王軍

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司 安全監(jiān)察局，山西 陽泉 045000）

煤與瓦斯突出問題一直以來都是煤礦安全生產(chǎn)過程中面臨的主要問題之一。煤層瓦斯抽采作為有效治理煤層瓦斯問題的方式之一，能夠有效降低煤層瓦斯含量，減少煤層突出危險(xiǎn)性，保障工作面生產(chǎn)的安全高效有序進(jìn)行。然而，在當(dāng)前煤與瓦斯治理過程中，受工作面所處地質(zhì)條件、埋深條件、施工工藝、煤巖自身滲透性、瓦斯賦存情況等因素的影響，在煤層瓦斯抽采過程中，不同區(qū)域抽采效果存在一定的差異性。因此本文以新景礦15123 底抽巷穿層鉆孔為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種方式，對(duì)穿層鉆孔抽采效果進(jìn)行考察，分析鉆孔抽采效果，從而提高瓦斯治理效率，保障工作面安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

新景礦15123 工作面屬于15 號(hào)煤層，位于新景公司佛洼采區(qū)+420 水平南翼中部。15 號(hào)煤層上部覆有3、6、8、9、12、13 號(hào)等煤層，且均未開采。15123 工作面處15 號(hào)煤層，埋深600～800 m，煤層傾角2°～9°，分布相對(duì)穩(wěn)定，煤質(zhì)程度為中灰、中硫的優(yōu)質(zhì)無煙煤，主要以鏡煤和亮煤為主，頂板和底板為灰黑色的泥巖，頂?shù)装逋笟庑韵鄬?duì)較差，有利于瓦斯賦存，因此瓦斯含量相對(duì)較高。15123 工作面采掘范圍內(nèi)瓦斯含量8～15 m3/t，在工作面回采前，需施工抽采鉆孔治理煤層瓦斯，并考察鉆孔抽采效果。

2 瓦斯抽采數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 數(shù)值模擬參數(shù)選擇

選用comsol 軟件對(duì)鉆孔抽采過程中鉆孔周邊瓦斯壓力變化情況進(jìn)行分析。在運(yùn)用comsol 建立數(shù)值模型過程中，假設(shè)煤體為各向同性均質(zhì)的介質(zhì)，以煤層鉆孔段為研究對(duì)象，考慮影響瓦斯流動(dòng)的影響因素。由于煤層頂?shù)装鍨橥笟庑暂^差的泥巖，可認(rèn)為巖層中無游離態(tài)的瓦斯存在，同時(shí)煤層中的瓦斯氣體，在煤層中均勻分布，在吸附解吸過程中，為理想氣體，符合Langmuir 氣體狀態(tài)方程，煤層中瓦斯流動(dòng)符合達(dá)西定律，在瓦斯運(yùn)移過程中溫度無明顯變化。

通過建立煤巖瓦斯?jié)B流場(chǎng)方程（廣義型偏微分方程（g）） 和煤體骨架變形方程（固體力學(xué)線彈性材料方程），研究?jī)蓤?chǎng)流固耦合作用下，鉆孔周圍瓦斯壓力分布同時(shí)間的變化情況，模型參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)設(shè)置Table 1 Model parameter settings

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

煤層瓦斯氣體只在煤層中流動(dòng)，煤層流動(dòng)邊界條件為：

抽放孔周圍，鉆孔瓦斯壓力符合狄氏邊界條件(DiriChlet)，即：

煤層瓦斯壓力的初始值為：

基于理論推導(dǎo)模型，根據(jù)上述基本假設(shè)條件以及相關(guān)參數(shù)，結(jié)合新景礦15123 工作面實(shí)際情況，采取二維平面模型進(jìn)行抽采半徑的數(shù)值模擬計(jì)算。模型高（煤厚） 為4 m，煤層長(zhǎng)度設(shè)為20 m，底部邊界固定，左右兩側(cè)為自由邊界，不加固。頂部應(yīng)力為8.09 MP，鉆孔半徑為55 mm，抽采負(fù)壓為-13 kPa，初始瓦斯壓力大小為1.03 MPa，鉆孔布置在模型中心位置，取h方向?yàn)閥 軸方向，L方向?yàn)閤 軸方向。模型網(wǎng)格見下圖1 所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Model meshing

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

當(dāng)鉆孔抽采負(fù)壓為-13 kPa，孔徑為110 mm時(shí)，抽采時(shí)間為0、40、70、150 d 時(shí)，煤層瓦斯壓力分布如圖2 所示。

