劉利平 王海東

(1.陽(yáng)煤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 045000； 2.華北科技學(xué)院，河北 065201)

在我國(guó)煤礦開(kāi)采過(guò)程中，井工礦一直是主要的開(kāi)采形式，近年來(lái)，開(kāi)采深度逐漸加大，開(kāi)采深度大于600m的礦井產(chǎn)量占28.5%，最深的井工礦開(kāi)采深度的已達(dá)1365m；預(yù)計(jì)開(kāi)采深度平均每年將增加10～20m。按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，突出礦井瓦斯防治應(yīng)以“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充”為原則，特別是在煤層構(gòu)造區(qū)域，區(qū)域措施不達(dá)標(biāo)時(shí)，局部措施將是保障礦井安全生產(chǎn)的有效手段，而超前排放鉆孔作為煤與瓦斯突出礦井中煤巷掘進(jìn)工作面的局部防突措施之一，這一措施因其具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于突出礦井防治煤與瓦斯突出。

超前排放鉆孔排放半徑常用測(cè)定方法主要有鉆孔瓦斯壓力降低法、鉆孔瓦斯流量法、鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法3種。其中鉆孔瓦斯壓力降低法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，受現(xiàn)場(chǎng)煤層賦存條件影響較大，很難真實(shí)的反應(yīng)數(shù)據(jù)的有效性，因此，本文基于數(shù)值計(jì)算方法與瓦斯流量法相結(jié)合的測(cè)定方法針對(duì)五礦貴石溝井15號(hào)煤層瓦斯排放半徑進(jìn)行測(cè)定，為礦井掘進(jìn)工作面排放鉆孔布置提供理論支撐。

1 試驗(yàn)礦井概況

陽(yáng)煤集團(tuán)五礦位于山西省平定縣城西南約7km處，隸屬陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司管轄。貴石溝井是陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五礦(以下簡(jiǎn)稱為“五礦”)下屬的主力礦井之一，貴石溝井現(xiàn)主要開(kāi)采15號(hào)煤層，根據(jù)2008年礦井核定能力的批復(fù)(山西省煤炭工業(yè)局[晉煤行發(fā)[2008]519號(hào)])及關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)《關(guān)于對(duì)陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司新景礦等5座礦井生產(chǎn)能力核定結(jié)果的批復(fù)》的通知(陽(yáng)煤計(jì)字[2008]458號(hào))，五礦核定生產(chǎn)能力為7.70Mt/a。礦井現(xiàn)布置有3個(gè)15號(hào)煤層綜放工作面，分別為花荷峪分區(qū)1個(gè)回采工作面、小南莊分區(qū)1個(gè)回采工作面(與花荷峪分區(qū)跳采)、南翼分區(qū)1個(gè)回采工作面，每個(gè)回采工作面設(shè)計(jì)能力1.5Mt/a，共4.5Mt/a，再加上0.5Mt/a掘進(jìn)工程煤量，全礦井達(dá)到5.0Mt/a的生產(chǎn)能力。15號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，最大堅(jiān)固性系數(shù)0.45，其透氣性系數(shù)為4.75～10.03m2/(MPa2·d)，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0259d-1，屬于可以抽放煤層；測(cè)定區(qū)域內(nèi)最大煤層瓦斯壓力0.46MPa，吸咐常數(shù)a、b值分別為 42.988m3/t·r、0.986MPa-1；煤層孔隙率8.17%。

2 煤層瓦斯超前鉆孔排放數(shù)值計(jì)算

2.1 煤層瓦斯運(yùn)移理論模型

(1)煤體變形控制方程

(1)

(2)煤基質(zhì)中瓦斯壓力變化的控制方程

(2)

其中，q為單位體積煤基質(zhì)與裂隙系統(tǒng)的瓦斯質(zhì)量交換率，kg/(m3·s);D為瓦斯通過(guò)煤基質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;a為立方體煤基質(zhì)的邊長(zhǎng)，m;pm、pf分別為基質(zhì)和裂隙系統(tǒng)中的瓦斯壓力，MPa，由于很難測(cè)定基質(zhì)微孔中瓦斯壓力，pm定義為與孔隙系統(tǒng)吸附狀態(tài)的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)應(yīng)的假想的平衡壓力；M為甲烷摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為通用氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K);T為熱力學(xué)溫度，K。

(3)

式中：VL為煤的極限吸附量，m3/t；PL為L(zhǎng)angmuir壓力常數(shù)，MPa；ρc為煤的視密度，ρga為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度，kg/m3；φm為煤基質(zhì)的孔隙率，%。

