抽采鉆孔直徑與采空區瓦斯抽采效果關系研究

潘 帥

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100）

山西長治經坊煤礦3-802 工作面開切眼前對工作面可吸解瓦斯進行測定，為8m3/t 。當工作面可解吸瓦斯含量大于5m3/t 時，該工作面瓦斯抽采不達標，應進行預抽采，對工作面瓦斯進行抽采合格后才可開始正常回采。2018 年3 月22 日，工作面推進300m 后，采空區瓦斯積聚現象嚴重，需要對采空區瓦斯進行鉆孔抽采。鉆孔布置與瓦斯抽采效果有著密切關系，因鉆孔布置參數設置不當會導致采空區瓦斯抽采出現盲區或抽采效果不佳。本文對經坊煤礦3-802 工作面采空區瓦斯抽采情況進行研究，得出鉆孔布置參數與瓦斯抽采效果的關系，用以指導該礦3-802 工作面采空區瓦斯抽采。

1 工作面概況

經坊煤礦3-802 工作面位于3#煤層，煤層平均厚度為6.3m，煤層傾角為2~4°，煤層特性：黑色，塊狀、粉末狀，以亮煤為主，次為暗煤，為半光亮型。采用綜放開采工藝，工作面采用沿空留巷布置。工作面采用“U”型通風方式，工作面布置及通風方式示意圖如圖1 所示。煤層頂底板的特性如表1 所示。

圖1 工作面布置圖

2 數值模擬

采空區圍巖受采動影響，會產生裂隙，瓦斯可通過圍巖裂隙進行流動。本次模擬采用COMSOL數值模擬軟件，瓦斯抽采方法為高位鉆孔抽采，對此過程中采空區圍巖裂隙的演化特性及煤巖體的多孔介質特性進行研究，建立幾何尺寸為120m×35m×85m 的矩形模型，模型設置的參數如表2 所示。限制模型的上下及左右邊界的位移為0，煤體除受自身荷載以外，還受到煤層上方上覆圍巖施加的均布荷載，瓦斯壓力為初始瓦斯壓力。

表1 煤層頂底板情況表

表2 數值模擬基本參數

模型設定初始瓦斯壓力為103kPa，設置瓦斯抽采鉆孔直徑為40mm、65mm、75mm、94mm。模型共三類問題：（1）不同直徑下，瓦斯壓力的變化情況；（2）相同直徑下，隨著瓦斯抽采時間的變化，瓦斯壓力及煤層滲透率的變化情況；（3）多鉆孔（3 鉆孔）耦合作用下鉆孔周圍瓦斯壓力變化和步孔參數。

（1）不同直徑下，瓦斯壓力的變化情況

標準狀況下瓦斯的壓力與壓力初始值有比較大的壓力差，所以會產生壓力梯度，煤層內部瓦斯抽采釋放時，內部壓力會逐漸降低。本次模擬瓦斯抽采鉆孔直徑分別為40mm、65mm、75mm、94mm 時，抽采240d 后鉆孔周圍瓦斯壓力的變化情況。如圖2所示為不同直徑下鉆孔周圍瓦斯壓力的變化情況。

由圖2 可看出，隨著鉆孔直徑的增加，鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸減小，且在直徑增加到65mm 后，瓦斯壓力的減小速率開始降低，降低的幅度也大大減小。由此可見，鉆孔直徑為65mm 是最佳瓦斯抽采鉆孔直徑。

（2）相同直徑下（直徑65mm），瓦斯壓力及煤層滲透率隨瓦斯抽采時間的變化情況

上述模擬得出最佳瓦斯抽采鉆孔直徑為65mm，故在此鉆孔直徑下，建立新的模型，模型包括直徑為65mm 的5 個鉆孔。瓦斯壓力隨時間的變化結果如圖3 所示。

圖2 瓦斯壓力隨鉆孔直徑變化趨勢圖

圖3 數值模擬結果

由上圖3 模擬結果可看出，瓦斯抽采時間為1.125×10-5年（5.91 分鐘）時，最小瓦斯壓力值為29.4kPa，最大值為49.6kPa；抽采時間為1.115×10-5年（5.86 分鐘）時，最小瓦斯壓力降低為21.2kPa，而最大值也降低到37.8kPa。瓦斯壓力隨著抽采時間整體上呈負相關的趨勢變化，如圖4 所示瓦斯壓力隨時間變化曲線圖。