圖2 煤層瓦斯壓力分布云圖Fig.2 Coal seam gas pressure distribution nephogram

選取抽采鉆孔徑向剖面圖作為研究對(duì)象，不同時(shí)間鉆孔水平方向瓦斯壓力分布曲線如圖3 所示。

圖3 不同時(shí)間鉆孔周邊瓦斯壓力分布曲線Fig.3 Distribution curve of gas pressure around borehole at different time

根據(jù)《防止煤與瓦斯突出細(xì)則》的第五十八條規(guī)定，煤層瓦斯壓力≤0.74 MPa 時(shí)，可認(rèn)為達(dá)到防突效果指標(biāo)。因此，此處認(rèn)定P≤0.7 MPa 時(shí)，即可認(rèn)為煤層瓦斯抽采效果達(dá)標(biāo)鉆孔周圍的有效影響半徑范圍內(nèi)。從圖3 可知，隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔有效抽采半徑逐漸變大，當(dāng)抽采時(shí)間為40 d 時(shí)，有效抽采半徑為0.7 m 左右；當(dāng)抽采時(shí)間達(dá)到70 d 時(shí)，鉆孔有效抽采半徑可達(dá)1.2 m 左右；當(dāng)抽采時(shí)長(zhǎng)為150 d 時(shí)，鉆孔有效抽采半徑可達(dá)3.0 m 左右。

3 現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采效果測(cè)試

在數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，先在15123 底抽巷開展瓦斯抽采效果測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)共施工壓力測(cè)試鉆孔2 個(gè)，抽放孔1 個(gè)，鉆孔孔徑均為110 mm，傾角為30°，鉆孔與巷道夾角為90°。施工過程中，先施工壓力測(cè)試孔，測(cè)試孔距抽采孔間距分別為0.7 m、1.2 m，具體鉆孔布置方式如圖4 所示。

圖4 鉆孔布孔方式Fig.4 Drilling hole arrangement method

鉆孔施工完成后，安裝壓力表，采用“兩堵一注”封孔方式封孔，觀測(cè)壓力表讀數(shù)變化，待壓力讀數(shù)穩(wěn)定后，施工抽采鉆孔，對(duì)抽采鉆孔進(jìn)行抽放，每天觀測(cè)并記錄周圍2 個(gè)考察鉆孔的壓力表讀數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)共觀測(cè)壓力表讀數(shù)70 d，考察孔壓力隨時(shí)間變化結(jié)果如圖5 所示。

圖5 觀測(cè)孔瓦斯壓力衰減變化Fig.5 Observation hole gas pressure attenuation change

根據(jù)鉆孔壓力測(cè)試結(jié)果可知，隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔瓦斯壓力逐漸降低，且在一定時(shí)間后，壓力衰減逐漸平緩。鉆孔瓦斯初始?jí)毫Ψ謩e為1.03 MPa 和1 MPa；抽采40 d 后，1 號(hào)考察孔壓力下降至0.7 MPa，2 號(hào)考察孔壓力下降至0.86 MPa；抽采70 d 后1 號(hào)考察孔壓力下降至0.63 MPa，2 號(hào)考察孔壓力下降至0.68 MPa，2 個(gè)鉆孔壓力均降至0.7 MPa 以下。即抽采40 d 后，鉆孔有效抽采半徑為1.5 m，抽采70 d 后，鉆孔有效抽采半徑為1.85 m。

4 結(jié) 語

本文以新景礦15121 底抽巷穿層鉆孔抽采效果考察為研究對(duì)象，結(jié)合煤層自身煤巖物理參數(shù)，通過建立穿層鉆孔瓦斯抽采模型，利用comsol 軟件模擬底抽巷穿層鉆孔瓦斯效果隨時(shí)間的變化情況，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔布孔間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，兩者相互印證?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，鉆孔有效抽采半徑考察結(jié)果表明，隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸降低。抽采40 d后，新景礦15121 底抽巷穿層鉆孔有效抽采半徑為1.5 m；抽采70 d 后，鉆孔有效抽采半徑可達(dá)1.8 m；預(yù)計(jì)抽采250 d 后，鉆孔有效預(yù)計(jì)可達(dá)2.8 m。在底抽巷進(jìn)行穿層鉆孔瓦斯抽采時(shí)，可根據(jù)鉆孔抽采半徑對(duì)布孔位置進(jìn)行優(yōu)化。