張飛燕，韓穎，呂帥，劉德寶，程虹銘

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；3.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；4.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；5.深井巖層控制與瓦斯抽采國家安監(jiān)局科技支撐平臺，河南 焦作 454000；6.山西大同大學 教學實驗與實訓中心，山西 大同 037003)

0 引 言

對于順層鉆孔而言，瓦斯抽采有效半徑是確定鉆孔布置間距的基礎(chǔ)參數(shù)和重要依據(jù)，其主要受煤層瓦斯壓力、煤層透氣性系數(shù)、地應力、抽采時間等因素影響。目前，有效半徑確定方法主要分為3類[1]：(1)理論分析法。如楊相玉等[2]確定了理想煤層抽采條件下瓦斯流動方程及邊界條件，運用MATLAB軟件模擬計算煤層不同抽采時間對應的有效半徑；魏國營等[3]基于瓦斯抽采鉆孔衰減的負指數(shù)規(guī)律，提出利用噸煤瓦斯抽采量計算有效半徑的測定方法；余陶等[4]以抽采鉆孔影響范圍內(nèi)殘余瓦斯壓力<0.74 MPa且預抽率>30%為指標，基于抽采鉆孔瓦斯流量的負指數(shù)衰減規(guī)律，推導出有效半徑計算公式。(2)數(shù)值模擬法。該法主要基于抽采鉆孔周圍(以下簡稱“孔周”)瓦斯流動模型，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方法，分析孔周瓦斯流動規(guī)律，從而確定抽采有效半徑。如許克南等[5]構(gòu)建了動態(tài)流固耦合模型并運用COMSOL解算，對有效半徑和合理鉆孔間距進行了研究；郝富昌等[6]建立了蠕變-滲流耦合作用下的瓦斯運移模型，確定了不同埋深鉆孔瓦斯抽采的有效半徑。(3)現(xiàn)場測定法。該法主要采用瓦斯壓力指標法、瓦斯含量指標法和示蹤氣體測定法等測定。如梁冰等[7]提出分組測壓法，即在同一水平高度分組布置間距不等的測壓孔和抽采孔，通過觀測各組鉆孔的瓦斯壓力變化情況確定有效半徑；呂貴春[8]通過考察鉆孔預抽一段時間后的殘余可解吸瓦斯含量是否達到消突和抽采要求，以此確定有效半徑；郝天軒等[9]采用數(shù)值模擬結(jié)合SF6示蹤法確定瓦斯抽采的有效半徑。近年來，少數(shù)學者提出若干新方法確定抽采有效半徑。如梁文勖[10]提出基于達標抽采量的有效半徑確定方法，認為該方法簡單易行，并可將防治煤與瓦斯突出和瓦斯抽采達標工作有機結(jié)合起來；舒龍勇等[11]提出瓦斯儲量法確定有效半徑并進行現(xiàn)場應用，認為該方法能夠真實反映礦井瓦斯抽采狀況，測定結(jié)果可靠。

上述3類方法中，瓦斯含量指標法因其測試簡單和結(jié)果相對準確可靠而得到了廣泛應用。因此，本文基于長期現(xiàn)場實踐，以瓦斯抽采相關(guān)標準和行業(yè)規(guī)范為準繩，以突出煤層采煤工作面瓦斯含量臨界值、采煤工作面回采前煤體可解吸瓦斯含量、采煤工作面瓦斯抽采率和預抽率作為抽采達標的4項基本指標，選取依據(jù)4項指標計算得出的煤層殘余瓦斯含量(以下簡稱“殘余瓦斯含量”)最小值作為考察指標，對順層鉆孔抽采有效半徑測定新技術(shù)進行探索。

1 有效半徑考察指標選取

《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ1026-2006)對瓦斯抽采應達到的指標[12]規(guī)定如下：

(1)突出煤層工作面采掘作業(yè)前必須將控制范圍內(nèi)煤層的瓦斯含量降到煤層始突深度的瓦斯含量以下，或?qū)⑼咚箟毫档矫簩邮纪簧疃鹊拿簩油咚箟毫σ韵?。若沒能考察出煤層始突深度的煤層瓦斯含量或壓力，則必須將煤層瓦斯含量降到8 m3/t以下，或?qū)⒚簩油咚箟毫档?.74 MPa(表壓)以下。

若以抽采后的殘余瓦斯含量Wc作為考察指標，應滿足

Wc1≤8 m3/t，

(1)

式中，Wc1為各種規(guī)定條件下的殘余瓦斯含量，m3/t。

(2)瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，瓦斯抽采率應滿足表1的規(guī)定。

表1 采煤工作面瓦斯抽采率指標

因η與Wc存在如下關(guān)系[4]，

(2)

