陳祖國(guó)

(貴州豫能投資有限公司，貴州 畢節(jié) 551500)

0 引言

1964年由美國(guó)礦業(yè)局組織對(duì)煤層瓦斯抽采的研究表明，抽采瓦斯是增加煤礦安全的有效手段；可以大大降低采煤成本，尤其是通風(fēng)成本；可以加快采煤速度，提高煤炭產(chǎn)量[1-6]。目前，我國(guó)測(cè)定有效抽采半徑的方法主要有：井下實(shí)測(cè)法、計(jì)算機(jī)模擬法、理論計(jì)算法和氣體示蹤法[7-8]。根據(jù)某礦井地質(zhì)資料，礦區(qū)地層為單斜構(gòu)造，傾角7°～12°，傾北西；區(qū)域構(gòu)造主體呈北東—南西向展布。礦區(qū)為單斜構(gòu)造，斷裂、褶曲不發(fā)育。根據(jù)對(duì)12701運(yùn)輸巷和12701回風(fēng)巷揭露的M27煤層現(xiàn)場(chǎng)勘察：M27煤層為黑色，厚約1.4 m，含夾矸0～1層；煤層中部有一層0.08 m左右的軟分層，煤層整體較亮，尚未失去層狀，較有次序；次生節(jié)理面多，且不規(guī)則，與原生節(jié)理呈網(wǎng)狀節(jié)理，節(jié)理平整，易掰開；斷口參差多角，中等硬度，局部煤體用手可剝成小塊。根據(jù)《煤礦瓦斯等級(jí)鑒定辦法》附錄D中煤的破壞類型分類表對(duì)煤的破壞類型分類特征的描述，可得出M27煤層煤的破壞類型應(yīng)為Ⅱ類(破壞煤)。根據(jù)對(duì)M27煤層瓦斯賦存情況分析，M27煤層實(shí)測(cè)最大瓦斯含量為12.5 m3/t，煤的容重為1.53 t/m3，煤層瓦斯吸附常數(shù)a為45.484 3 m3/t，b為1.598 7 m3/t，煤層厚度為1.4 m，煤層的孔隙率為17.74%，煤的灰分為44.61%，煤的水分為1.57%。

為了準(zhǔn)確掌握煤層順層抽采鉆孔有效影響半徑，為順層抽采鉆孔布置提供合理的依據(jù)，通過(guò)對(duì)M27煤層順層有效抽采影響半徑的數(shù)值計(jì)算和井下實(shí)際考察來(lái)確定煤層的抽采影響半徑，以期為煤層瓦斯抽采鉆孔參數(shù)選擇提供合理指導(dǎo)依據(jù)。

1 抽采半徑數(shù)值模擬計(jì)算

隨著科技的發(fā)展，部分學(xué)者在前人的基礎(chǔ)上從不同角度研究了擴(kuò)散滲流及煤與瓦斯的耦合作用下煤層瓦斯的運(yùn)移規(guī)律，建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算[9-11]。

1.1 計(jì)算模型

采用數(shù)值模擬軟件對(duì)抽采鉆孔的瓦斯抽采效果進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)達(dá)西定律(Darcy Law)、氣體狀態(tài)方程、煤層瓦斯含量方程、瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型，以及煤層瓦斯擴(kuò)散滲流耦合方程和煤層瓦斯擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型等，得出鉆孔抽采情況下，鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)的非穩(wěn)定徑向滲流的動(dòng)力學(xué)控制方程如下。

(1)

(2)

初值條件為：當(dāng)t=0(r0

1.2 簡(jiǎn)化求解

(3)

2 有效抽采影響半徑的計(jì)算

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果

根據(jù)上述M27煤層瓦斯抽采基礎(chǔ)參數(shù)的取值，當(dāng)M27煤層實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)，其M27煤層殘余瓦斯含量(W殘余)需降到8 m3/t以下，其推算的殘余瓦斯壓力(p殘余)需降到0.28 MPa以下。

根據(jù)上述瓦斯抽采半徑計(jì)算原理和計(jì)算模型，計(jì)算得出：t=60 d時(shí)，有效抽采半徑r在0.5 m左右；t=90 d時(shí)，有效抽采半徑r在0.85 m左右；t=120 d時(shí)，有效抽采半徑r在1.0 m左右；t=150 d時(shí)，有效抽采半徑r在1.3 m左右。

