陽泉礦區松軟低透煤層底板穿層鉆孔抽采時間優化

郭春生，徐 超，2，，葛 勇，耿德旺，胡思怡，龔 克

(1.陽泉煤業(集團)有限責任公司，技術中心，山西 陽泉 045000；2.陽泉煤業(集團)有限責任公司，博士后科研工作站，山西 陽泉 045000；3.中國礦業大學(北京)，應急管理與安全工程學院，北京 100083)

0 引 言

我國95%以上的高瓦斯礦井和突出礦井擁有高地應力、高瓦斯含量、高瓦斯壓力和低透氣性的“三高一低”特征，其透氣性多處于0.04～0.004 m2/(MPa2·d)的范圍[1]，遠小于國際煤層氣井抽采透氣性指標，抽采十分困難。目前，我國常用的區域防突措施有保護層開采和預抽瓦斯2種。底板巖巷穿層鉆孔預抽方法屬于預抽瓦斯方法的一種，指在煤層底板巖層中布置鉆場施工上向鉆孔預抽煤層瓦斯的方法，是我國松軟低透煤層防突的主要區域防突措施，能很好的適應煤層頂底板起伏較大的地質條件，抽采橫向范圍和抽采煤層較多，同時由于有堅硬的巖巷作為保障，可有效解決順層鉆孔噴孔塌孔的問題，已在皖北、淮北、淮南、云南等礦區得到推廣應用[2-6]。底板穿層鉆孔的抽采效果通常與鉆孔長度、鉆孔直徑、抽采時間、抽采負壓、封孔長度、巷道竣工時間、煤層原始滲透率及應力條件等因素有關[7-8]。

關于抽采時間的合理設定，國內外學者都將其與抽采半徑結合分析，李峰等以馬村礦為例研究了水力沖孔后鉆孔的合理抽采時間，認為90 d后抽采基本穩定[9]。張超林等認為抽采時間隨鉆孔數量的增加呈冪函數降低，降低速度逐漸變緩[10]。劉清泉認為由于基質體平衡時間的差異會使得抽采在不同階段難易不同[11]。程遠平等認為瓦斯流動的主控形式會隨著抽采時間而改變，因此鉆孔抽采負壓需要響應改變[12]。Pillalamarry 等認為擴散是控制抽采后期效果的主要因素，也重申了抽采時間對于抽采效果的重要性[13]，此結論得到了Wang 等研究的驗證[14]。之后，通過建立引入時間常數或平衡時間常數的擴散方程[15-16]，Liu以及Dong等均明確了抽采時間以及負壓在抽采效果中的作用[17-18]。

在陽泉礦區某礦穿層鉆孔施工過程中，由于煤層透氣性差、瓦斯含量高、地應力大，原有的抽采設計已不能滿足消突和工作面接替需要。在不補打鉆孔條件下，延長預抽時間就成為區域瓦斯防突達標的重要途徑。如何確定鉆孔抽采的合理時間，達到預定的防突效果，從而合理制定抽采計劃，已成為該礦區域防突工作亟待解決的技術難題。

本項目以陽泉某礦松軟低透煤層工作面為試驗研究對象，通過工程試驗與實測、理論分析與模擬實驗，得到了煤層的瓦斯基礎參數，并基于鉆孔瓦斯抽采的固—氣耦合模型，采用COMSOL模擬的方法，得出試驗工作面底板巖巷穿層鉆孔的合理抽采時間，結合現場鉆孔殘余瓦斯含量的測定結果對數值模擬結果進行了驗證。

1 瓦斯基礎參數測定

陽泉礦區主要的含煤地層為石炭系太原組及二疊系山西組，共含煤16層，其中主采3#，12#，15#煤層，煤層傾角一般為5°～10°，煤種為無煙煤。文中所研究工作面處于+420 m水平，開采煤層為15#煤層，平均埋藏深度為497.5 m，采長為194.56 m，走向長度為935 m.工作面煤層平均厚度為6.25 m，煤層傾角平均為8°.根據鉆孔地質資料，開采煤層為復雜結構煤層，一般含矸2～4層，巖性為泥巖，煤巖類型為半亮型-光亮型。

參照《煤的工業分析方法》(GB/T 212—2001)及《煤的甲烷吸附量測定方法(高壓容量法)》(MT/T 752—1997)標準，對研究礦井15#煤取得的煤樣進行基本參數測定，測定結果見表1.

