馬嚴(yán)良 王 飛 侯利斌

（山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司五陽(yáng)煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

煤礦瓦斯的存在，嚴(yán)重影響煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)[1]。與世界上其他國(guó)家相比，我國(guó)煤與瓦斯突出最為嚴(yán)重[2]。近年來(lái)，煤層的開(kāi)采逐漸向縱深發(fā)展，深部煤層的瓦斯治理工作逐步開(kāi)展[3]。通過(guò)瓦斯抽采，降低煤層瓦斯含量，確保煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)刻不容緩。傳統(tǒng)瓦斯抽采，抽采周期較長(zhǎng)，效率較低，抽采成本高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)抽采鉆孔大面積覆蓋。

將水平多分支井的施工抽采方案應(yīng)用在瓦斯抽采方向，可使得瓦斯抽采效率進(jìn)一步提高。張軍義[4]等人將大直徑鉆孔與多分支瓦斯抽采鉆孔相結(jié)合，成功解決工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛瘸迒?wèn)題；李昭水[5]等人將水平多分支井地面瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用在錦源煤礦，經(jīng)過(guò)水平多分支井預(yù)抽，大幅降低了工作面煤層瓦斯含量，瓦斯預(yù)抽率達(dá)到30%至60%；李進(jìn)鵬[6]等人應(yīng)用多分支水平井對(duì)沙曲一礦瓦斯區(qū)域治理，較少的資源投入達(dá)到區(qū)域預(yù)抽目的；徐培遠(yuǎn)[7]等人通過(guò)引入地面多分支水平井與井下鉆孔對(duì)接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯預(yù)抽采。多分支瓦斯抽采技術(shù)，抽采時(shí)間短，同時(shí)可以大幅降低煤層瓦斯含量。較傳統(tǒng)抽采技術(shù)，降低成本的同時(shí)，具有大面積覆蓋率、瓦斯抽采濃度高等優(yōu)點(diǎn)。

施工多分支抽采鉆孔的主要設(shè)備為千米定向鉆機(jī)，當(dāng)前千米定向鉆機(jī)的應(yīng)用趨于成熟。陳祖國(guó)[8]論述了千米定向鉆機(jī)在新田煤礦9#煤層的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了順層條帶鉆孔長(zhǎng)距離大范圍預(yù)抽，保證了預(yù)抽期；李路廣[9]等人以大寧煤礦為工程背景，先后在本煤層鉆孔瓦斯抽采、煤層頂板穿層鉆孔瓦斯抽采、巖層底板穿層鉆孔瓦斯抽采等方面進(jìn)行了VLD 深孔千米定向鉆機(jī)瓦斯抽采現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯突出的有效管控；楊曉紅[10]等人論述了山西焦煤集團(tuán)各子分公司利用千米定向鉆機(jī)進(jìn)行瓦斯治理的主要布置應(yīng)用方式，分析了千米定向鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)與存在的問(wèn)題；岳延朋[11]介紹了王坡煤礦在千米定向鉆孔施工過(guò)程存在的問(wèn)題，提出了解決的方法和思路，通過(guò)施工試驗(yàn)，提高了效率。

對(duì)于多分支瓦斯抽采鉆孔的參數(shù)研究較少，無(wú)法發(fā)揮該方法的優(yōu)勢(shì)，有時(shí)甚至因?yàn)殂@孔參數(shù)設(shè)置的不合理，導(dǎo)致數(shù)百米的抽采鉆孔處于廢棄狀態(tài)。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，在整體施工設(shè)計(jì)階段，越來(lái)越多的利用模擬結(jié)果指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高企業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)節(jié)約大量成本[12]。

1 概況

五陽(yáng)煤礦是山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司所屬的一座大型現(xiàn)代化礦井，位于潞安礦區(qū)北東部邊緣，屬長(zhǎng)治市襄垣縣管轄。五陽(yáng)煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為3.00 Mt，礦井達(dá)產(chǎn)時(shí)安排2 個(gè)回采工作面和8個(gè)綜掘面。每個(gè)采區(qū)各安排1 個(gè)綜采工作面，工作面長(zhǎng)度為250 m，產(chǎn)量為1.20 Mt/a；4 個(gè)綜掘面總產(chǎn)量為0.3 Mt /a，掘進(jìn)速度300 m/月?；夭擅婕熬蜻M(jìn)面主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要參數(shù)表

