不同沖煤量對有效抽采半徑的影響規律研究

張　翔，辛程鵬，杜　鋒

(1.中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083；2. 貴州工程應用技術學院 礦業工程學院， 貴州 畢節 551700；3.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司，河南 鄭州 450000)

0　引言

隨著工作面推進速度的加快和開采深度的增加，煤層瓦斯含量越來越高，突出危險性增加，瓦斯治理難度增大[1-4]。礦井瓦斯影響著礦井的安全生產，瓦斯抽采是積極防治瓦斯災害的有效措施[4-5]。水力沖孔可利用高壓水射流使鉆孔周邊煤巖體應力降低，提高煤層透氣性，達到提高抽采量、消除突出危險性等目的[6-7]，是最有效的卸壓增透技術之一[8]。

部分學者針對水力沖孔做了相關研究。王凱等[9]采用壓力法和含量法對水力沖孔卸壓范圍進行了現場試驗考察，并模擬分析了水力沖孔鉆孔周圍煤體應力及透氣性變化規律；郝富昌等[10]分析了水力沖孔的卸壓增透效果和孔徑變化規律；魏建平等[11]闡述了水力沖孔措施的消突機理，確定了水力沖孔有效影響范圍；王兆豐等[12]通過數值模擬，確定了順層抽采的合理的抽采負壓、抽采時間及有效抽采半徑；陳攀等[13]結合水力沖孔技術在九里山礦的現場應用，對相關參數進行了優化，確定了水力沖孔有效影響半徑。

上述研究主要針對水力沖孔卸壓范圍、增透效果、鉆孔參數優化等進行研究，不同沖煤量對有效抽采半徑的影響研究尚需進一步加強。本文針對不同沖煤量對水力沖孔實施效果的影響，以中馬村礦為例，采用現場試驗、數值模擬等方法，開展了不同沖煤量對抽采半徑的影響規律研究。研究結果對于優化水力沖孔參數設計，提高瓦斯災害防治效果具有一定指導意義。

1　現場試驗

1.1　概況

中馬村礦位于河南省焦作市，采用立井單水平上下山開拓，后退式走向長壁分層開采，全部垮落法管理頂板。該礦屬于煤與瓦斯突出礦井，絕對瓦斯涌出量45～55 m3/min，相對瓦斯涌出量為30～40 m3/t。礦井主采山西組二1煤，埋深61～788 m，厚度0.1～13.53 m，平均厚度4.90 m，可采性指數0.94，建井后曾多次發生煤與瓦斯突出事故，最大突出煤量900 t，最大突出瓦斯量1.285×105m3。礦井主要采取底抽巷穿層抽采的區域防突措施。

1.2　試驗方案

鉆孔瓦斯抽采半徑主要與煤層瓦斯含量、透氣性系數、鉆孔直徑等因素有關。根據現場實際，結合礦井采掘接替和鉆孔施工計劃，選定在27001回風底抽巷進行試驗。

根據現場條件，設計施工3組水力沖孔鉆孔，每組鉆孔間距15 m，每組布置5個鉆孔，鉆孔布置如圖1所示，鉆孔設計圖如圖2所示。鉆孔施工完成后進行水力沖孔，每天對瓦斯抽采量進行測定，擬合瓦斯抽采量衰減曲線，分析瓦斯抽采量衰減規律，最終確定在不同沖煤量下水力沖孔鉆孔抽采有效半徑。

圖1　鉆孔布置示意Fig.1　Layout of drill boreholes

圖2　鉆孔設計Fig.2　Design of drill boreholes

1.3　試驗結果及分析

施工鉆孔的瓦斯賦存、施工工藝等條件基本一致，單位沖煤量不同，可認為造成鉆孔有效抽采半徑差異的關鍵性因素是單位沖煤量。

每米鉆孔瓦斯抽采量Q與時間t的關系為:

Q=Q0e-at

(1)

式中:Q0為每米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3；a為鉆孔瓦斯流量衰減系數。

根據質量守恒定律可以得到：

(2)

式中:M為煤層原始瓦斯含量，m3/t；η為煤層瓦斯抽采率；ρ為煤體密度，t/m3；r2為抽采半徑，m；r1為鉆孔半徑，m，L為鉆孔長度，m。

根據現場跟蹤的抽采數據，由式(1)、(2)計算后，可得到了鉆孔有效抽采半徑與單位沖煤量的對應關系。如圖3所示。

圖3　不同抽采周期不同沖煤量與有效抽采半徑的對應Fig.3　Correspondence graph of different punching coal amount and effective gas drainage radius in different extraction period

由圖3可知，抽采半徑隨單位沖煤量的增加而增大，增大速度成衰減趨勢，從而得到不同抽采周期不同沖煤量條件下的有效抽采半徑，如表1所示。

表1　不同抽采周期不同沖煤量條件下的有效抽采半徑

現場經驗及分析表明，中馬村礦水力沖孔最佳抽采期為90 d，有效抽采半徑可達到極限值(抽采360 d的有效抽采半徑)的96%左右。

通過上述分析可得，水力沖孔有效抽采半徑隨單位沖煤量的增加而增大，增大速度逐漸變緩。抽采90 d，單位沖煤量為1,1.5,2 t/m的有效抽采半徑分別為3.21,3.5,3.73 m。

