牛金明,李金華

(山西潞安集團(tuán) 司馬煤業(yè)公司,山西 長(zhǎng)治 047105)

瓦斯抽采技術(shù)在我國(guó)歷經(jīng)幾十年發(fā)展,煤礦瓦斯災(zāi)害防治方面具有舉足輕重的作用[1-2]。瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn),目前多采用瓦斯抽采的方法從根本上對(duì)瓦斯災(zāi)害進(jìn)行治理[3-4]。其中,鉆孔抽采是最常用的抽采技術(shù)措施[5-6],鉆孔間距是影響瓦斯抽采效果的重要參數(shù),合理的鉆孔間距布置既可以避免抽采空白區(qū),又可以有效降低抽采成本[7-8]?；诖?Wu Bing等[9]利用FLAC3D軟件,進(jìn)行了井下瓦斯抽采模擬,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致。王兆豐等[10]通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算了瓦斯抽采鉆孔的合理抽采負(fù)壓和有效抽采半徑。Liu等[11]分析瓦斯抽采過(guò)程中多個(gè)鉆孔的疊加效應(yīng),發(fā)現(xiàn)多個(gè)鉆孔同時(shí)抽采會(huì)影響單個(gè)鉆孔的抽采效率和影響范圍。陳月霞等[12]以有效抽采半徑、疊加效應(yīng)、三維瓦斯壓力等壓面的形狀及有效抽采區(qū)域體積大小為指標(biāo)的鉆孔間距數(shù)值計(jì)算考察方法,為煤礦井下鉆孔間距優(yōu)化布置提供參考。綜上所述,瓦斯抽采鉆孔的布置應(yīng)基于其有效抽采半徑,并兼顧瓦斯抽采效果和工程成本[13]。

司馬煤業(yè)由于煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、透氣性差,是低瓦斯難抽采煤層的典型代表[14-15]。由于缺乏理論以及實(shí)踐支撐,導(dǎo)致礦井的瓦斯抽采效果達(dá)不到預(yù)期,影響煤礦的安全開(kāi)采。因此本文依據(jù)實(shí)測(cè)儲(chǔ)層參數(shù),采用了COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件對(duì)司馬煤業(yè)3號(hào)瓦斯有效抽采半徑進(jìn)行模擬優(yōu)化,并通過(guò)瓦斯壓力降低法,在1208運(yùn)巷610～710 m處展開(kāi)試驗(yàn),得到該3號(hào)煤層的瓦斯抽采有效半徑,對(duì)模擬優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,為司馬煤業(yè)3號(hào)煤層瓦斯抽采方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 瓦斯地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造特征

司馬煤業(yè)位于山西省東南部,沁水煤田的東部,長(zhǎng)治以南4 km,井田位于晉(城)～獲(鹿)褶斷帶南段的主要構(gòu)造形跡長(zhǎng)治大斷裂的西側(cè),西接武～陽(yáng)凹褶帶,構(gòu)造形跡呈“多”字型排列規(guī)律。井田總體呈一走向NNE,傾向NW,傾角4°的單斜構(gòu)造,并伴有寬緩褶曲和少量斷裂構(gòu)造,無(wú)巖漿巖侵入[16]。

1.2 煤層及瓦斯

3號(hào)煤層位于山西組中下部,為當(dāng)前主采煤層[17],煤層平均埋深440 m,煤層厚5.47～7.80 m,平均6.62 m.3號(hào)煤最大鏡質(zhì)組反射率為1.67%～1.83%,屬貧煤-貧瘦煤;煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主,實(shí)測(cè)煤體堅(jiān)固性系數(shù)為0.60～0.68,瓦斯放散初速度為12.8～16.0;3號(hào)煤層瓦斯吸附常數(shù)a介于34.15～38.36 m3/t,b介于0.58～0.68 MPa-1.礦井在3號(hào)煤層1208運(yùn)輸巷和1303回風(fēng)巷實(shí)測(cè)瓦斯含量4.38～6.02 m3/t,實(shí)測(cè)瓦斯壓力0.20～0.43 MPa.

2 瓦斯抽采半徑數(shù)值模擬優(yōu)化

2.1 物理模型建立

本文主要利用了COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件對(duì)瓦斯抽采半徑模擬優(yōu)化,通過(guò)建立模型,對(duì)實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析,確定合適的鉆孔間距以及抽采時(shí)間。模型模型長(zhǎng)×高為20 m×6 m,孔徑深度和直徑分別為120 m和94 mm,煤層埋深440 m,垂直方向承載上覆巖層的重力作用于圖中AB面,為10 MPa,兩側(cè)邊界AC面、BD面受側(cè)壓力影響,為2.5 MPa,煤層初始瓦斯壓力賦值0.51 MPa,煤層瓦斯含量6.02 m3/t.