五陽(yáng)煤礦3#煤層屬于低透氣性難抽放煤層，地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯治理難度大。近年來(lái)，隨著五陽(yáng)煤礦采掘區(qū)域不斷延伸，煤層埋深不斷加深，煤層原始瓦斯含量、壓力逐步增大，開(kāi)采危險(xiǎn)性增加。

五陽(yáng)煤礦80 采區(qū)，煤層內(nèi)瓦斯含量高，按照邊掘進(jìn)邊抽采的方式，會(huì)產(chǎn)生較大的安全生產(chǎn)隱患。面對(duì)瓦斯治理的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，結(jié)合采區(qū)巷道布置實(shí)際情況及近十年來(lái)的定向鉆機(jī)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)理論研討、初步方案制定、對(duì)標(biāo)學(xué)習(xí)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等多項(xiàng)舉措，最終制定了8000 底抽巷千米鉆機(jī)定向穿層區(qū)域預(yù)抽瓦斯治理方案，即采取向煤層區(qū)域打鉆，將多分支鉆孔深入待開(kāi)采煤層中。在開(kāi)采前，對(duì)煤層內(nèi)的瓦斯進(jìn)行充分的預(yù)抽采。施工方案示意圖如圖1。

圖1 五陽(yáng)煤礦80 采區(qū)煤層預(yù)抽采方案

在措施巷中布置鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)打鉆，形成抽采主鉆孔。接近預(yù)抽采煤層時(shí)，主鉆孔過(guò)渡為多分支鉆孔，進(jìn)而進(jìn)入預(yù)抽采煤層。在該方案的施工過(guò)程中，主鉆孔可采用大直徑鉆進(jìn)進(jìn)行打孔，其孔徑為0.1～0.45 m，分支鉆孔孔徑為0.1 m。因鉆孔距離較長(zhǎng)，主鉆孔直徑與角度對(duì)整體施工進(jìn)度與瓦斯抽采效果有顯著影響，需建立相關(guān)模型，對(duì)孔徑與角度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與選取，進(jìn)一步優(yōu)化施工方案。

2 多分支抽采鉆孔數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

瓦斯氣體在鉆孔中流動(dòng)時(shí)，同一時(shí)刻鉆孔內(nèi)流經(jīng)任意界面的氣體質(zhì)量相等，即氣體流動(dòng)的連續(xù)性方程：

式中：A1、A2為鉆孔截面積，m2；ρ1、ρ2為瓦斯氣體密度，kg/m3；v1、v2為瓦斯氣體體積流速，m3/s。

瓦斯氣體在鉆孔內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)，由于流速較快，來(lái)不及與鉆孔壁發(fā)生熱量交換，故可將孔內(nèi)氣體理想化為絕熱狀態(tài)，同時(shí)忽略高度對(duì)于氣體能量的影響，則有：

式中：k為絕熱指數(shù)；p1、p2為鉆孔內(nèi)瓦斯氣體壓力，Pa。

煤層打孔及瓦斯抽采過(guò)程中，由于外力的作用，煤層中的應(yīng)力平衡被破壞，導(dǎo)致孔隙率與滲透率發(fā)生變化。煤層中的瓦斯壓力、孔隙率、滲透率、外部應(yīng)力之間的關(guān)系可以表示為如下數(shù)學(xué)模型[13]：

式中：k為任意時(shí)刻煤體滲透率，m2；k0為煤體初始滲透率，m2；φ為任意時(shí)刻煤體孔隙率，%；φ0為煤體初始孔隙率，%；β為有效應(yīng)力系數(shù)；εV0為煤體初始體應(yīng)變；p0為初始瓦斯壓力，MPa；Ks為煤基質(zhì)體積模量，MPa；εs0為煤體初始吸附應(yīng)變；εV為任意時(shí)刻煤體的體積應(yīng)變；p為任意時(shí)刻瓦斯平衡壓力，MPa；εs為任意時(shí)刻煤體吸附應(yīng)變。