2　數值模擬

為了進一步分析不同沖煤量對抽采半徑的影響規律，本文采用Comsol軟件模擬分析水力沖孔后瓦斯抽采有效影響半徑和孔洞周圍瓦斯壓力分布情況。

2.1　基本假設

瓦斯在煤層中的流動，按空間流向類型可分為: 單向流動、徑向流動和球向流動；按時間流向分為穩定流場和非穩定流場[14]。本文假定當煤體中的游離態瓦斯發生滲流引起瓦斯濃度梯度升高時，吸附態瓦斯瞬間轉化為游離態瓦斯，僅從宏觀角度來研究瓦斯的運移。提出假設如下：煤層中只有單相飽和的瓦斯流體，煤體是均勻連續介質；煤層瓦斯壓力的變化不影響煤層滲透性系數及煤體孔隙率；煤層頂底板的滲透率非常小，瓦斯只在煤層中流動；煤體中吸附狀態和游離狀態的瓦斯分別服從修正的Langmuir吸附平衡方程和理想氣體狀態方程；瓦斯在煤層中的滲流規律符合達西定律。

2.2　理論模型

2.2.1瓦斯在煤層內流動的連續性方程

(3)

2.2.2滲流場方程

根據基本假設，瓦斯在煤層中的流動符合達西定律：

(4)

式中：q為氣體流速，m/s,k為煤體的滲透率，m2；μ為瓦斯氣體黏性系數，取1.087×10-5Pa·s。

煤體中吸附狀態和游離狀態的瓦斯分別服從修正的Langmuir吸附平衡方程和理想氣體狀態方程：

(5)

(6)

式中：Q為單位體積含瓦斯煤的瓦斯含量，kg/m3，a為單位質量可燃物在參考壓力下的極限吸附量，m3/kg；b為吸附常數，Pa-1；C為煤質校正參數，kg/m3；ρ為煤體密度，kg/m3；φ為孔隙率。

由式(3)～(6)可得滲流場方程：

(7)

可以得出瓦斯滲流方程的嵌入方程：

(8)

2.3　幾何模型及邊界條件

根據水力沖孔現場應用經驗，建立模型尺寸為80 m×13 m，頂底板尺寸均為80 m×5 m，煤層尺寸為80 m×3 m，鉆孔布置在模型中心。上覆巖層壓力為10 MPa，鉆孔直徑為 94 mm，抽采負壓為30 kPa，初始瓦斯壓力為 1.2 MPa，水力沖孔孔洞簡化為類橢球體[15]。幾何模型示意圖如圖4所示。

圖4　幾何模型示意Fig.4　Geometric model diagram

通過現場實測和實驗室測定，基本參數見表2。

表2　基本參數

本模型邊界條件為：邊界上壓力確定，為定值；邊界上流量確定，為定值。

2.4　結果分析

不同沖煤量條件下，抽采時間30,90 d時的瓦斯壓力分布圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，瓦斯壓力隨著距孔洞中心距離的增加而逐漸增大，直至接近原始瓦斯壓力。但受鉆孔瓦斯抽采的影響，隨著抽采時間的增加，孔洞周圍卸壓范圍逐漸擴大，抽采的有效影響范圍逐漸擴大，有效抽采半徑增加。

圖5　不同沖煤量抽采30,90 d瓦斯壓力分布Fig.5　Nephogram of gas pressure distribution in different punching coal amount after 30，90 days extraction

為進一步考察不同沖煤量對瓦斯抽采有效影響半徑的影響，以孔洞右側x軸上端點為(40,1.5)和(60,1.5)的線段作為監測線，繪制出不同沖煤量不同抽采時間瓦斯壓力分布圖，結果如圖6所示。

圖6　不同沖煤量不同抽采時間瓦斯壓力分布曲線Fig.6　Gas pressure distribution curve of different punching coal amount after different extraction period

從模擬結果可知，當抽采時間一定時，有效抽采半徑與單位沖煤量呈現正相關，單位沖煤量增加，有效抽采影響半徑逐漸增大，但增大趨勢逐漸減弱；當單位沖煤量一定時，有效抽采半徑與抽采時間呈現正相關，有效抽采半徑隨著抽采時間增加逐漸增大。抽采90 d，單位沖煤量為 0.5,1,1.5,2 t/m的有效抽采半徑分別為3.05,3.45,3.61,3.88 m。

3　結論

1)現場試驗和數值模擬結果表明，水力沖孔抽采時間一定時，有效抽采半徑隨著單位沖煤量的增加逐漸增大，但增大趨勢逐漸減弱。單位沖煤量一定時，有效抽采半徑隨著抽采時間增加逐漸增大。

2)數值模擬結果表明，抽采90 d，單位沖煤量為1，1.5，2 t/m的有效抽采半徑分別為3.45,3.61,3.88 m。與礦井現場試驗得到的結論基本一致。結論有助于優化水力沖孔設計參數，提高抽采效率。

3)利用不同沖煤量對有效抽采半徑的影響規律，結合現場確定的單位沖煤量，通過合理布置水力沖孔鉆孔，可有效提高水力沖孔抽采效果，消除突出危險性。

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