表1 煤樣瓦斯基本參數

2 數值模擬方法

2.1 本構方程建立

在建立本構型前要對方程進行預先的假設，簡化計算過程如下：①研究煤體為各向同性的均質體；②瓦斯氣體的狀態變化符合理想氣體狀態方程；③瓦斯吸附解吸過程為等溫過程。模型建立時涉及的主要模型有基于煤體孔隙率的動態滲透率響應模型、煤層瓦斯滲流模型、煤體變形場的控制模型3種，3種方程耦合構成了本次計算模擬的本構模型[19-21]。

圖1 本構模型建立Fig.1 Constitutive model

2.1.1 基于煤體孔隙率的動態滲透率響應模型

根據Kozeny-Carman方程，可得等溫狀態下滲透率的動態變化方程為[22]

(1)

式中φ0為煤的初始孔隙率，%；εv為煤體在變形過程中所產生的體積應變；k0為初始滲透率，mD；ks為骨架胡克系數，N/m；p為瓦斯壓力，MPa.

2.1.2 煤層瓦斯滲流模型

瓦斯流動符合Darcy定律，即[22]

(2)

式中qg為煤層瓦斯滲流速度矢量,m3/(m2·s)；μg為瓦斯動力黏度系數,Pa·s;μg為有效滲透率，mD；p為瓦斯壓力，MPa.

由于多孔介質的氣體滲流符合質量守恒定律，因此單位體積煤體的瓦斯滲流的連續性方程可寫為

(3)

式中ρg為瓦斯氣體的密度,kg/m3；Qs為通過單位體積煤體的瓦斯流量,kg/(m3·s)；C為單位體積煤體內的瓦斯質量,kg/m3;t為時間，s.

而理想氣體狀態方程為

ρg=pmg/RT

(4)

式中β為煤層瓦斯的壓縮因子，kg/(m3·Pa)；mg為瓦斯氣體摩爾分子量,kg/mol；R為氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T為氣體的溫度，K.

煤中瓦斯賦存形態有2種：游離態和吸附態，故而單位體積煤體中的瓦斯質量C可表征為[23]

(5)

式中ρc為煤體密度;pn為大氣壓,MPa；φ為煤孔隙率,%；b1為朗格繆爾體積,m3/kg；b2為朗格繆爾壓力,MPa;A和B分別為煤中灰分和水分,%.

等溫過程中煤體孔隙率對時間的變化率可表征為

(6)

式中Em和Es分別為瓦斯煤體和骨架顆粒的體積彈性模量，MPa.

綜上可得，含瓦斯煤體的滲流方程為

(7)

式中α為煤體的等效孔隙壓力系數。

2.1.3 煤體變形場的控制模型

含瓦斯煤體可假設為線彈性材料，其變形遵守廣義的Hooek定律[24]

σij=λδijεv+2Gεij

(8)

式中σij為煤體的總應力張量，MPa；λ為Lame常數；δij為Kronecker函數;G為煤體的剪切模量,MPa;εij為煤體的應變張量。

含瓦斯煤體應力平衡方程可寫為

σij+Fi=0

(9)

式中Fi為體積力,MPa.

另外，含瓦斯煤體的有效應力為

(σe)ij=σij-αδijp

(10)

式中(σe)ij為含瓦斯煤巖體有效應力張量,MPa.

含瓦斯煤體的幾何控制方程為

(11)

式中εij為煤體的應變分量；u為煤體的位移分量。

聯立式(7)～(11)，便可得到煤-瓦斯固氣耦合滲透率本構模型，可通過COMSOL軟件中的PDE模塊載入模型。

2.2 幾何模型和邊界條件

研究工作面采用底板穿層鉆孔進行瓦斯抽采，在進回風巷下方各布置一條底板巖巷，鉆孔直徑為110 mm，終孔進入15#煤層頂板0.5 m，形成3 m×6 m的矩陣，鉆孔整體控制范圍為進回風巷兩側15 m(鉆孔布置如圖2所示)。煤層原始瓦斯最大值為11.29 m3/t，最大瓦斯壓力為0.93 MPa.

