李斗

(沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦,山西 晉城市 048000)

0 引言

長久以來,煤炭在我國的能源消耗構(gòu)成中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位,而煤體作為一種多孔介質(zhì),因其內(nèi)部含有豐富的裂隙通道,導(dǎo)致煤體內(nèi)富含瓦斯。近些年來,在科技創(chuàng)新的推動(dòng)下,我國煤炭開采能力不斷提高,開采深度也在不斷增加,地質(zhì)條件變得愈發(fā)復(fù)雜,煤與瓦斯突出事故顯著增加[1]。其中,石門揭煤過程中發(fā)生的煤與瓦斯突出事故最為頻繁,而預(yù)抽瓦斯技術(shù)是我國當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的石門揭煤防突措施,合理選擇鉆孔參數(shù)是預(yù)抽瓦斯技術(shù)的關(guān)鍵,也是預(yù)抽效果達(dá)標(biāo)、實(shí)現(xiàn)安全揭煤的重要保障。

聶敏忠[2]通過對(duì)朱莊煤礦4號(hào)煤上覆巖層移動(dòng)的“三帶”分析和研究,確定了4號(hào)煤頂板走向高位鉆孔裂隙帶高度,提出了合理的布置鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù),并應(yīng)用于朱莊煤礦4414綜采工作面,使4414工作面高位鉆孔瓦斯抽放率與相鄰工作面相比,提高了近2倍。閆潔倫等[3]根據(jù)煤礦瓦斯抽放的實(shí)際條件,對(duì)鉆場(chǎng)的鉆孔數(shù)量與抽出量、鉆孔預(yù)抽時(shí)間與抽放量的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與優(yōu)化,得出了該煤礦每個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔數(shù)量應(yīng)為30個(gè)左右、最佳抽放時(shí)間為18個(gè)月以內(nèi)的結(jié)論。胡寶林等[4]利用頂板冒落的關(guān)鍵層理論,在采空區(qū)頂板采動(dòng)裂隙、冒落數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)高位抽放鉆孔的終孔位置、終孔平距、抽放鉆孔的直徑等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,提高了抽采效率。王磊[5]基于瓦斯?jié)B流理論,對(duì)鶴壁九礦3104工作面瓦斯抽采過程中不同抽采時(shí)間、不同鉆孔直徑、不同抽采負(fù)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬,確定了3104工作面的最優(yōu)抽采參數(shù),有效消除了3104 工作面的煤與瓦斯突出。張波等[6]利用數(shù)值模擬分析了單一鉆孔和多鉆孔抽采過程中瓦斯壓力分布規(guī)律及有效抽采半徑,并得出抽采時(shí)間與最佳鉆孔布置間距之間的關(guān)系,為某礦12150工作面預(yù)測(cè)抽采時(shí)間及鉆孔布置參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。李可等[7]基于吸附和游離兩種形態(tài)瓦斯的賦存情況,建立了更加貼合瓦斯實(shí)際狀態(tài)的抽采理論模型,利用COMSOL軟件模擬了不同布孔間距下的煤層瓦斯壓力分布情況,確定了合理的順層預(yù)抽鉆孔布孔間距,并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際抽采工作,取得了理想的效果。施永威等[8]基于煤巖彈性理論和瓦斯?jié)B流理論,研究了啟動(dòng)壓力作用下的非滲流現(xiàn)象,得到了考慮啟動(dòng)壓力的達(dá)西定律,建立了考慮啟動(dòng)壓力、地應(yīng)力、吸附膨脹應(yīng)力、孔隙壓力共同作用的煤巖瓦斯流固耦合數(shù)學(xué)模型,并采用建立的模型對(duì)漳村煤礦2601工面瓦斯抽采鉆孔間距進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得出了漳村煤礦2601工作面合理的瓦斯預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)。盧平等[9]在建立石門揭煤抽放瓦斯鉆孔周圍煤體瓦斯?jié)B流方程的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值計(jì)算方法模擬分析了煤層鉆孔周圍瓦斯?jié)B流規(guī)律以及影響石門揭煤鉆孔瓦斯抽放率的影響因素,得出了在一定煤層透氣性條件下原始煤層鉆孔抽放瓦斯的極限抽放時(shí)間、極限抽放量和最大的安全抽放鉆孔間距,并將結(jié)果應(yīng)用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,實(shí)現(xiàn)了安全揭煤。許朋德等[10]通過分析煤與瓦斯突出的基本原理以及抽采鉆孔的“瓶塞效應(yīng)”,提出了縱橫交錯(cuò)的立體綜合防突技術(shù),對(duì)揭煤區(qū)域煤層瓦斯進(jìn)行立體預(yù)抽采,彌補(bǔ)了平面瓦斯抽采的不足,使揭煤區(qū)域瓦斯抽采率達(dá)到74.08%。

