順層鉆孔抽采有效半徑影響因素及測定方法研究

程虹銘，李永明，董川龍

(大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003)

順層鉆孔抽采有效半徑影響因素及測定方法研究

程虹銘，李永明，董川龍

(大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003)

基于順層鉆孔抽采瓦斯氣-固耦合模型，從煤層賦存參數、抽采參數兩個方面分析有效半徑影響因素,表明：初始滲透率對有效半徑影響最大；其次是初始瓦斯壓力，與有效半徑成反比關系；抽采時間在很大程度上控制著有效半徑，有效半徑的測定應與抽時間建立關系。提出以抽采殘余瓦斯含量為考察指標的有效半徑測定方法，建立有效半徑與抽采時間的關系，進而結合具體礦井采-掘-抽接替計劃確定有效半徑，測定更為普遍適用，該方法在霍爾辛赫煤礦得到了驗證。

順層鉆孔；有效半徑；殘余瓦斯含量；測定方法

順層鉆孔抽采有效半徑(簡稱“有效半徑”)是指單個順層鉆孔在一定抽采時間內沿其徑向方向能夠達到“抽采目標”的最小抽采影響范圍，它是本煤層瓦斯抽采的基礎參數及布孔的重要依據[1-3]。其測定方法有：現場測定法(瓦斯壓力指標法[4]、瓦斯流量法[5]、鉆屑指標法[6]、示蹤氣體法[7])和理論分析計算法(滲流力學分析法[8]、數值模擬法[9-10])，各測定方法的指標主要是瓦斯壓力、相對瓦斯壓力、瓦斯含量等。盡管測定方法眾多，但同一地點采用不同測定方法得出的有效半徑差別較大，究其原因有二：一是有效半徑影響因素眾多；二是確定指標選取不合理。基于此，本文以霍爾辛赫礦有效半徑的確定為工程背景，建立順層鉆孔抽采瓦斯氣-固耦合模型，利用COMSOL軟件厘清各影響因素；選取合理的有效半徑考察指標；提出一種普遍適用的有效半徑測定方法。

1 有效半徑影響因素研究

1.1 氣-固耦合模型建立

含瓦斯煤巖是一種孔隙-裂隙雙重介質，煤巖的孔隙發育程度決定煤巖的吸附、滲透和強度等特性，孔隙發育程度一般用孔隙率表示，孔隙率計算表達式見式(1)[11-12]。

(1)

根據Kozeny-Carman方程可得滲透率隨孔隙率變化方程見式(2)。

(2)

式中：Vb0、Vb分別為變形前后裂隙體積；V0、V分別為變形前后煤體外觀體積；Vg0為變形前煤體骨架體積；φ0為初始空隙率；k0為初始滲透率；Δp為瓦斯壓力的變化值；εv為體應變；Ks為體積壓縮系數。

將含瓦斯煤巖體看作線性各向同性材料。考慮孔隙壓力和煤巖吸附瓦斯產生的膨脹應力得式(3)。

(3)

以位移表示的考慮孔隙壓力和吸附膨脹應力的煤巖體變形方程見式(4)。

(λ+G)·uj,ji+Gui,jj+Fi+(αp+σp),i=0

(4)

抽采過程中，瓦斯流場按等溫處理，瓦斯流動遵循質量守恒定律和達西定律，煤體吸附瓦斯滿足朗格繆爾方程，可得抽采鉆孔滲流場方程見式(5)。

(5)

式中：a、b為煤的吸附常數；c為煤的校正系數；ρ為煤體密度，kg/m3；μ為瓦斯動力黏度系數，Pa·s；pn為標準大氣壓，MPa。

聯立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可得順層鉆孔抽采瓦斯氣-固耦合動態演化模型。

1.2 有效半徑影響因素分析

本文研究以霍爾辛赫煤礦現場采用的一組順層預抽鉆孔基本參數為依據，鉆孔直徑為94 mm，垂直煤壁施工，施工深度為100 m，封孔深度為10 m。模擬采用的基本參數見表1。

表1 模擬所用的基本參數

物理模型如圖1所示，其長×寬×高為200 m×50 m×5 m。模型上部施加σ0初始載荷，左右為輥支撐，底部為固定約束；四周為零通量不透氣邊界，內部有p0的初始瓦斯壓力；鉆孔的封孔段設置為不透氣邊界，封孔段以里為抽采負壓段，巷道煤壁處為井底大氣壓力。