2.2 建立數(shù)值模擬模型

使用COMSOL Multiphysics 軟件對(duì)多分支井進(jìn)行建模仿真，COMSOL Multiphysics 軟件的優(yōu)勢(shì)在于多物理場(chǎng)的耦合仿真。在COMSOL 數(shù)值模擬軟件中，建立帶有主鉆孔與分支鉆孔的二維模型，如圖2 所示。在分支鉆孔的入煤點(diǎn)后方設(shè)置瓦斯入口，分支鉆孔匯聚后的下方為抽采主鉆孔，主鉆孔的直徑為D（m）。

圖2 多分支抽采鉆孔模型

邊界條件設(shè)置：瓦斯氣體入口位置為分支鉆孔入煤點(diǎn)后部區(qū)域，瓦斯氣體壓力為1 MPa；瓦斯氣體出口位置位于主鉆孔末端位置，氣體壓力為-0.2 MPa；該模型的其他位置設(shè)置為鉆孔孔壁。為了方便計(jì)算，將孔壁理想化為無(wú)氣體交換；瓦斯氣體在鉆孔內(nèi)高速流動(dòng)，忽略氣體與鉆孔壁之間的熱交換對(duì)于流速的影響。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

當(dāng)鉆孔內(nèi)的瓦斯氣體達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，計(jì)算不同主鉆孔直徑的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)，如圖3。

圖3 不同主鉆孔直徑的速度與壓力云圖

在主鉆孔出口端，將出口流速對(duì)于主鉆孔直徑進(jìn)行積分，以此積分值來(lái)表征出口位置處的流量。由于是二維模型，故該積分的單位為m2/s。

在主鉆孔直徑D為0.1 m 時(shí)，主鉆孔出口處的體積流量為125.94 m2/s。此時(shí)由于主鉆孔直徑與分支鉆孔直徑相等，三個(gè)分支鉆孔的氣體匯聚后，在出口附近，流速雖然有所增加，但是流量較低，如圖3（a）所示。從圖3（f）的壓力云圖可以看出，分支鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力較大，瓦斯氣體壓力不能有效卸掉。

在主鉆孔直徑D為0.2 m 時(shí)，主鉆孔出口處的體積流量為214.15 m2/s。此時(shí)由于主鉆孔直徑增加1 倍，出口的體積流量同樣增加，一定程度上改善了因主鉆孔狹小而限制抽采流量的問(wèn)題，如圖3（b）所示。但是從圖3（g）的壓力云圖可以看出，分支鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力仍然較大。

在主鉆孔直徑D為0.3 m 時(shí)，主鉆孔出口處的體積流量為311.86 m2/s。此時(shí)由于主鉆孔直徑的增加，主鉆孔出口處的瓦斯流量也相應(yīng)增加。從圖3（c）中可以看出，限制瓦斯流量的地方出現(xiàn)在主鉆孔與分支鉆孔交匯處的狹小地帶。從圖3（h）中可以看出，分支鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力迅速下降，抽采效果良好。

在主鉆孔直徑D為0.4 m 時(shí)，主鉆孔出口處的體積流量為378.66 m2/s，抽采主鉆孔直徑繼續(xù)增加，但是從圖3（d）中可以看出，主鉆孔左右兩側(cè)出現(xiàn)了速度較低區(qū)域，主鉆孔沒(méi)有充分利用，造成了浪費(fèi)。從圖3（i）中看到，分支鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力持續(xù)下降。

在主鉆孔直徑D為0.5 m 時(shí)，主鉆孔出口處的體積流量為477.17 m2/s，抽采主鉆孔直徑增加，同時(shí)調(diào)整主鉆孔角度。從圖3（e）可以看出，調(diào)整角度后的主鉆孔利用率有所增加，說(shuō)明主鉆孔的角度對(duì)于抽采效果有著一定程度的影響。從圖3（j）中看到，分支鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力繼續(xù)下降。

