不同孔徑排放鉆孔有效影響半徑的時(shí)空響應(yīng)*

劉 軍，李 寧，吳錦旗，楊 通

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3.山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214)

0 引言

工作面局部防突措施是突出礦井2個(gè)“四位一體”綜合防突措施中的重要一環(huán)。超前排放鉆孔是目前國(guó)內(nèi)外突出礦井廣泛采用的一項(xiàng)局部防突措施。大量實(shí)際應(yīng)用效果表明這一措施具有較好的防突效果和工藝簡(jiǎn)單、操作方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，采掘工作面局部防突措施中，應(yīng)優(yōu)先選擇超前預(yù)抽鉆孔和超前排放鉆孔措施。超前排放鉆孔的孔數(shù)、孔底間距等應(yīng)當(dāng)根據(jù)鉆孔的有效排放半徑確定。

鉆孔有效排放半徑是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在該半徑范圍內(nèi)的瓦斯壓力或瓦斯含量降低到安全允許值。鉆孔有效排放半徑受煤層透氣性、瓦斯解吸特征、鉆孔孔徑和排放時(shí)間等因素的綜合影響，是指導(dǎo)排放鉆孔施工的重要依據(jù)。

前人對(duì)抽采鉆孔有效影響半徑研究較多[1-2]，對(duì)排放半徑研究較少。超前鉆孔有效排放半徑的常用測(cè)定方法主要有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法(瓦斯壓力降低法、瓦斯流量法、鉆屑量法、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法)和數(shù)值模擬計(jì)算法[3-7]。

蔣承林等[8]利用安全臨界瓦斯壓力和含量，對(duì)排放鉆孔有效排放半徑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；武磊等[9-10]采用鉆孔瓦斯流量法對(duì)不同孔徑超前鉆孔有效排放半徑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；劉冠鵬等[11]采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法對(duì)不同孔徑排放鉆孔的效排放半徑進(jìn)行了測(cè)試；陳國(guó)紅[12]采用鉆屑量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法對(duì)排放鉆孔沿煤層層理方向和垂直層理方向的有效排放半徑進(jìn)行了測(cè)試；路學(xué)燊等[13]采用流量法和鉆屑法測(cè)定相結(jié)合的方法，對(duì)排放鉆孔的有效排放半徑進(jìn)行了測(cè)試；江萬剛[14]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)豐城礦區(qū)排放鉆孔有效影響半徑進(jìn)行了分析；王海東等[15]采用數(shù)值模擬和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法對(duì)排放鉆孔的有效影響半徑進(jìn)行了分析。

鉆孔有效排放半徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法的測(cè)試結(jié)果可靠，但施工周期長(zhǎng)、工程量較大；數(shù)值模擬計(jì)算法操作簡(jiǎn)單、工作量小，但測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)有一定的偏差。

本文以玉溪煤礦為工程背景，利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同孔徑鉆孔有效排放半徑的時(shí)空特性進(jìn)行考察，研究結(jié)果對(duì)玉溪煤礦排放鉆孔孔徑選擇及鉆孔設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 玉溪煤礦概況

玉溪煤礦位于山西省高平市沁水縣胡底鄉(xiāng)，井田面積29.79 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.40 Mt/a，服務(wù)年限50.7 a，采用斜井方式開拓，全井田布置主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井4個(gè)井筒。

玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采3號(hào)煤層，平均厚度5.85 m，煤層頂、底板均為泥巖，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。根據(jù)地勘及已揭露區(qū)域的測(cè)定結(jié)果，3號(hào)煤層堅(jiān)固性系數(shù)在0.45～1.09之間，煤層透氣性系數(shù)0.103 2～26.58 m2/MPa2·d，最大原始瓦斯含量25.59 m3/t，最高原始瓦斯壓力2.90 MPa。

礦井采取的局部防突措施為超前排放鉆孔，排放鉆孔直徑為75～113 mm，如何確定排放鉆孔孔徑、數(shù)量、間距和排放時(shí)間成為困擾煤礦安全生產(chǎn)的難題。

