and then the extraction effect of double ø350 mm holes was investigated. Simulation results show that the pressure relief radii of the ø100 mm, ø250 mm, ø350 mm and double ø350 mm holes are 0.25 m, 0.9 m, 1.2 m and 2.2 m, respectively. The coal damage extends to the upper left and upper right around the holes of ø250 mm, ø350 mm and double ø350 mm, and the final fracture shape is like spreading wings of a butterfly. The permeability coefficient of the coal at 1.5 m above the double ø350 mm holes can increase from 0.25 m2/(MPa2·d) to 240 m2/(MPa2·d). The gas migration rate increases with the increase of hole diameter, and gradually decreases in the drainage. However, when the coal around the hole is damaged, it will increase to a certain extent. The field investigation results show that the gas extraction effect is enhanced by the collapse of double ø350 mm holes. For the double ø350 mm hole, the drainage radius is 2 m , the gas flow can be 21 times that of the ø100 mm hole, andthe total volume of extraction is more than 10 times and even 40 times of the ø100 mm hole.

large diameter double boreholes; double ø350 mm hole;enhanced gas drainage; drainage radius; gas control; Shiquan Coal Mine

语音讲解

TD712.6

A

1001-1986(2021)06-0273-08

2021-09-28；

2021-11-04

国家自然科学基金项目(51974149)

张春华，1980生，男，山东单县人，博士，教授，博士生导师，从事矿井瓦斯、矿井火灾方面的研究. E-mail：zch9820@163.com

张子健，1995生，男，山西朔州人，硕士研究生，从事矿井瓦斯方面的研究. E-mail：854746845@qq.com

张春华，张子健，年军，等. 大直径双钻孔强化抽采瓦斯效应及效果分析[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(6)：273–280. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.033

ZHANG Chunhua，ZHANG Zijian，NIAN Jun，et al.Mechanism and effect analysis of enhanced gas drainage with large diameter double boreholes[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：273–280. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.06.033

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(责任编辑 郭东琼)