結(jié)合式(1)，(2)和(3)可得煤基質(zhì)中瓦斯壓力變化的控制方程：

(4)

(3)裂隙瓦斯?jié)B流控制方程

(5)

式中：φf(shuō)為裂隙孔隙率，%；cf為裂隙游離瓦斯?jié)舛?，kg/m3;v為裂隙系統(tǒng)中瓦斯的真實(shí)流速，m/s，對(duì)于煤體而言，平均流速為φf(shuō)v。

式中：k為瓦斯在煤中的絕對(duì)滲透率，m2;μ為瓦斯的動(dòng)力黏度，Pa·s。

將式(4)，(5)代入式(6)，化簡(jiǎn)可得裂隙瓦斯壓力隨時(shí)間變化的控制方程為

(7)

2.2 物理模型的建立

如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯排放半徑的測(cè)定的實(shí)際情況，其中包括一煤層和兩巖層，煤層長(zhǎng)×高為40m×6.24m，兩巖層長(zhǎng)×高均為40m×10m，瓦斯超前排放鉆孔直徑為φ94mm。對(duì)于固體變形場(chǎng)，求解域頂部為恒定荷載邊界，左右兩側(cè)為滾軸邊界，底部為固定邊界，初始時(shí)刻的位移為0；對(duì)于瓦斯運(yùn)移場(chǎng)，煤層四周為零流量邊界。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模擬參數(shù)匯總

圖1 物理模型

2.3 模擬方案的確定

采用Comsol Multiphysics軟件研究貴石溝井15號(hào)煤層瓦斯超前排放鉆孔排放半徑，以15號(hào)煤層實(shí)際煤層情況建立模型，主要對(duì)目前開(kāi)采水平內(nèi)瓦斯壓力及突出臨界值兩種工況下的壓力進(jìn)行模擬計(jì)算，因此對(duì)原始瓦斯壓力分別取0.46MPa和0.74MPa兩種工況，進(jìn)行了鉆孔自然排放煤層瓦斯運(yùn)移的數(shù)值模擬，自然排放模擬時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)相一致，為1.5小時(shí)。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)原始瓦斯壓力為0.46MPa

經(jīng)模擬可知，離鉆孔較遠(yuǎn)的煤層中瓦斯壓力較大，靠近鉆孔中心附近處，瓦斯壓力較小，隨著抽采時(shí)間的推移，鉆孔較遠(yuǎn)處煤層中的瓦斯在自然排放和煤層自身瓦斯壓力差的作用下，逐漸的向鉆孔中心附近匯集，瓦斯壓力由鉆孔內(nèi)壁開(kāi)始向外環(huán)狀增大，鉆孔內(nèi)壁相對(duì)瓦斯壓力為0，逐漸向外恢復(fù)至原始瓦斯壓力，并且鉆孔抽采影響范圍逐漸增大，90分鐘時(shí)影響范圍約為1m。

(2)原始瓦斯壓力為0.74MPa

經(jīng)模擬可知，離鉆孔較遠(yuǎn)的煤層中瓦斯壓力較大，靠近鉆孔中心附近處，瓦斯壓力較小，隨著抽采時(shí)間的推移，鉆孔較遠(yuǎn)處煤層中的瓦斯在自然排放和煤層自身瓦斯壓力差的作用下，逐漸的向鉆孔中心附近匯集，瓦斯壓力由鉆孔內(nèi)壁開(kāi)始向外環(huán)狀增大，鉆孔內(nèi)壁相對(duì)瓦斯壓力為0，逐漸向外恢復(fù)至原始瓦斯壓力，并且鉆孔抽采影響范圍逐漸增大，90分鐘時(shí)影響范圍約為1.3m。