本文以質(zhì)量守恒定律和瓦斯?jié)B流理論為基礎(chǔ),建立了瓦斯運(yùn)移數(shù)學(xué)方程,利用COMSOL 數(shù)值模擬軟件研究了不同鉆孔直徑、不同抽采時(shí)間、不同抽采負(fù)壓、不同鉆孔間距條件下的鉆孔周圍瓦斯壓力分布規(guī)律,從而確定了合理的預(yù)抽鉆孔布置參數(shù),并成功應(yīng)用于某礦＋1168 m 軌道運(yùn)輸巷石門揭煤瓦斯預(yù)抽工程。研究成果可為我國煤與瓦斯突出礦井瓦斯預(yù)抽鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模型建立

1.1 假設(shè)條件

在模擬瓦斯抽采問題之前,為了方便計(jì)算,需要對(duì)模擬過程做以下假設(shè)。

(1)因?yàn)轫數(shù)装鍘r層的透氣性相較于煤層可以忽略不計(jì),所以認(rèn)為只有煤層中發(fā)生瓦斯運(yùn)移,并且符合達(dá)西定律。

(2)在鉆孔周圍區(qū)域煤層內(nèi)的不均質(zhì)性可忽略不計(jì),而且瓦斯壓力變化不影響煤層透氣性和滲透率的變化,透氣性和滲透率的改變只發(fā)生在鉆孔周圍的塑性區(qū)內(nèi)。

(3)煤體內(nèi)瓦斯被當(dāng)做理想氣體處理,并且滲流過程中溫度保持不變,瓦斯解吸可用朗格繆爾方程表達(dá)。

1.2 控制方程

煤層中的瓦斯在運(yùn)移過程中符合質(zhì)量守恒定律,我們可以得出瓦斯的方程[11]:

式中,mg為煤巖中的瓦斯質(zhì)量,kg;t為瓦斯擴(kuò)散時(shí)間,s;ρg 為游離態(tài)瓦斯的密度,kg/m3;υ為瓦斯?jié)B流速度,m/s。

煤體中有著許多的孔隙和裂隙,煤層瓦斯以游離態(tài)或者吸附態(tài)存在于這些孔隙和裂隙中,因此游離狀態(tài)瓦斯和吸附狀態(tài)瓦斯這兩部分用下式表示[12]:

式中,φ為煤層的孔隙率;ρ1 為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的瓦斯密度,kg/m3;ρm 為煤的密度,kg/m3;P為瓦斯壓力(達(dá)西定律物理場(chǎng)所求的變量),MPa;Lc為朗格繆爾常數(shù);Lp為朗格繆爾壓力,MPa。

在負(fù)壓作用下,瓦斯在煤層中的運(yùn)移可以看做滲流運(yùn)動(dòng),滿足達(dá)西定律,同時(shí)考慮到氣體滲流的克林肯伯格效應(yīng),把瓦斯的滲流速度用下式表示[13]:

式中,k為煤層的滲透率;mk為克林肯伯格系數(shù);μ為瓦斯動(dòng)力黏度;ΔP為壓力差,MPa。

由于把瓦斯看作理想氣體,因此游離在煤層孔隙的瓦斯含量可以用氣體狀態(tài)方程求得,具體如下式所示[14]:

式中,Mg為瓦斯的摩爾質(zhì)量,g/mol;R為氣體摩爾常數(shù);T為參考溫度,℃。

根據(jù)上述公式可建立瓦斯運(yùn)移方程。

1.3 模型定解條件

(1)初始條件。煤層中的瓦斯初始狀態(tài)按理想模型考慮,煤層中的初始瓦斯壓力值為2.92 MPa。

(2)邊界條件。該模型為理想模型,模型中邊界的壓力恒定不變,不存在壓力梯度;頂板和底板為不透氣巖層,不發(fā)生氣體交換;鉆孔中只存在抽采負(fù)壓。

1.4 幾何模型建立

根據(jù)表1中的煤體基本參數(shù)建立二維平面(局部超細(xì)化)20×200網(wǎng)格模型,如圖1所示。

圖1 二維平面模型

表1 煤體基本參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 不同鉆孔直徑對(duì)抽采效果的影響

