呂 閆 孫 亮

(1.山西華晉焦煤沙曲二礦;2.煤科集團沈陽研究院有限公司)

多手段測定煤層鉆孔抽采有效半徑技術研究

呂 閆1孫 亮2

(1.山西華晉焦煤沙曲二礦;2.煤科集團沈陽研究院有限公司)

為準確測定某礦8208綜采工作面本煤層瓦斯抽采半徑，提出采用基于相對壓力法和數值模擬相結合的多手段綜合測定技術。通過分析抽采半徑測定的原理，運用計算流體力學COMSOL軟件，分析了鉆孔內瓦斯流動方程，進行抽采鉆孔施工及壓力觀測，結果表明：當抽采15 d時，距離抽采孔1 m遠的壓力觀測孔瓦斯壓力下降到51%壓力觀測指標線之下，數值模擬結果與觀測結果基本吻合，結果準確可靠，可以指導現場實踐。

綜采工作面 瓦斯抽采半徑 相對壓力法 數值模擬 COMSOL 壓力觀測指標

順層瓦斯預抽鉆孔是治理采煤工作面本煤層預先抽采瓦斯的重要手段[1-3]，而準確測定本煤層抽采鉆孔的抽采半徑，對于工作面本煤層的瓦斯治理尤為關鍵，尤其在施工本煤層預抽鉆孔的間距上[4]?？茖W合理地尋找最佳抽采半徑和布置鉆孔，才能得到最佳的抽采效率和抽采效果[5]。為此，研究人員提出了多種測定抽采半徑的理論與方法[6-9]，如文獻[6]中提出基于壓降法的不等距布置抽采孔與測壓孔的“一抽一測法”，此方法施工簡單，可以通過較少的測點準確測定抽采半徑。但煤層抽采半徑的測定工作影響因素多，現場施工受到抽采負壓、封孔效果、封孔質量等因素制約，采用單一的觀測壓力的方法，測定效果不是十分理想。因此，結合計算流體力學，應用數值模擬手段，采用COMSOL模擬軟件，與現場觀測相結合，綜合測定鉆孔抽采半徑，并結合某礦8028綜采工作面實踐，得出抽采半徑測定結果，為工作面瓦斯治理提供理論依據。

1 煤層抽采半徑測試理論

1.1 測試原理

采用相對壓力法進行抽采半徑測試，其原理是煤層預抽后，預抽率應大于30%且在沒有考察出煤層始突深度的煤層瓦斯含量或壓力，必須將煤層瓦斯含量降到8 m3/t以下，由煤層瓦斯含量與壓力關系式(1)及其簡化式(2)可知，當煤層預抽率為30%，即殘余瓦斯含量為原始瓦斯70%，則此時殘余瓦斯壓力為原始瓦斯壓力的49%，瓦斯壓力下降量為51%，此即為抽采半徑考察的標準[10]。

(1)

(2)

式中，Wcy為殘余瓦斯含量，m3/t；a,b為吸附常數；Pcy為煤層殘余相對瓦斯壓力，MPa；Pa為標準大氣壓力，0.101 325 MPa；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；π為煤的孔隙率，m3/m3；γ為煤的視密度，t/m3;X為煤層瓦斯含量，m3/t；α為煤層瓦斯含量系數，m3/(tMPa0.5)；P為煤層絕對瓦斯壓力，MPa。

1.2 測試方法

如圖1所示，首先在煤層施工一排測壓孔，每個測壓孔裝上壓力表，記錄每個測壓孔的原始壓力P1，P2，P3，…，Pn,然后進行抽采。觀察各個測壓孔瓦斯變化情況，將瓦斯壓力下降到穩(wěn)定壓力(鉆孔封孔以及壓力表安裝完畢后，初始壓力讀數穩(wěn)定)10%以上的鉆孔視為抽采影響范圍內鉆孔，將抽采鉆孔到距其最遠的一個抽采影響范圍內鉆孔的距離視為影響抽采半徑。

圖1 測試鉆孔布置示意

2 煤層抽采半徑數值模擬

2.1 數學模型

(1)連續(xù)方程。Δt時間瓦斯在煤層中流動符合質量守恒定律[11]，即

(3)

式中,ρ為流體密度，kg/m3；q為比流量矢量，m3/(m2·d)；N為孔隙率，%；Sw為飽和度，%；M為該體積內單位時間由源或匯產生或吸收的質量，kg/(m2·d)；t為時間，s。

(2)達西定律。瓦斯在煤層中的流動符合達西定律[12]，即

(4)

式中,v為瓦斯流動的速度，m/d；k為煤的滲透率，m2；μ為瓦斯的絕對粘度，MPa·d；P為煤層瓦斯壓力，MPa；n為煤層瓦斯的動力粘度，Pa·s。

(3)鉆孔周圍瓦斯流動方程[13]為

(5)