2.2 有效抽采半徑與抽采時(shí)間的關(guān)系

瓦斯抽采半徑數(shù)值計(jì)算得出，M27煤層順層預(yù)抽鉆孔不同抽采時(shí)間對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑見表2。

表2 M27煤層預(yù)抽鉆孔有效抽采半徑與抽采時(shí)間關(guān)系表

注：M27煤層為瓦斯壓力降到0.28 MPa臨界值。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)鉆孔有效抽采半徑與抽采時(shí)間成對(duì)數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性較高，M27煤層擬合曲線如圖1所示，M27煤層有效抽采半徑與抽采時(shí)間擬合關(guān)系式見式(4)。

圖1 鉆孔有效抽采半徑與抽采時(shí)間擬合曲線

r=0.764 5lnt-2.552 9；R2=0.991 2

(4)

式中：r—有效抽采半徑，m；t—抽采時(shí)間，d。

3 現(xiàn)場(chǎng)考察

3.1 考察方法

根據(jù)礦井現(xiàn)有巷道開拓情況和礦方實(shí)際抽采時(shí)間等情況，對(duì)上述數(shù)值計(jì)算出的相應(yīng)抽采時(shí)間下的有效抽采影響半徑進(jìn)行考察。抽采鉆孔直徑均為75 mm時(shí)，抽采負(fù)壓20 kPa，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，選取抽采時(shí)間為120 d時(shí)，抽采影響半徑為1.0 m；抽采時(shí)間為60 d時(shí)，抽采影響半徑為0.5 m。布置兩組抽采鉆孔，每組布置5個(gè)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度65 m，以煤層瓦斯含量8 m3/t為有效抽采影響半徑的臨界值點(diǎn)，抽采60 d后在第1組鉆孔的每2個(gè)鉆孔中間布置測(cè)試鉆孔測(cè)定殘存瓦斯含量，120 d后在第2組鉆孔的每2個(gè)鉆孔中間布置測(cè)試鉆孔測(cè)定殘存瓦斯含量，鉆孔長(zhǎng)度45 m，如圖2所示。

圖2 抽采鉆孔和測(cè)試鉆孔布置平面圖

施工抽采鉆孔時(shí)，測(cè)試煤層原始瓦斯含量為11.8～12.5 m3/t，選擇12.5 m3/t作為本次煤層瓦斯抽采半徑考察的最大原始瓦斯含量。

3.2 結(jié)果分析

抽采60 d后和120 d后，殘存瓦斯含量見表3?，F(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果表明，相同抽采條件下，抽采鉆孔直徑75 mm且抽采時(shí)間為120 d時(shí)，抽采影響半徑達(dá)到了1.0 m；而抽采時(shí)間為60 d時(shí)，抽采影響半徑達(dá)到了0.5 m。因此，本次數(shù)值計(jì)算的抽采有效影響半徑與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本相同，考慮到煤層實(shí)際賦存條件的復(fù)雜情況和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試瓦斯含量的人為誤差，為了保證煤層能夠有效消突，在實(shí)際工作中應(yīng)加強(qiáng)管理，日常性收集煤層瓦斯賦存、瓦斯涌出等相關(guān)資料；同時(shí)，礦井應(yīng)經(jīng)常分析瓦斯地質(zhì)變化情況，在地質(zhì)構(gòu)造帶或局部瓦斯富集區(qū)或煤厚變化地帶進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，應(yīng)采取安全技術(shù)措施，防止瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。

表3 瓦斯含量測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)通過(guò)瓦斯抽采半徑計(jì)算原理和計(jì)算模型，計(jì)算得出：t=60 d時(shí)，有效抽采半徑r在0.5 m左右；t=90 d時(shí)，有效抽采半徑r在0.85 m左右；t=120 d時(shí)，有效抽采半徑r在1.0 m左右；t=150 d時(shí)，有效抽采半徑r在1.3 m左右。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)M27煤層數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的考察，相同抽采條件下，抽采鉆孔直徑75 mm時(shí)，抽采時(shí)間為120 d時(shí)，抽采影響半徑達(dá)到了1.0 m；抽采時(shí)間為60 d時(shí)，抽采影響半徑達(dá)到了0.5 m，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本相同。

(3)瓦斯含量測(cè)定過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照行業(yè)要求，采用定點(diǎn)快速取樣裝置以避免瓦斯含量測(cè)試的人為誤差。