圖2為抽采負(fù)壓為10 kPa,抽采時(shí)間為60 d,抽采鉆孔直徑分別為50 mm、75 mm、100 mm 的瓦斯壓力分布云圖。

圖2 不同鉆孔直徑的瓦斯壓力分布云圖

從圖2可以看出,隨著抽采鉆孔直徑的增大,瓦斯壓力控制范圍也在不斷增大。這是因?yàn)槌椴摄@孔直徑增大,鉆孔周圍的塑性區(qū)隨之?dāng)U大,塑性區(qū)中的裂隙擴(kuò)展形成弱化帶,煤體透氣性變高,有助于提高瓦斯抽采效果。

圖3為鉆孔周圍瓦斯壓力分布曲線。由圖3可知,距離鉆孔中心位置越遠(yuǎn),曲線斜率越小,這表示單個(gè)鉆孔控制的瓦斯壓力范圍是有限的,只有施工一定數(shù)量的鉆孔,瓦斯抽采效果才會(huì)得到提升。

圖3 鉆孔周圍瓦斯壓力分布曲線

同時(shí)應(yīng)該注意,雖然鉆孔直徑增大有助于提升瓦斯抽采效果,但是大直徑鉆孔施工難度較大,對(duì)技術(shù)、設(shè)備等要求較高,結(jié)合該礦的實(shí)際條件,選擇75 mm 的鉆孔直徑較為合適。

2.2 抽采負(fù)壓對(duì)抽采效果的影響

圖4為抽采時(shí)間為60 d,鉆孔直徑為75 mm,抽采負(fù)壓分別為10 kPa、15 k Pa、20 k Pa的瓦斯壓力分布云圖。

圖4 不同抽采負(fù)壓的瓦斯壓力分布云圖

從圖4可以看出,隨著抽采負(fù)壓的增加,鉆孔周圍的瓦斯壓力分布沒有明顯的變化。因此,在該礦條件下,改變抽采負(fù)壓對(duì)抽采效果的提升影響較小。

2.3 抽采時(shí)間對(duì)抽采效果的影響

圖5 為鉆孔直徑為75 mm,抽采負(fù)壓為10 kPa,不同抽采時(shí)間的瓦斯壓力分布云圖。

圖5 不同抽采時(shí)間的瓦斯壓力分布云圖

由圖5可知,隨著抽采時(shí)間的增加,抽采效果提升明顯,這是因?yàn)殡S著抽采過程的持續(xù)進(jìn)行,煤體骨架開始收縮變形,瓦斯?jié)撃艿玫匠浞值尼尫?極大地提升了瓦斯的抽采效果。

由圖6可看出,瓦斯抽采流量隨著時(shí)間增加而逐漸減小,直至一個(gè)極限值,這說明該條件下瓦斯抽采存在一個(gè)極限抽采時(shí)間,該極限值大概為90 d。

圖6 瓦斯抽采流量隨時(shí)間的變化曲線

造成這種現(xiàn)象的原因是隨著時(shí)間的增加,瓦斯的抽采和解吸也將逐漸平衡,瓦斯流場(chǎng)隨之穩(wěn)定,單個(gè)鉆孔所控制的抽采半徑達(dá)到極限,在這之后瓦斯抽采流量值將逐漸趨于零,因此,抽采時(shí)間最低應(yīng)該為90 d。

2.4 鉆孔間距對(duì)抽采效果的影響

由前文在討論可知,該條件下的抽采時(shí)間至少為90 d,而有關(guān)規(guī)定中要求煤層瓦斯必須小于0.74 MPa時(shí),才可以進(jìn)行揭煤工作。

圖7為90 d鉆孔附近瓦斯壓力分布曲線,觀察圖7可知,在抽采時(shí)間為90 d時(shí),鉆孔的有效抽采半徑在1.5～3 m 之間,即最佳的抽采鉆孔布置間距為3～6 m。

圖7 90d鉆孔附近瓦斯壓力分布曲線

圖8為鉆孔直徑為75 mm,抽采時(shí)間為50 d,抽采負(fù)壓為10 k Pa,抽采鉆孔布置間距分別為3 m、4.5 m、6 m 的瓦斯壓力分布云圖。

由圖8可以看出,隨著鉆孔間距的增加,鉆孔之間的抽采效果也在逐漸減弱。鉆孔間距較小時(shí),抽采有效范圍重疊,抽采效果顯著,隨著間距的增大,重疊范圍逐漸減小,抽采效果也隨之減弱。