2 排放半徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在選定位置施工直徑42 mm，鉆孔深度10 m的預(yù)測(cè)孔，測(cè)量鉆孔每米的鉆屑量S值和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)k1值。預(yù)測(cè)鉆孔測(cè)試結(jié)束后，分別將其孔徑擴(kuò)至75，94和113 mm，作為排放鉆孔使用。待排放結(jié)束(2 h)后，施工與該孔成10°的測(cè)試孔，測(cè)試孔與排放孔開孔間距為0.3 m，鉆進(jìn)過程中分別測(cè)量測(cè)試孔每米的鉆屑量S值與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)k1，測(cè)試鉆孔布置及參數(shù)見圖1、表1。

圖1 排放半徑測(cè)試鉆孔布置示意Fig.1 Schematic diagram of testing boreholes for drainage radius

鉆孔編號(hào)鉆孔直徑/mm偏角/(°)孔深/m 備注142010垂直煤幫275,94,113010342-1010左偏為負(fù)4421010右偏為正

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，可以得出不同直徑排放鉆孔鉆屑量、鉆屑解吸指標(biāo)與鉆進(jìn)深度的變化情況，由于篇幅有限，文中僅列出直徑75 mm排放鉆孔測(cè)試結(jié)果，見表2、圖2。將2組測(cè)試結(jié)果取平均值可以看出，測(cè)試孔1～7 m的鉆屑量、鉆屑解吸指標(biāo)明顯小于預(yù)測(cè)孔，鉆屑量指標(biāo)下降幅度為2.22%～16.2%，鉆屑解吸指標(biāo)下降幅度為0～67.3%，說明10 m長(zhǎng)的排放鉆孔在前7 m的泄壓作用明顯，此時(shí)孔底間距為1.4 m；測(cè)試孔7～10 m的鉆屑量、鉆屑解吸指標(biāo)與預(yù)測(cè)孔相比，上下起伏波動(dòng)，說明在7～10 m段的泄壓作用有一定的偶然性。應(yīng)該將7 m時(shí)的測(cè)試孔與預(yù)測(cè)孔之間的距離作為φ75 mm排放鉆孔的排放半徑，即：根據(jù)鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，排放2 h后，φ75 mm排放鉆孔的有效排放半徑為1.4 m。

同理可以得到排放2 h后，φ94 mm排放鉆孔的有效排放半徑為1.7 m；φ113 mm排放鉆孔的有效排放半徑為1.9 m。

3 排放鉆孔數(shù)值計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試排放半徑過程中，只能得出具體影響范圍，針對(duì)是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，達(dá)到規(guī)定的排放效果方面存在不足。本文通過數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 φ75 mm排放半徑測(cè)試記錄Table 2 Testing records of drainage radius with φ75 mm

圖2 φ75 mm排放半徑測(cè)試結(jié)果Fig.2 Testing results of drainage radius with φ75 mm

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

為使問題簡(jiǎn)化，對(duì)瓦斯在孔隙裂隙系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型做以下假設(shè)：

1)煤層是各向同性體，其透氣性以及孔隙率恒定不變。

2)吸附瓦斯符合Langmuir方程，煤層中瓦斯解吸在瞬間完成。

3)將瓦斯視為理想氣體，符合理想氣體狀態(tài)方程。

4)瓦斯在煤體中流動(dòng)服從Fick擴(kuò)散和Darcy流動(dòng)定律。

5)頂?shù)装宀煌笟狻?/p>

3.2 物理模型的建立

沿著鉆孔的長(zhǎng)度方向?qū)⒚后w剖開，創(chuàng)建如圖3所示的二維物理模型。取模型平面為20 m×15 m的煤層，鉆孔直徑分別為75，94，113 mm，鉆孔深度為10 m，鉆孔位于模型中心處。

圖3 數(shù)值模擬物理模型Fig.3 Physical model of numerical simulation

本文在模擬時(shí)采用的初始條件為：在t=0時(shí)，煤層中的瓦斯壓力為p0，鉆孔中的氣體壓力為pn。其邊界條件為：上下均為固定邊界，鉆孔內(nèi)部為大氣壓力。