圖1 垂直于鉆孔的煤體幾何模型

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 3號(hào)煤層基本參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本次建立孔群抽采的數(shù)值模型,分析不同鉆孔間距(4 m、5 m、6 m)條件下的鉆孔周邊煤層瓦斯壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。圖2為抽采過(guò)程中1 d、15 d、30 d和90 d時(shí),不同間距抽采下垂向煤層瓦斯壓力分布云圖。

圖2 不同孔距垂向鉆孔瓦斯抽采壓力分布

不同孔距抽采瓦斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力變化曲線(xiàn)如圖3所示。由圖可知:

圖3 不同孔距抽采瓦斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力變化曲線(xiàn)

1) 測(cè)試點(diǎn)的瓦斯壓力隨抽采時(shí)間的增大而降低,且瓦斯壓力的降低速率整體上隨時(shí)間的增大而減小,即呈現(xiàn)出減速降低的趨勢(shì)。

2) 抽采前7 d瓦斯壓力降低的趨勢(shì)較為明顯,當(dāng)超過(guò)30 d后,瓦斯壓力降低的速率變化較小,基本呈現(xiàn)出線(xiàn)性減低的趨勢(shì)。

3) 不同鉆孔間距情況下,瓦斯壓力降低基本呈現(xiàn)出相同的降低趨勢(shì)。鉆孔間距越小,瓦斯壓力越小,即增加抽采孔的密度可有效減低瓦斯壓力。

不同孔距抽采瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示,由圖可知:

圖4 不同孔距抽采瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

1) 煤層內(nèi)的瓦斯殘存壓力隨鉆孔間距的增大而增大,并隨抽采時(shí)間的增大而減小;

2) 相比于抽采30～60 d,抽采60～90 d的煤層殘存壓力變化較小,這表明在抽采60 d后煤層殘存壓力趨向于穩(wěn)定;

3) 《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求抽采后的瓦斯壓力應(yīng)降低至原煤層瓦斯壓力的60%以下,在抽采60 d后,孔距為4 m、5 m和6 m的情況下,瓦斯壓力分別降低至初始值的47%、53%和63%.

3 瓦斯抽采半徑測(cè)試

采用有效抽采半徑的方法對(duì)司馬煤礦3號(hào)煤層二采區(qū)1208運(yùn)巷進(jìn)行模擬研究。

3.1 測(cè)試方法

可以按照不同礦井的實(shí)際條件選擇合適的瓦斯抽采半徑測(cè)試方法,目前對(duì)鉆孔瓦斯抽采有效半徑的測(cè)定應(yīng)用主要為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法,但考慮到司馬煤業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作條件復(fù)雜,選用鉆孔瓦斯壓力下降法對(duì)3號(hào)煤層的瓦斯抽采半徑進(jìn)行考察,選用拋物線(xiàn)方程來(lái)近似取代煤層瓦斯含量曲線(xiàn):

(1)

式中:X為瓦斯含量,kg/m3;a為煤層瓦斯含量系數(shù);P為瓦斯壓力,MPa.

按照《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》等要求煤層瓦斯預(yù)抽率要大于30%.瓦斯壓力代入瓦斯含量可得,當(dāng)瓦斯預(yù)抽率為30%以上時(shí),抽采后的殘余瓦斯壓力應(yīng)小于原始瓦斯壓力49%.即瓦斯壓力下降量應(yīng)大于原始瓦斯壓力的51%,基于瓦斯含量的相對(duì)壓力測(cè)定有效半徑技術(shù)依據(jù)該原理來(lái)得出。

3.2 施工方案

根據(jù)司馬煤業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行抽采鉆孔設(shè)計(jì),鉆孔布置如圖5所示。測(cè)試地點(diǎn)位于二采區(qū)在1208運(yùn)巷610～710 m處,共布置15個(gè)鉆孔,其中抽采孔10個(gè),測(cè)壓孔5個(gè)(分別為1～5號(hào)孔)。各組測(cè)壓孔與抽采孔間距依次取1.5 m、2 m、2.5 m、3 m和3.5 m,每組間隔25 m,抽采孔和測(cè)壓孔傾角均為5°,方位垂直于煤壁,封孔長(zhǎng)度均為50 m,孔深均為65 m,開(kāi)孔高度1.7 m,鉆孔直徑94 mm.