3 主鉆孔角度優(yōu)化

通過(guò)調(diào)整主抽采鉆孔角度，將其與最外側(cè)分支鉆孔相切。經(jīng)測(cè)算，在COMSOL 軟件中的二維模型中體現(xiàn)為主鉆孔水平方向的夾角為75°，主抽采鉆孔直徑減小至0.35 m，主抽采鉆孔兩側(cè)的低速度區(qū)域明顯減小，如圖4 所示，此時(shí)出口處的體積流量為403.88 m2/s。主抽采鉆孔角度調(diào)整的原則為主鉆孔孔壁盡量與分支鉆孔孔壁的切線方向一致，減少狹窄區(qū)域的出現(xiàn)。

圖4 主抽采鉆孔角度調(diào)整后流速云圖

對(duì)比不同主抽采鉆孔直徑與出口體積流量圖可以看出，未調(diào)整角度前，主抽采鉆孔直徑與出口體積流量之間的關(guān)系近似于一次函數(shù)，可以估算出在主抽采鉆孔直徑為0.35 m 時(shí)，出口處體積流量近似為345.26 m2/s。調(diào)整角度后，再次進(jìn)行模擬計(jì)算，出口處的流量達(dá)到403.88 m2/s，增加了16.98%，瓦斯抽采流量效果明顯，如圖5 所示。由此可見(jiàn)，主抽采鉆孔的角度對(duì)于瓦斯抽采量的影響顯著。

圖5 主抽采鉆孔直徑與出口體積流量圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在五陽(yáng)煤礦3#煤層8000 底抽巷應(yīng)用千米鉆機(jī)鉆孔進(jìn)入超前預(yù)抽區(qū)域進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。在鉆進(jìn)施工時(shí)，根據(jù)分支鉆孔所在位置，調(diào)整主抽采鉆孔與分支鉆孔之間的相對(duì)角度，盡量做到與分支鉆孔孔壁切線方向一致。

為了獲取瓦斯抽采數(shù)據(jù)，每個(gè)鉆孔均安裝“鉆孔匯流管激光瓦斯綜合參數(shù)測(cè)定儀”，進(jìn)行瓦斯抽采數(shù)據(jù)不間斷采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔抽采效果及抽采變化情況。

底抽巷千米鉆機(jī)定向穿層區(qū)域預(yù)抽單孔抽采純瓦斯量可達(dá)到1.5～3 m3/min，平均煤孔萬(wàn)米抽采純瓦斯量8 m3/min 左右，預(yù)抽區(qū)域三個(gè)月內(nèi)煤體瓦斯含量下降量約為0.8 m3/t·月，平均下降量約為0.5 m3/t·月，預(yù)抽一年后可實(shí)現(xiàn)區(qū)域瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。

通過(guò)實(shí)施多分支瓦斯預(yù)抽方案，通過(guò)優(yōu)化主鉆孔與分支鉆孔銜接角度，做到精益求精，掘進(jìn)工作面噸煤瓦斯治理費(fèi)用由68.92 元降低至31.09 元。與施工普通底抽巷穿層預(yù)抽鉆孔相比，能夠節(jié)約巷道掘進(jìn)費(fèi)用約4 362.6 萬(wàn)元，節(jié)約抽采工程施工費(fèi)用約2 860.23 萬(wàn)元，整個(gè)項(xiàng)目共節(jié)約費(fèi)用約7 222.83 萬(wàn)元，瓦斯預(yù)抽效果顯著。

5 結(jié)論

1）主抽采鉆孔直徑增加，有利于增加瓦斯抽采流量，同時(shí)有利于降低抽采分支鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力。

2）主抽采鉆孔的角度對(duì)于瓦斯流量的抽采有較大影響，角度調(diào)整的原則為主鉆孔孔壁盡量與分支鉆孔孔壁的切線方向一致，減少狹窄區(qū)域的出現(xiàn)。通過(guò)角度調(diào)整，出口處的瓦斯流量增加16.98%。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，抽采純瓦斯量高，預(yù)抽區(qū)域三個(gè)月內(nèi)煤體瓦斯含量下降量顯著，同時(shí)有效節(jié)約了掘進(jìn)工作面噸煤瓦斯治理費(fèi)用。

4）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)瓦斯抽采施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可以快速準(zhǔn)確直觀地找出設(shè)計(jì)方案的薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)解，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，節(jié)約成本，提高效率。