3 鉆孔瓦斯流量法測(cè)試結(jié)果分析

3.1 鉆孔瓦斯流量法測(cè)定原理

圖2 鉆孔瓦斯流量鉆孔布置圖

沿煤層施工5個(gè)測(cè)試鉆孔，孔徑為φ42mm，孔深10～12m，測(cè)試排放鉆孔間距一般為0.5～1.5m，鉆孔布置如圖2所示：圖中1～5號(hào)鉆孔為測(cè)試鉆孔，中間后施工的鉆孔為排放鉆孔φ94mm；1#～5#孔每施工完1個(gè)鉆孔立即進(jìn)行封孔(黃泥或聚氨酯)，封孔長(zhǎng)度不少于1.5m，并確保測(cè)量氣室不小于1m，鉆孔密封后每隔10min測(cè)定一次鉆孔瓦斯涌出量，每個(gè)測(cè)試鉆孔的測(cè)定次數(shù)不少于5次；當(dāng)5個(gè)測(cè)試鉆孔測(cè)定鉆孔瓦斯涌出量的次數(shù)均超過(guò)5次后，在其中間施工1個(gè)孔徑等于待考察排放鉆孔孔徑(φ94)。排放鉆孔施工長(zhǎng)度為15m；打完超前鉆孔后，每隔5min測(cè)定各測(cè)試孔的瓦斯涌出量，連續(xù)測(cè)定1～2h，測(cè)定時(shí)間根據(jù)煤層透氣性及鉆孔瓦斯涌出量衰減性確定；如果連續(xù)3次測(cè)定測(cè)試孔的瓦斯涌出量都比鉆孔施工前增大10%，即表明該測(cè)試孔處于超前鉆孔的有效排放半徑之內(nèi)。符合上述情況的測(cè)試孔距排放孔的最遠(yuǎn)距離，即為超前鉆孔的有效排放半徑。

3.2 鉆孔瓦斯流量法測(cè)試結(jié)果

利用鉆孔瓦斯流量方法，在貴石溝井8402回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面300m處和610m處考察了φ94mm鉆孔有效排放半徑，針對(duì)該煤礦煤層特點(diǎn)、 距離，設(shè)計(jì)的排放半徑測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 2-5。

表2 四采區(qū)8402回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面300m處測(cè)試鉆孔排放數(shù)據(jù)

表3 四采區(qū)8402回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面300m處排放鉆孔施工后流量變化表

表4 四采區(qū)8402回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面610m處測(cè)試鉆孔排放數(shù)據(jù)

表5 四采區(qū)8402回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面610m處排放鉆孔施工后流量變化表

由表2、3、4、5可以看出，在考察孔施工前40分鐘內(nèi)所測(cè)得各測(cè)量孔數(shù)據(jù)的第一組平均瓦斯流量分別為0.25、0.33、0.33、0.33和0.37L/min，第二組平均瓦斯流量分別為0.28、0.34、0.33、0.27和0.31L/min。40分鐘至70分鐘時(shí)間為施工措施鉆孔，措施孔施工完畢后，測(cè)量所測(cè)2#、3#、4#孔的瓦斯流量明顯增大，且增加率均超過(guò)了10%。同時(shí)從表3、5可中可以看出：測(cè)量孔瓦斯流量增幅、隨著與考察孔間距增大而減??；并隨著時(shí)間增加而減小的趨勢(shì)，說(shuō)明距離考察孔越遠(yuǎn)及時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)瓦斯流量影響就逐漸減小。其中2#、3#孔瓦斯流量增幅最大，連續(xù)3次測(cè)量增幅均超過(guò)20%，4#孔增幅較小，測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)增加超過(guò)10%；5#孔瓦斯流量沒(méi)有明顯增加，說(shuō)明5#孔所在距離不在有效排放半徑影響范圍之內(nèi)。

通過(guò)以上兩組測(cè)定數(shù)據(jù)的分析，得到有效排放半徑為1m左右。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬軟件Comsol Multiphysics，模擬計(jì)算瓦斯壓力在0.46MPa及0.74MPa兩種工況下，超前鉆孔排放半徑，得出瓦斯壓力波動(dòng)對(duì)瓦斯排放最大影響范圍，當(dāng)原始瓦斯壓力為0.46MPa，自然排放1.5h時(shí)最大影響半徑為1.10m；當(dāng)原始瓦斯壓力為0.74MPa，自然排放1.5h時(shí)最大影響半徑為1.35m。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用鉆孔瓦斯流量法實(shí)測(cè)的貴石溝井采用φ94mm的超前鉆孔的瓦斯排放半徑為，1.00～1.17mm；與數(shù)值計(jì)算方法模擬的瓦斯排放鉆孔半徑結(jié)果一致，因此在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中結(jié)合兩種方法的結(jié)果選取1.10m作為排放半徑。

(3)經(jīng)過(guò)鉆孔瓦斯流量法對(duì)數(shù)值計(jì)算方法得出的結(jié)果進(jìn)行論證，認(rèn)為數(shù)據(jù)計(jì)算方法結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果接近，可以作為一種測(cè)定方法對(duì)瓦斯排放半徑進(jìn)行測(cè)定。