圖5 鉆孔布置圖

首先施工Φ94 mm的測(cè)壓鉆孔,壓力測(cè)定采用4分無(wú)縫鋼管,封孔深度為45 m,采用1.0 MPa標(biāo)準(zhǔn)壓力表。測(cè)試點(diǎn)鉆孔布置如圖5所示,每天測(cè)試次數(shù)不少于1次,觀(guān)測(cè)不少于80 d,抽放期間要保證抽放負(fù)壓基本維持穩(wěn)定。

3.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)壓鉆孔采用被動(dòng)測(cè)壓法觀(guān)測(cè)25 d左右,瓦斯壓力穩(wěn)定后,施工抽采孔并接入礦井已有的預(yù)抽管路進(jìn)行瓦斯抽采。由于預(yù)抽鉆孔的瓦斯抽采半徑會(huì)受到很多因素的影響,包括煤層瓦斯壓力、鉆孔直徑、抽采時(shí)間、抽采負(fù)壓等因素。因此,本次壓力測(cè)試過(guò)程中的鉆孔直徑為Φ94 mm,測(cè)定煤層相對(duì)瓦斯壓力介于0.36～0.43 MPa,抽采負(fù)壓為23 kPa左右,考察抽采時(shí)間最大為80 d.同時(shí)對(duì)司馬煤業(yè)1208運(yùn)巷5個(gè)測(cè)壓鉆孔壓力值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分別對(duì)測(cè)壓鉆孔抽采40 d、60 d、80 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出:當(dāng)抽采天數(shù)為60 d時(shí),1號(hào)和2號(hào)壓力測(cè)試鉆孔中瓦斯壓力下降幅度均超過(guò)51%,抽采半徑為1.5 m和2 m均滿(mǎn)足瓦斯抽采有效半徑的確定指標(biāo),因此確定3#煤層抽采半徑為2 m;當(dāng)抽采天數(shù)為80 d時(shí),1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)壓力測(cè)試鉆孔中瓦斯壓力下降幅度均超過(guò)51%,抽采半徑為1.5 m、2 m、2.5 m和3 m均滿(mǎn)足瓦斯抽采有效半徑的確定指標(biāo),因此確定3號(hào)煤層抽采半徑為3 m.

綜合以上可知,司馬煤業(yè)3號(hào)煤層抽采天數(shù)為60 d以下,選擇抽采半徑為2 m時(shí)較為合適;3號(hào)煤層抽采天數(shù)為60～80 d,選擇抽采半徑為2～3 m時(shí)較為合適;3號(hào)煤層抽采天數(shù)為80 d以上,選擇抽采半徑為3 m時(shí)較為合適。通過(guò)以上對(duì)3號(hào)煤層瓦斯抽采半徑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),得到測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力統(tǒng)計(jì)表,見(jiàn)表3.

表3 測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸,得到3號(hào)煤層瓦斯抽采有效半徑與抽采天數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)圖如圖6所示。根據(jù)司馬煤業(yè)3號(hào)煤層瓦斯抽采半徑和抽采天數(shù)關(guān)系圖得出回歸方程:Y=1.518 4ln(x)-3.491 4,相關(guān)性為0.972 4.由于本次瓦斯抽半徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定時(shí)間為80 d,測(cè)定時(shí)間較短。礦方在實(shí)際生產(chǎn)中,可根據(jù)以上公式按照實(shí)際抽采天數(shù)判定煤層瓦斯抽采半徑數(shù)值,但3號(hào)煤層最大瓦斯抽采半徑不超過(guò)4.72 m.

圖6 3號(hào)煤層瓦斯抽采半徑與天數(shù)關(guān)系圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)3號(hào)煤層瓦斯抽采半徑與數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行比較,當(dāng)抽采天數(shù)為60 d時(shí),抽采半徑為2.5 m時(shí)滿(mǎn)足瓦斯抽采有效半徑的確定指標(biāo);當(dāng)抽采天數(shù)達(dá)到90 d時(shí),抽采半徑為2.5 m和3 m時(shí)均滿(mǎn)足瓦斯抽采有效半徑的確定指標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定結(jié)果與瓦斯抽采半徑數(shù)值模擬結(jié)果基本相符。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)模擬結(jié)果,司馬煤業(yè)3號(hào)煤層在抽采60 d以后,瓦斯壓力的下降幅度趨于緩慢,從經(jīng)濟(jì)角度考慮合理抽采時(shí)間為60 d.抽采60 d后,在鉆孔間距為4 m以及5 m的情況下,瓦斯壓力可降至煤層瓦斯原始?jí)毫Φ?0%以下,布置4～5 m孔距符合瓦斯抽采標(biāo)準(zhǔn)。

2) 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),當(dāng)抽采天數(shù)為60 d時(shí),抽采半徑為1.5 m和2 m均滿(mǎn)足瓦斯抽采有效半徑的確定指標(biāo),確定3號(hào)煤層抽采半徑為2 m;當(dāng)抽采天數(shù)為80 d時(shí),抽采半徑3 m可滿(mǎn)足瓦斯抽采有效半徑的確定指標(biāo)。

3) 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合,可確定為司馬煤業(yè)3號(hào)煤層最佳抽采天數(shù)為60～80 d,同時(shí)選擇抽采半徑為2～3 m時(shí)較為合適;可按照實(shí)際抽采天數(shù)判定煤層瓦斯抽采半徑數(shù)值,但3號(hào)煤層最大瓦斯抽采半徑不超過(guò)4.72 m.