式中：η為采煤工作面瓦斯抽采率，%，可根據(jù)表1選??；W為原始煤層瓦斯含量，m3/t。

故Wc應滿足

(3)

(3)瓦斯涌出量主要來自于開采層的采煤工作面前方20 m以外煤體，可解吸瓦斯含量應滿足表2規(guī)定。

表2 采煤工作面回采前煤體可解吸瓦斯含量指標

則Wc應滿足

Wc3≤Wj+Wb,

(4)

式中：Wj為煤體可解吸瓦斯含量，m3/t；Wb為煤在標準大氣壓力下的殘存瓦斯含量，m3/t，按式(5)計算。

(5)

式中：a為吸附常數(shù)，試驗溫度下的極限吸附量，m3/t；b為吸附常數(shù)，MPa-1；Aad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；K為煤的孔隙率，%；ρ為煤的密度，kg/m3。

(4)《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》(AQ1027-2006)規(guī)定[13]，預抽煤層瓦斯的礦井，回采工作面抽出率應不小于25%，則Wc應滿足

Wc4≤0.75W，

(6)

為確保瓦斯抽采達標且留有一定富裕系數(shù)，Wc需同時滿足上述4條規(guī)定，并取其中的最小值作為有效半徑考察指標，即

Wc=min(Wc1,Wc2,Wc3,Wc4)。

(7)

2 基于殘余瓦斯含量的有效半徑階梯式測定方法

階梯式測定法適用于硬煤層和無突出危險煤層。在上述煤層中，鉆孔鉆進深度較長，一個鉆孔可測定多組殘余瓦斯含量，因此可以大大減少考察鉆孔工程量。

階梯式測定法鉆孔布置示意圖如圖1所示，具體實施步驟如下[14]。

圖1 階梯式測定法鉆孔布置示意

(1)選取煤層賦存穩(wěn)定、構(gòu)造簡單、尚未實施預抽的區(qū)域，按照《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》[15]規(guī)定，垂直煤壁施工直徑42 mm的瓦斯含量測定鉆孔A；為避開鉆孔施工地點巷道卸壓圈影響，在鉆孔A鉆進15 m后，每隔2～3 m取樣測定1次瓦斯含量，至少連續(xù)測定3次，取其平均值作為預抽前煤層瓦斯含量W。

(2)按照常規(guī)抽采鉆孔要求，對鉆孔A進行擴孔和封孔，并入抽采管網(wǎng)，實施瓦斯預抽。

(3)連續(xù)觀測鉆孔A抽采瓦斯體積分數(shù)、流量等參數(shù)，待其抽采30 d后，距鉆孔A水平距離5 m處，施工有效半徑考察鉆孔A′，其與鉆孔A夾角為10°。在鉆孔A′鉆進15 m后，每隔2～3 m取樣測定1次Wc，至少連續(xù)測定3次，即當鉆孔A′與鉆孔A水平距離為3.0，2.6，2.0，1.4，1.0 m時(圖1)，分別測定殘余瓦斯含量Wc。

(4)以鉆孔A′與鉆孔A水平距離為橫坐標、Wc為縱坐標繪圖，可得殘余瓦斯含量隨鉆孔間距的變化規(guī)律，如圖2所示。由圖2可知，與Wcl直線的交點所對應的鉆孔間距L1即為抽采30 d時的有效半徑r1，即r1=L1。以此類推，可分別得抽采60，90 d時的有效半徑r2，r3。

圖2 殘余瓦斯含量隨鉆孔間距的變化規(guī)律

以抽采時間T為橫坐標、有效半徑r為縱坐標繪圖，可得有效半徑隨抽采時間的變化規(guī)律曲線，如圖3所示。根據(jù)礦井采掘接替計劃確定瓦斯預抽期后，即可依據(jù)圖3確定預抽期內(nèi)鉆孔有效半徑，并據(jù)此確定抽采鉆孔布置間距。

圖3 有效半徑隨抽采時間的變化規(guī)律

3 階梯式測定法現(xiàn)場應用研究

3.1 試驗礦井概況

山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司主要開采3號煤層，該煤層傾角平均5°，厚度介于4.49～7.17 m間，平均5.65 m，煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類，煤層瓦斯含量為8～10 m3/t。采用順層鉆孔預抽回采工作面瓦斯，鉆孔直徑為94 mm，孔深100 m，鉆孔布置間距參照鄰近礦井經(jīng)驗取3～5 m，抽采效果不佳。

3.2 考察指標確定

目前，山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司采用“一井一面”生產(chǎn)模式，工作面日產(chǎn)量9 000 t，涌出瓦斯主要來自于開采煤層的采煤工作面。