圖9為抽采時(shí)間90 d時(shí)鉆孔附近瓦斯壓力分布曲線,當(dāng)間距為3 m 時(shí),鉆孔間的最大瓦斯壓力值為0.68 MPa;當(dāng)抽采間距為4.5 m 時(shí),兩個(gè)鉆孔之間的最大瓦斯壓力值為0.72 MPa;當(dāng)抽采鉆孔間距為6 m 時(shí),鉆孔之間的最大瓦斯壓力值為0.78 MPa。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(GB 41022—2021)[15]中規(guī)定,殘余瓦斯壓力應(yīng)當(dāng)小于0.74 MPa,因此合適的鉆孔間距選擇為3～4.5 m,同時(shí)考慮到充分利用鉆孔有效抽采半徑來取得最大經(jīng)濟(jì)利益,最終選擇鉆孔間距為4.5 m。

圖9 鉆孔附近瓦斯壓力分布曲線

3 工程實(shí)踐

3.1 揭煤區(qū)域基本情況

＋1168 m 軌道運(yùn)輸石門掘進(jìn)工作面布置在9號(hào)煤層底板至2號(hào)煤層底板巖石中,距主井口垂深364 m,該工作面所揭3 號(hào)煤層走向北西,傾向南西,為傾角20°～23°的單斜構(gòu)造,頂、底板巖石巖性為深灰色砂質(zhì)泥巖,煤層最大瓦斯壓力為2.92 MPa,瓦斯含量為18.85 m3/t,煤層破壞類型屬Ⅳ類,經(jīng)鑒定為突出煤層,礦井屬煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)探煤鉆孔情況分析,揭煤區(qū)域煤層厚為3.8～6.8 m,距3號(hào)煤層底板法線距離為7.6 m,按方位角α=240°,坡度i=4‰,以西掘69.3 m 后揭開3號(hào)煤層。

3.2 瓦斯預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)

在石門巷道兩側(cè)各施工一個(gè)硐室(硐室規(guī)格:深×寬×高=3 m×3 m×3 m),按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中關(guān)于石門揭煤鉆孔的要求,石門鉆孔預(yù)抽控制區(qū)域?yàn)槭T輪廓線外12 m,在該石門布置169個(gè)預(yù)抽鉆孔。根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果,設(shè)計(jì)抽采鉆孔直徑為75 mm,抽采時(shí)間為90 d,瓦斯抽采負(fù)壓為10 k Pa,孔深至3號(hào)煤層頂板0.5 m,終孔間距為4.5 m。

3.3 瓦斯預(yù)抽效果檢驗(yàn)

瓦斯預(yù)抽結(jié)束后,布置5個(gè)檢驗(yàn)鉆孔A、B、C、D、E,分別位于預(yù)抽瓦斯評(píng)價(jià)區(qū)域的上、中、下及兩側(cè),檢驗(yàn)鉆孔終孔位置處于預(yù)抽鉆孔終孔位置距邊緣不大于2 m 的范圍內(nèi)。檢驗(yàn)鉆孔經(jīng)測(cè)定后所得數(shù)據(jù)見表2。

表2 檢驗(yàn)鉆孔瓦斯壓力與瓦斯含量

經(jīng)過測(cè)定,檢測(cè)鉆孔中的最大瓦斯壓力值為0.57 MPa,最大瓦斯含量為5.1 m3/t,均低于《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(GB 41022—2021)中規(guī)定的范圍,同時(shí)在施工檢驗(yàn)鉆孔過程中未出現(xiàn)噴孔和頂鉆等異常現(xiàn)象。因此,認(rèn)為該區(qū)域的煤層突出危險(xiǎn)性已經(jīng)消除,揭煤工作可正常進(jìn)行。

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬分析得出:瓦斯抽采鉆孔直徑的增大使鉆孔周圍的塑性區(qū)范圍擴(kuò)大,抽采效果增強(qiáng);增加抽采時(shí)間對(duì)提升瓦斯抽采效果的作用十分明顯,但是在特定條件下存在一個(gè)極限抽采時(shí)間;該礦條件下,提高抽采負(fù)壓對(duì)抽采效果的提升不明顯;鉆孔間距的布置要根據(jù)極限抽采時(shí)間的有效抽采半徑確定,在保證抽采效果的同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

(2)根據(jù)模擬分析結(jié)果并結(jié)合礦井實(shí)際條件,設(shè)計(jì)瓦斯預(yù)抽鉆孔直徑為75 mm,抽采時(shí)間為90 d,抽采負(fù)壓為10 kPa,鉆孔布置間距為4.5 m,并應(yīng)用于＋1168 m 軌道運(yùn)輸石門掘進(jìn)工作面瓦斯預(yù)抽工程。預(yù)抽結(jié)束后,經(jīng)測(cè)定檢驗(yàn)鉆孔瓦斯壓力及瓦斯含量值,得出揭煤區(qū)域煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性已消除的結(jié)論。