圖2 鉆孔布置示意圖Fig.2 Sketch of drilling arrangement

根據所研究工作面的煤層賦存條件和瓦斯鉆孔原有的設計情況，建立模擬所需的幾何模型，如圖3所示，模型參數取值見表2.為了研究現有穿層鉆孔布置參數條件下，不同抽采時間的瓦斯抽采效果，根據研究礦井的地質條件，分別以鉆孔時間6，8，10，12個月建立數值計算模型進行模擬，模擬抽采負壓根據實際情況取-10 kPa.另外，為了清晰的看出不同抽采時間條件下鉆孔周圍瓦斯壓

力分布的情況，選取幾何模型內水平中心線和垂直中心線上瓦斯壓力作為研究對象，水平測線和垂直測線分別為圖中紅色的x線和y線(圖3)。

3 底板巖巷穿層鉆孔抽采時間優化模擬

圖3 模型的幾何模型及邊界條件Fig.3 Geometric model and boundary conditions

利用COMSOL軟件中的后處理模塊，可得到不同抽采時間條件下，研究區域內的瓦斯壓力分布云圖，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著抽采時間的增加，穿層鉆孔的抽采范圍在逐漸增大，4個抽采鉆孔連線的中心點瓦斯壓力在不斷降低，抽采中心區域也逐漸連接在一起，由橫置的“沙漏”狀逐步過渡到近“矩形”狀。

圖5為抽采負壓10 KPa，抽采時間分別為180，240，300，360 d時，水平測線x與垂直測線y上的瓦斯壓力分布圖。從圖中可以看出，隨著抽采時間增加，抽采后的瓦斯壓力在逐漸降低。在抽采時間為t=300 d的情況下，鉆孔中心區域的瓦斯壓力已經下降至0.74 MPa以下，因此為了保證現有鉆孔布置條件下區域防突效果能夠達標，穿層鉆孔的預抽時間應設置為300 d左右為宜。

圖4 不同穿層鉆孔抽采時間下瓦斯抽采效果圖Fig.4 Gas drainage effect with different drainage time

圖5 不同抽采時間條件下的瓦斯壓力分布云圖Fig.5 Gas pressure distribution with different drainage time

4 工程驗證

根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》對工作面抽采區域不同鉆孔的殘余瓦斯含量進行計算。計算時需首先將鉆孔按分布區域和抽采時間分為H-1(回風測-1)、H-2(回風測-2)和J-1(進風測-1)組，然后根據原始瓦斯含量和累計抽采量得到見表3和圖6的計算結果。從圖中可以看出工作面原始瓦斯含量為11 m3/t，在抽采天數約為280天的情況下，殘余瓦斯含量下降到了8 m3/t以下，與第4節中模擬得出的300 d相差不大，故而有效驗證了模擬結果的正確性。值得指出的是，在實際條件下，抽采有效時間還受到諸如封孔效果、抽采負壓、周期來壓等因素的影響，因而會產生波動。但總體而言，300 d的抽采時間是有指導意義的。

表2 模型參數值

圖6 殘余瓦斯含量與抽采天數關系Fig.6 Relationship between the residual gas content and the drainage time

區域鉆孔編號預抽時間/d累計預抽瓦斯量/(m3·t-1)殘余瓦斯含量/(m3·t-1)1-80721384675.2081-17158443 2764.69H-1172-26255843 7574.64263-35351643 7574.64354-47249457 2203.24H-2473-56547034 3397.68566-70544051 6926.91J-11-495236154 9238.25

5 結 論

1)數值模擬結果表明：抽采時間對穿層鉆孔的抽采效果影響較大，隨著抽采時間的延長，穿層鉆孔的影響范圍在逐漸增大，模型中心點瓦斯壓力在不斷降低。在抽采時間為300 d時，鉆孔中心區域的瓦斯壓力下降至0.74 MPa以下。

2)工程實踐表明：經過約280 d的抽采，工作面瓦斯含量從11 m3/t降至了8 m3/t，達到防突規定的要求，同時有效驗證了數值模擬的結果。