(1)以殘余瓦斯含量8 m3/t作為評判指標，根據(jù)式(1)，Wc1=8 m3/t。

(2)由表2可知，日產(chǎn)量8 001～10 000 t的采煤工作面前方20 m以外煤體可解吸瓦斯含量Wj≤4.5 m3/t，根據(jù)式(4)～(5)計算，可得Wc3=6.8 m3/t。

(3)根據(jù)式(6)，Wc4=7.5 m3/t。

(4)Wc= min(Wc1,Wc3,Wc4)=6.8 m3/t。

3.3 現(xiàn)場測定

現(xiàn)場測定鉆孔布置示意圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場測定鉆孔布置示意

在3302回風平巷選取50 m范圍的試驗區(qū)塊，布置3個常規(guī)抽采鉆孔A，B，C，分別抽采30，60，90 d后，施工考察鉆孔A′，B′，C′，實測殘余瓦斯含量隨鉆孔間距的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

圖5 實測殘余瓦斯含量隨鉆孔間距的變化規(guī)律

根據(jù)山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司瓦斯抽采規(guī)劃及采、掘、抽接替計劃，3302工作面瓦斯預抽期為6個月。由圖6可知，對應的有效半徑為1.52 m，理論鉆孔布置間距為3.04 m，為有效消除相鄰鉆孔之間的抽采空白帶，定為2.50 m。

圖6 實測有效半徑隨抽采時間的變化規(guī)律

4 含瓦斯煤流固耦合動態(tài)模型有效 半徑數(shù)值模擬研究

為驗證有效半徑現(xiàn)場測定結(jié)果的可靠性，基于含瓦斯煤流固耦合動態(tài)模型，采用數(shù)值模擬方法研究殘余瓦斯含量和抽采達標范圍隨時間的變化規(guī)律。

含瓦斯煤流固耦合動態(tài)模型由孔隙率與滲透率動態(tài)變化方程、瓦斯?jié)B流場方程、基于Hoek-Brown準則的含瓦斯煤變形場方程共同構(gòu)成，詳見文獻[16-17]。

順層抽采鉆孔幾何模型如圖7所示，其尺寸為200 m×50 m×5.65 m，上部施加初始載荷σ0，左右為輥支撐，底部為固定約束，四周為零通量不透氣邊界。抽采鉆孔直徑94 mm，深100 m，封孔深10 m，封孔段設(shè)置為不透氣邊界，封孔段以內(nèi)為負壓抽采段，巷道煤壁處為井底大氣壓力。

圖7 順層抽采鉆孔幾何模型

模型參數(shù)依據(jù)山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司實際情況選取，見表3。

表3 模型參數(shù)

圖8為數(shù)值模擬條件下殘余瓦斯含量隨時間的變化規(guī)律。由圖8可以看出，不同抽采時間(30，90，150，210 d)對應的有效半徑分別為0.54，1.00，1.40，1.48 m。隨抽采時間延長，有效半徑逐漸增大，但超過一定時間后，有效半徑增大不明顯，如抽采時間由150 d延長至210 d，有效半徑僅增大了0.08 m，換而言之，不能單純依靠延長抽采時間提高有效半徑。

圖8 數(shù)值模擬條件下殘余瓦斯含量隨時間的變化規(guī)律

圖9為現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬條件下有效半徑隨抽采時間的變化規(guī)律對比，兩者吻合度較高，表明階梯式測定法是切實可行的?，F(xiàn)場實測與數(shù)值模擬均遵循同一規(guī)律，即有效半徑隨抽采時間延長而增大，超過某一時間后，有效半徑趨于穩(wěn)定。

圖9 實測和數(shù)值模擬條件下抽采有效半徑隨抽采時間變化規(guī)律對比

基于含瓦斯煤流固耦合動態(tài)模型，取鉆孔間距為2.5 m布置3個抽采鉆孔，以Wc≤6.8 m3/t為判定標準，模擬抽采達標范圍隨時間的變化規(guī)律，如圖10所示。由圖10可以看出，抽采達標范圍隨抽采時間的延長而不斷擴大，且擴大趨勢逐漸變緩，抽采180 d后可實現(xiàn)達標。

圖10 抽采達標范圍隨時間的變化規(guī)律

5 結(jié) 論

(1)基于瓦斯抽采相關(guān)標準與行業(yè)規(guī)范，選取殘余瓦斯含量作為考察指標，對順層鉆孔抽采有效半徑測定新技術(shù)進行探索，提出了階梯式測定法。

(2)采用階梯式測定法對山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司3號煤層抽采有效半徑進行了現(xiàn)場測試，并基于含瓦斯煤流固耦合動態(tài)模型對測試結(jié)果進行了模擬驗證，兩者吻合度較高，據(jù)此確定該礦鉆孔合理布置間距為2.50 m。