有效半徑影響因素眾多，根據相關文獻及現場實際情況，選取初始瓦斯壓力、初始煤層滲透率、抽采負壓、抽采時間、鉆孔直徑作為研究對象，具體如下所述。

1)初始瓦斯壓力。圖2(a)為煤層初始瓦斯p0分別為0.8 MPa、1.3 MPa和1.8 MPa(對應初始瓦斯含量Q0分別為8.84 m3/t、12.48 m3/t、15.16 m3/t)下，抽采90 d時鉆孔周圍煤層的瓦斯含量曲線圖。以抽采殘余瓦斯為8 m3/t為抽采目標，可以看出：p0為0.8 MPa有效半徑為1.82 m；p0為1.3 MPa、1.8 MPa時，有效半徑均不足1 m，分別為0.50 m、0.30 m，但其抽采影響范圍確較大。圖2(b)為有效半徑隨p0變化曲線，初始瓦斯壓力越大，有效半徑越小。

圖1 順層鉆孔抽采瓦斯物理模型

圖2 不同初始瓦斯壓力下，抽采90 d

2)初始滲透率。圖3(a)為煤層初始滲透率k0為1.5×10-18m2、4.5×10-18m2、7.5×10-18m2時，抽采90 d的鉆孔周圍煤層瓦斯含量變化曲線圖，k0對有效半徑影響較大。圖3(b)為有效半徑隨k0變化曲線，有效半徑隨著k0的增大有明顯增大，抽采90 d時，對應初始滲透率的有效半徑分別為1.82 m、3.50 m、5.0 m。

3)抽采負壓。圖4為抽采負壓h0分別為25 kPa、20 kPa、15 kPa，抽采90 d鉆孔周圍瓦斯含量變化曲線，有效半徑分別為1.65 m、1.82 m、2.10 m。負壓的增高，小范圍內增大了有效半徑。

4)抽采時間。圖5(a)、圖5(b)不同抽采時間內，鉆孔周圍瓦斯含量變化曲線和有效半徑隨時間變化曲線。隨著抽采時間的加大，有效半徑也增大，且影響效果顯著。

圖3 不同初始滲透率，抽采90 d

圖4 不同抽采負壓下，抽采90 d瓦斯含量變化曲線圖

圖5 不同抽采時間內，瓦斯含量及有效半徑變化曲線圖

圖6 不同鉆孔直徑下，鉆孔周圍瓦斯含量變化曲線

5)鉆孔直徑。圖6直徑分別為89 mm、94 mm、108 mm下，抽采90 d鉆孔周圍瓦斯含量變化曲線，抽采有效半徑分別為1.80 m、1.85 m、1.91 m，鉆孔直徑只在小范圍內影響抽采半徑。

由以上分析可得：初始滲透率對有效半徑影響最大；其次是煤層初始瓦斯壓力，其與抽采半徑成反比關系；抽采負壓和鉆孔直徑影響較小；同一煤層，抽采時間在很大程度上控制著有效半徑。因此，有效半徑的測定應重點建立與抽采時間的關系。

2 基于殘余瓦斯含量有效半徑測定法

2.1 指標選取

目前，有效半徑的測定多以瓦斯壓力為指標，但松軟煤層封孔難度大、低滲煤層孔間干擾大，這都會造成瓦斯壓力測定值失真。依據《防治煤與瓦斯突出規定》、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》及《煤礦瓦斯抽采基本指標》對抽采效果考察標準，提出以抽采殘余的瓦斯含量作為有效半徑測定指標，具體實施如下所述。①以殘余瓦斯含量8 m3/t作為評判指標，Qc1=8 m3/t。②以預抽率大于30%作為評判指標，Qc2=Q×(1-η)=0.7Q。③在瓦斯涌出量主要來自于開采層的采煤工作面，以殘余可解吸瓦斯量Qckj作為評判指標，Qc3=Qckj+Qbj；其中Qbj為常溫不可解吸瓦斯含量，采用朗繆爾公式計算。④對瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，以瓦斯抽采率η作為評判指標，Qc4=Q×(1-η)。

綜上所述，鉆孔抽采瓦斯有效半徑根據抽采達到的目的，選取的殘余瓦斯含量指標Qc=min(Qc1，Qc2，Qc3，Qc4)。

2.2 測定方法

1)在預抽區域，選取構造簡單、煤層賦存穩定區域，在同一水平高度垂直煤壁依次間隔不同距離(根據瓦斯賦存情況可按2 m、3 m、4 m、5 m……)布置1組常規抽采鉆孔，如圖7所示。

圖7 基于殘余瓦斯含量有效半徑測定法現場施工示意圖

2)對這組抽采鉆孔進行封孔、聯管抽采，并連續測定抽采參數(抽采濃度、抽采流量)。抽采一段時間后(根據情況可以是30 d、60 d……)，按《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》，依次在這組抽采鉆孔中間施工考察鉆孔1′、2′、3′、4′，測定抽采后殘余瓦斯含量(Q′1、Q′2、Q′3、Q′4)。

