仇模偉 李希建 于寶寬 王 冠 劉 釗

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州省貴陽市，550025；2.貴州大學(xué)瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開發(fā)研究所，貴州省貴陽市，550025)

在抽放參數(shù)設(shè)定上，現(xiàn)行抽放效果的影響因素側(cè)重于考慮抽放鉆孔間距、鉆孔排列方式、鉆孔孔徑大小、封孔技術(shù)、抽放負(fù)壓、煤層透氣性等方面。事實上鄰近層瓦斯預(yù)抽是安全生產(chǎn)工作的一部分，其抽放效果的好壞直接關(guān)系日后采煤工作的進(jìn)度及其瓦斯治理成效。

本文選取貴州發(fā)耳煤礦作為研究對象，通過數(shù)值模擬與實踐觀測相結(jié)合，研究影響抽采鄰近層的穿層鉆孔抽放效果的主要因素，從而確定最優(yōu)的抽采參數(shù)，提高瓦斯抽采效率，減少了不必要的資金浪費。

1 煤礦概況

貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司發(fā)耳煤礦位于貴州省六盤水市水城縣，目前1＃煤層為首采層，對鄰近煤層實現(xiàn)卸壓消突。首采煤層賦存條件較好，煤層最大埋深為292m，最小埋深為208m，平均為250m。在未卸壓之前，通過已有的巖巷或者煤巷的底板向鄰近層的準(zhǔn)備巷道 (運輸巷道或者回風(fēng)巷道)打穿層抽采孔進(jìn)行預(yù)抽瓦斯；再在新開采的巷道中采取邊掘邊抽，最后通過在新巷道中打順層抽采孔，對采煤工作面進(jìn)行全面抽采。

2 穿層鉆孔周圍煤體瓦斯流動數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)值模擬模型

2.1.1 模型選取

穿層鉆孔瓦斯流動屬于二維平面流動有限流場。根據(jù)瓦斯徑向流動理論，順層鉆孔與穿層鉆孔的瓦斯流動模型基本都屬于徑向流動。

模型選為等壓力邊界模型，抽采效果反應(yīng)在抽采半徑的大小上，假設(shè)模型邊界為無新瓦斯來源的補(bǔ)給，即初始條件為:時間t＝0，空間上任意一點 (x，y)，瓦斯壓力平方U＝U0＝P02。其邊界條件為:

式中:r0——鉆孔半徑，m；

U0——煤層中原始瓦斯壓力的平方，MPa2；

U1——鉆孔瓦斯壓力的平方，MPa2；

P0——煤層中原始瓦斯壓力，MPa；

P1——鉆孔中的瓦斯壓力，MPa；

m——煤層厚度之半，m；

R——鉆孔有效抽采半徑，m。

2.1.2 模型評價指標(biāo)

根據(jù) 《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》規(guī)定:對抽采孔進(jìn)行抽采瓦斯，觀察各個觀察孔瓦斯壓力變化情況，在觀測鉆孔瓦斯壓力穩(wěn)定之后，若瓦斯絕對壓力降到0.74MPa以下時，鉆孔抽采的最早時間和最遠(yuǎn)距離分別為抽采所需最短時間和抽采最短時間的抽采半徑。模擬的瓦斯壓力變化區(qū)域直接對應(yīng)瓦斯的抽采半徑。

2.1.3 瓦斯模擬模型的參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在模擬過程中，瓦斯在煤層中流動用多孔介質(zhì)模型，流動的計算模型選用k-ε模型，并設(shè)定其滲流邊界條件。煤層滲透率參考相鄰礦井的數(shù)值，確定不同參數(shù)的模擬方案分別進(jìn)行模擬。

(1)不同抽采負(fù)壓情況。抽出口壓力分別取-15kPa、-25kPa、-30kPa、-35kPa；

(2)不同鉆孔直徑。鉆孔直徑分別為65mm、75mm、108mm；

(3)不同抽采時間。抽采時間定為2d、7d、12d、17d、20d。

2.2 模型的建立

模型在滿足計算模型準(zhǔn)確性的前提下，考慮計算的簡便性，對煤層的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整理，其組成及參數(shù)為煤層厚度2.2m，瓦斯密度0.6679kg／m3，煤層透氣性系數(shù)0.0998，瓦斯流動速度1.087×10-5kg／m·s，瓦斯壓力 (表壓)0.95MPa，瓦斯含量13.5m3／t，瓦斯壓力 (全壓)1.05MPa，滲透率1.075×10-15。

為研究煤層瓦斯抽采效果影響因素，現(xiàn)以預(yù)抽瓦斯鉆孔為原型，鉆孔位于模型中心處，采用三角形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為37538個節(jié)點，74518個三角形單元。

3 模擬實例與模擬結(jié)果討論

3.1 抽采負(fù)壓的影響

在一定的鉆孔直徑65mm和瓦斯壓力0.95 MPa情況下，選取抽采負(fù)壓在-15kPa、-25kPa、-30kPa、-35kPa下，對穿層鉆孔抽放效果的影響。其煤層壓力分布及抽采量變化如圖1所示。

圖1 不同抽采負(fù)壓下煤層壓力分布及抽采量變化圖

從圖1可以看出，抽采負(fù)壓對抽采范圍影響不大，但對瓦斯抽出量有較大影響，所以盡可能提高抽采負(fù)壓來增加瓦斯抽采量。然而隨著負(fù)壓的不斷提高，抽采泵核定能力有限，且抽采孔容易漏氣，故負(fù)壓不是無限提高就越好，而是需選擇合理的抽采負(fù)壓。不同負(fù)壓下的鉆孔抽采量見圖2。從圖2可以看出，在7d時間內(nèi)統(tǒng)計的總抽采量只有負(fù)壓在-30kPa條件下最多，因此，鉆孔的抽采負(fù)壓應(yīng)保持在-30kPa最合適。