3.3 模擬結(jié)果分析

本模擬針對(duì)的情況是經(jīng)過區(qū)域效果檢驗(yàn)后，認(rèn)定本區(qū)域內(nèi)無突出危險(xiǎn)性的情況下。局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)煤層仍有突出危險(xiǎn)性，則仍需對(duì)煤層采取局部的防突措施。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第一百九十條規(guī)定：抽采煤層瓦斯后，瓦斯預(yù)抽率大于30%。因此，將抽采后煤層瓦斯壓力比抽采前下降30%以上作為抽采有效的指標(biāo)。當(dāng)瓦斯壓力小于0.58 MPa時(shí)，視為有效排放半徑。圖4是直徑75，94，113 mm鉆孔排放2 h后鉆孔周圍瓦斯壓力分布模擬結(jié)果。

表3 數(shù)值計(jì)算所用的煤體與瓦斯的物理參數(shù)Table 3 Physical parameters of coal and gas used in numerical calculation

圖4 不同直徑鉆孔排放2 h后瓦斯壓力分布情況Fig.4 Distribution of gas pressure after 2 hours for boreholes with different diameters

分析圖4可得：

1)在相同的排放時(shí)間以及鉆孔直徑條件下，排放鉆孔的影響范圍呈“U”型分布。

2)煤層瓦斯壓力隨著離鉆孔距離的增加逐漸變大。在相同的排放時(shí)間條件下，隨著排放鉆孔直徑的增加，排放鉆孔的影響范圍以及有效影響范圍逐漸擴(kuò)大。

沿著排放鉆孔軸向7.5 m位置做截線1-1，沿著截線1-1得出排放鉆孔徑向不同位置的瓦斯壓力分布情況，如圖5所示。橫坐標(biāo)為徑向不同位置，縱坐標(biāo)為殘余瓦斯壓力大小。

圖5 不同直徑鉆孔不同排放時(shí)間瓦斯壓力分布情況Fig.5 Distribution of gas pressure under different drainage time for boreholes with different diameters

將圖5中數(shù)據(jù)提取出來，如表4所示。分析有效排放半徑隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示，分析有效排放半徑隨鉆孔直徑的變化曲線如圖7所示。

表4 不同直徑鉆孔有效排放半徑Table 4 Effective drainage radius of boreholes with different diameters m

圖6 有效排放半徑與時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between effective drainage radius and time

圖7 有效排放半徑與鉆孔直徑關(guān)系Fig.7 Relationship between effective drainage radius and borehole diameter

分析表3、圖6、圖7得出以下結(jié)論：

1)隨著排放時(shí)間的增加，同一直徑鉆孔有效影響范圍逐漸增加。對(duì)于75 mm鉆孔來說，隨著時(shí)間從2 h提高到12 h，有效排放半徑從1.31 m提高到2.91 m。同理，對(duì)于94 mm鉆孔，有效排放半徑從1.78 m提高到3.31 m；對(duì)于113 mm鉆孔，有效排放半徑從2.25 m提高到3.53 m。排放時(shí)間對(duì)排放半徑影響較大。

2)對(duì)于75 mm鉆孔，有效影響范圍與排放時(shí)間符合y=1.17x0.37的冪指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.86；對(duì)于94 mm鉆孔，有效影響范圍與排放時(shí)間符合y=1.47x0.32的冪指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.97；對(duì)于113 mm鉆孔，有效影響范圍與排放時(shí)間符合y=1.80x0.045的冪指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.92。

3)在相同排放時(shí)間的條件下，隨著鉆孔孔徑的擴(kuò)大，有效影響范圍與鉆孔直徑符合冪指數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)論

1)在相同的排放時(shí)間以及鉆孔直徑條件下，排放鉆孔的影響范圍呈“U”型分布。

2)隨著排放時(shí)間的增加，同一直徑排放鉆孔有效影響范圍逐漸增加，符合y=a·xb的冪指數(shù)關(guān)系。

3)隨著排放鉆孔直徑的增加，隨著排放時(shí)間的增加，有效影響范圍逐漸增加，符合y=c·xd的冪指數(shù)關(guān)系。

4)根據(jù)玉溪煤礦實(shí)際情況，當(dāng)排放時(shí)間為2 h，直徑為75 mm鉆孔的有效排放半徑為1.31 m；直徑為94 mm鉆孔的有效排放半徑為1.78 m；直徑為113 mm鉆孔的有效排放半徑為2.25 m。