3)為考察抽采隨時間的變化，重復步驟1)、2)布置n組測定不同抽采時間后殘余的瓦斯含量。

4)根據測定結果，建立以橫坐標為鉆孔間距、縱坐標為殘余瓦斯含量的不同抽采時間殘余瓦斯含量變化曲線。

5)根據有效半徑考察指標Qc可確定出不同抽采時間的有效半徑d。以抽采時間為橫坐標、有效半徑為縱坐標擬合有效半徑隨抽采時間的變化曲線，進而根據礦井采-掘-抽接替計劃確定抽采時間及有效半徑。

2.3 現場試驗

霍爾辛赫煤礦主采3#煤層，煤層傾角為5°左右，煤厚4.49～7.17 m，平均5.65 m，煤的破壞類型為Ⅱ-Ⅲ類，煤層瓦斯壓力測定難度大，曾測得的最大瓦斯壓力為0.52 MPa，平均瓦斯含量為8～10 m3/t。在3302回風順槽選取100 m寬的試驗區，抽采鉆孔及考察鉆孔布置按圖7所示。A組布置5個常規抽采鉆孔1、2、3、4、5，間距分別為2 m、3 m、4 m、5 m，抽采時間30 d。根據《煤層井下瓦斯含量測定方法》施工考察鉆孔1′、2′、3′、4′測定抽采殘余瓦斯含量。以同樣的方法布置B、C、D、E四組，對應抽采時間45 d、60 d、75 d、90 d，結果統計見表2。

結合表2所測定的結果，以對數曲線擬合做同一抽采時間下，鉆孔周圍殘余瓦斯含量變化曲線，如圖8所示。

根據“2.1指標選取”，結合霍爾辛赫煤礦情況，可得：Qc1=8 m3/t；Qc2=Q×(1-η)=0.7Q=6.8 m3/t；Qc3=6.89 m3/t，有效半徑考察指標Qc=min(Qc1，Qc2，Qc3，Qc4)=6.8 m3/t，得出不同抽采時間內的抽采有效半徑。建立有效半徑隨抽采時間變化曲線，如圖9所示。

表2 測定結果統計表

圖8 殘余瓦斯含量變化曲線

圖9 有效半徑隨抽采時間的變化曲線

根據霍爾辛赫煤礦采-掘-抽接替計劃，推算3302工作面將有不少于12個月的預抽時間。圖9中，抽采180 d、360 d，有效半徑分別為1.484 m、1.583 m。抽采180 d后，有效半徑隨著抽采時間的延長，變化范圍不大。結合估算的預抽期，除去抽采施工所占的時間(鉆孔施工、抽采管路布置等)，為有效的消除抽采空白帶，達到“應抽盡抽”、“抽采達標”的目的，將鉆孔間距設置為2.5 m，即有效半徑為1.25 m。

3 結 論

1)初始滲透率對有效半徑起主控作用；其次是煤層初始瓦斯壓力，相同抽采時間，初始瓦斯壓力與抽采半徑成反比關系；同一煤層，有效預抽期內抽采時間在很大程度上控制著有效半徑。有效半徑的測定應重點建立與抽采時間的關系。

2)以抽采殘余瓦斯含量作為有效半徑考察指標，一方面可避免松軟煤層封孔難度大、低滲煤層孔間干擾大對瓦斯壓力測定的影響；另一方面瓦斯含量的測定是在一定抽采時間后測定，又可避免抽采對測定工作的影響，且其值選取更能結合礦井抽采目標而定，取Qc=min(Qc1，Qc2，Qc3，Qc4)，具有普遍適用性。

3)基于殘余瓦斯含量的有效半徑測定法可有效的測得抽采半徑隨抽采時間的變化規律，進而根據礦井采-掘-抽接替計劃，確定合理的有效半徑，該方法在霍爾辛赫煤礦得到了驗證。

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Research into the infcuencing factors and measuring methods of effective radius for gas drainage using hole drilled along seam

CHENG Hongming，LI Yongming，DONG Chuanlong

(School of Coal Engineering, Datong University, Datong 037003, China)

Based on gas-solid coupling model of gas extraction using hole drilled along seam, the authors analyzed the factors of form parameters of coal and gas drainage. It showed that permeability was main controlling factors, gas pressure was second and inversely proportional to effective radius, drainage time controlled effective radius heavily, and measuring method of effective radius should establish the relationship with drainage time. The authors provided the measuring methods of effective radius based on residual gas content, established the relationship between effective radius and drainage time, and determined effective radius with the plan of mining-extraction-drainage. Measuring method was more generally applicable and tested in Huoerxinhe coal mine.

hole drilled along seam; effective radius; residual gas content; measuring method

2016-12-13

山西大同大學青年基金項目資助(編號：2016Q12)

程虹銘(1989-)，男，碩士，助理實驗師，主要從事煤層氣開發及瓦斯防治領域的教學與科研工作，E-mail：cheng126121@163.com。

TD712

A

1004-4051(2017)05-0127-05