圖4 瓦斯壓力隨時間變化圖

結合本礦正常生產需求，煤層滲透率隨時間變化的模擬周期增加為250d。模擬表明：瓦斯抽采初期，由于瓦斯初始壓力值與標況下的壓力值之間的梯度影響，瓦斯壓力大于孔口的吸附膨脹力，瓦斯通道此時最大程度打開，煤層的滲透率達到最大。隨著瓦斯抽采的進行，瓦斯壓力值逐漸降低，受梯度的影響逐漸減小，孔口吸附膨脹力與瓦斯壓力的差值逐漸縮小，導致煤層的滲透率的增幅速率減小。如圖5 為煤層滲透率隨時間變化曲線圖。

圖5 煤層滲透率隨抽采時間變化圖

（3）多鉆孔耦合作用瓦斯壓力變化

單一鉆孔瓦斯抽采將瓦斯壓力降低至安全值以下比較困難，由數值模擬結果可知：單鉆孔抽采時，當瓦斯抽采時間達到180d 時，瓦斯壓力可降至安全值0.74MPa 以下，此時有效抽采半徑為3m；采用雙鉆孔抽采時，抽采85d 以后，瓦斯壓力即可降低至安全值以下，抽采效果比較明顯。為研究多鉆孔瓦斯抽采時瓦斯壓力的變化情況，對鉆孔下瓦斯壓力變化進行研究，并設置相關步孔參數。

鉆孔直徑65mm 時，設置鉆孔間距分別為3m、4m、5m，對瓦斯抽采過程中壓力的變化進行模擬。各孔徑下不同抽采時間下的瓦斯壓力變化曲線如圖6 所示。

由圖6 可知，三鉆孔耦合作用下，鉆孔間距分別為3m、4m、5m 時，瓦斯壓力的降低速度均很快。間距為3m 時，抽采90d 即可使瓦斯壓力降低到安全值，有效半徑大于1.5m；間距為4m 時，需要110d 時間，間距為5m 時，需要152d 時間，瓦斯壓力可降低至安全值，且有效半徑均大于1.5m。當抽采時間超過180d 后，抽采半徑均達到3.46m 左右，鉆孔周圍的瓦斯壓力下降速率越來越小。

當工作面瓦斯抽采選擇多鉆孔耦合時，可根據工作面瓦斯抽采的時間選擇合理的鉆孔間距。瓦斯抽采時間不超過150d 時，選擇3m 孔距比較合理，瓦斯抽采時間超過150d 時，可適當增大鉆孔間距，既保證瓦斯抽采不存在盲區，又保證抽采的經濟性，避免重復抽采的進行。

圖6 不同抽采時間下瓦斯壓力變化曲線

3 現場驗證

針對經坊煤礦3-802 工作面采空區瓦斯積聚現象嚴重的情況，結合數值模擬的結果，通過工作面邊采邊抽后，擬通過鉆孔形式對工作面采空區的瓦斯進行高位鉆孔抽采。布置工作面鉆眼直徑為65mm，預期在盡量短的時間內使工作面瓦斯含量達到安全值（0.74MPa），所以相鄰鉆孔間距選擇為3m。采空區瓦斯抽采初期，瓦斯壓力降低速率很快，后逐漸減小，直到趨于穩定；抽采時間120d后，鉆孔周圍的瓦斯壓力穩定在0.63MPa，且在距離鉆孔2m 處的瓦斯壓力為0.72MPa。圖7 為瓦斯壓力變化曲線，這與數值模擬的結果基本一致。

由此可以得出，本次數值模擬的結論對工程實際有比較好的指導作用，可對工程的經濟性以及生產的安全性起到比較大的幫助。

圖7 3-802 工作面采空區瓦斯壓力隨時間變化曲線