圖2 不同負(fù)壓下的鉆孔抽采量

3.2 鉆孔孔徑的影響

在一定的抽采負(fù)壓-30kPa、瓦斯壓力0.95 MPa、抽采時間為7d的情況下，選取直徑65 mm、75mm、108mm 3種抽采鉆孔，比較不同鉆孔孔徑對穿層鉆孔抽放效果的影響。瓦斯壓力分布及抽采量變化如圖3所示。

圖3 不同抽采鉆孔直徑下瓦斯壓力分布及抽采量變化圖

從圖3可以看出，鉆孔直徑對抽采半徑影響較大，隨著直徑的增大，抽采半徑及抽采率越大，抽采半徑從1.1m增大到1.8m；當(dāng)孔徑再增大時，鉆孔施工的難度增加，鉆孔的工期變長，且容易塌孔，結(jié)合現(xiàn)場實際，發(fā)耳礦井鉆孔直徑取75mm較合適。

圖4 不同抽采時間下瓦斯壓力分布圖

3.3 抽采時間的影響

鉆孔直徑75mm、瓦斯壓力0.95MPa、抽采負(fù)壓-30kPa情況下，選取抽采時間在2d、7d、12d、17d、20d下，對穿層鉆孔抽放效果的影響。不同抽采時間下瓦斯壓力分布如圖4所示。

由圖4可以看出，抽采半徑隨著抽采時間增加而增大，抽采影響區(qū)域逐漸增大，抽采時間由2d增加到10d時，瓦斯抽采半徑由最初的1m增大到1.6m，接抽到第17d的時候瓦斯抽采半徑約1.8 m；但是隨著抽采天數(shù)的繼續(xù)增加，抽采影響半徑增大逐漸減小。故模擬值取17d左右及以上較合適，根據(jù)施工進(jìn)度的安排，合理布置抽采時間。

4 穿層鉆孔抽采效果影響因素分析

4.1 抽采負(fù)壓

在瓦斯抽采鉆孔中，煤層的透氣性系數(shù)和煤層原始壓力是影響周圍煤層瓦斯流動速度的兩大因素，原始壓力越大形成的壓力梯度就越大，透氣性系數(shù)越小形成的壓力梯度就越大。鉆孔瓦斯流量則隨著時間的推移，瓦斯流量越來越小。原始瓦斯壓力、煤層的透氣性系數(shù)對抽采效果的影響較大，而抽采負(fù)壓對煤層尤其是低透氣性煤層的影響較小。

鉆孔抽采瓦斯的孔口抽采負(fù)壓升高，抽采流量增大，瓦斯抽采濃度降低，但抽采的純瓦斯量開始基本保持恒定，后面緩慢降低，這也與實際情況相符。高負(fù)壓能提高抽采量，但卻使抽采效率降低，故鉆孔抽采流量適中時抽采的瓦斯?jié)舛扔?，效果最佳，純量基本保持一定。結(jié)合發(fā)耳礦的實測統(tǒng)計值和模擬值，負(fù)壓在-30kPa下，才能使得抽采濃度最大。

4.2 抽采時間

隨著瓦斯預(yù)抽時間的延長，使鉆孔周圍煤層瓦斯壓力逐漸降低，低壓力區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大。距抽采孔2m的壓力測試孔的壓力下降趨勢最明顯，在連續(xù)抽采2d之內(nèi)下降最快，直至抽采到16d的時候，降到0.74MPa以下，壓力基本不再下降，下降比例達(dá)到27%，持續(xù)約半個月壓力一直比較穩(wěn)定?？傮w上，經(jīng)過16d的鉆孔預(yù)抽，煤層已經(jīng)達(dá)到消除突出危險性的要求，為了加強(qiáng)抽采的效果，選定抽采時間為17d。

4.3 抽采孔徑

對比模擬結(jié)果，孔徑為?108mm、?75mm和?65mm鉆孔在相同抽采負(fù)壓下，孔徑大的鉆孔附近的瓦斯壓力比孔徑小的鉆孔小，而且孔徑大的鉆孔影響范圍更大，但考慮到鉆進(jìn)速度的影響以及容易塌孔，造成封孔困難的原因，并不是孔徑越大越理想。因此選擇孔徑為?75mm的較為合適。

抽采瓦斯?jié)舛茸兓c抽采孔負(fù)壓有直接的關(guān)系。一般孔口負(fù)壓大，濃度會降低，負(fù)壓小，濃度會增大。濃度變化也取決于在鉆孔抽采范圍內(nèi)游離瓦斯量的多少，而抽采時間、采動影響、瓦斯地質(zhì)構(gòu)造、煤層透氣性系數(shù)都對游離的瓦斯量起決定作用。因此，在對抽采系統(tǒng)管理過程中，可以觀察瓦斯?jié)舛茸兓€來控制瓦斯抽采的各種參數(shù)。

5 結(jié)論

通過發(fā)耳礦井實測出來的鉆孔抽采流量、抽采負(fù)壓、抽采濃度及有效抽采時間統(tǒng)計分析，考慮到發(fā)耳煤礦預(yù)抽時間的實際情況，發(fā)耳煤礦一井區(qū)在采用孔徑75mm的抽采鉆孔對鄰近層進(jìn)行瓦斯抽采時，抽采時間選為17d，抽采半徑為2m。

由于水城礦區(qū)瓦斯的透氣性都比較差，基本上都屬于較難抽采煤層，考慮到發(fā)耳礦的實際，現(xiàn)場通過調(diào)整合理的抽采參數(shù)可以抽出大部分瓦斯，暫時不需要改變煤層透氣性來對鉆孔抽采半徑及瓦斯抽采量進(jìn)行影響。

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