(6)

式中,P為煤層瓦斯壓力,MPa；t為煤層瓦斯流動的

時間，s；r為徑向流場的半徑，m；P0為原始煤層瓦斯壓力，MPa；λ為煤層透氣系數，m2/(Pa2·s)；a、b、c為單位換算系數。

2.2 物理模型

數值模擬采用COMSOL軟件[14]，測試的鉆孔抽采半徑物理模型見圖2，參數見表1。

圖2 抽采半徑測定物理模型

煤層厚度/m鉆孔孔徑/mm鉆孔長度/m封孔長度/m吸附常數a/(m3/t)吸附常數b/MPa-1孔隙率/%透氣性系數/(m2/(MPa2·d))3.4113402030.3401.2104.861.46

2.3 數值模擬結果

限于篇幅，列出抽采孔連抽9～15 d的鉆孔周圍瓦斯壓力結果(圖3)，其中，中間鉆孔表示抽采孔，兩側鉆孔代表測壓孔，2個測壓孔距抽采孔均為1 m，實測鉆孔未預抽瓦斯之前煤體瓦斯壓力為0.48 MPa左右。

圖3 抽采半徑數值模擬結果

由圖3可以看出，距離抽采孔2～5 m的煤體瓦斯壓力為0.48 MPa左右。隨著抽采天數的增加，抽采孔附近的煤體瓦斯壓力在逐漸降低。抽采9 d時，距抽采孔0.5 m的煤體瓦斯壓力為0.25 MPa左右；抽采11 d時，距抽采孔0.7 m的煤體瓦斯壓力為0.25 MPa左右；抽采13 d時，距抽采孔0.9 m的煤體瓦斯壓力為0.25 MPa左右；抽采15 d時，距抽采孔1 m的煤體瓦斯壓力為0.25 MPa左右，此時，影響到1 m處的測壓孔，測壓孔的瓦斯壓力下降到初始穩(wěn)定壓力0.48 MPa的51%，即0.25 MPa左右，說明抽采15 d時，抽采半徑為1 m。

3 煤層抽采半徑現場測定

3.1 測定地點選擇

某礦8208綜采工作面位于井田2#煤層二采區(qū)，井下標高為864～942 m，最大垂深為480 m；回風順槽高，運輸順槽低，平均落差約26 m；走向長680 m，傾向長180～223 m，面積為121 543 m2。工作面東側為8206工作面采空區(qū)，西側為實體煤，南側為實體煤，北側為82采區(qū)3條下山。在8208回風順槽距巷口30 m處布置測點，通過順層鉆孔考察2#煤抽采半徑。

3.2 鉆孔設計與施工

結合現場實際，在8208回風順槽施工一組抽采半徑考察測點，共施工5個φ113 mm順層鉆孔。其中，中間為瓦斯抽采鉆孔兩側為壓力觀測鉆孔。抽采半徑測定鉆孔布置見圖4，鉆孔參數見表2。

圖4 抽采半徑測定鉆孔示意

編號類型與巷道夾角/(°)傾角/(°)孔徑/mm孔長/m封孔長/m與抽采孔距離/m0#抽采孔90-12113401501#測壓孔90-12113401512#測壓孔90-12113401513#測壓孔90-12113401524#測壓孔90-1211340152

3.3 實測結果

測壓鉆孔封孔后，待壓力穩(wěn)定，將抽采鉆孔連入礦井已有抽采系統(tǒng)，根據抽采時間推移,對各壓力孔瓦斯壓力值變化情況進行分析，繪制鉆孔壓力變化曲線，見圖5。

從圖5中可以看出，各鉆孔瓦斯壓力隨時間變化逐漸降低，觀測孔與抽采鉆孔的距離越大，下降至有效抽采線所需抽采時間就越長，當抽采時間為15 d 時，有效抽采半徑為1 m。

圖5 抽采半徑觀測數據結果

4 結 論

基于相對壓力法原理，提出了通過數值模擬和現場實測的多手段綜合測試瓦斯抽采半徑方法，結合某礦8208工作面本煤層抽采半徑測定實踐，得出抽采15d時8208本煤層順層瓦斯抽采鉆孔抽采半徑為1m。實測結果與數值模擬結果吻合。相比傳統(tǒng)單一手段測試抽采半徑，現場實測和數值模擬手段相結合的方法可以更加科學可靠地測定出抽采半徑，此方法可以更好地指導礦井瓦斯抽采工作。

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2016-08-22)

呂 閆(1983—)，男，副科長，助理工程師，033399 山西省呂梁市柳林縣穆村鎮(zhèn)沙曲村。