不同瓦斯抽采半徑考察方法的適應性研究

秦 泰，邸晟鈞，姜黎明

(1.山西潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司 古城煤礦， 山西 長治 046000； 2.山西焦煤集團有限責任公司技術中心， 山西 太原 030024； 3.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院， 北京 100013)

瓦斯災害是威脅礦井安全生產(chǎn)的重要因素之一，其中尤以煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故最為突出，隨著我國煤礦采深的增加,瓦斯災害的威脅日益嚴重[1-2]. 預抽煤層瓦斯是煤礦瓦斯治理的重要措施。其中，順層抽采鉆孔是工作面井下抽采中最常用的技術手段，抽采鉆孔間距的大小直接影響煤層瓦斯抽采效果，間距過小，則抽采成本過高容易造成浪費；間距過大，則抽采效果較差容易形成盲區(qū)[3-4]. 而抽采半徑是鉆孔間距選擇的直接依據(jù)，一般情況下煤礦現(xiàn)場多直接以兩倍的抽采半徑作為順煤層抽采鉆孔的布置間距。

相關學者針對瓦斯抽采半徑考察方法進行了大量嘗試，其中應用較廣的有直接考察方法、理論計算方法以及數(shù)值模擬方法[5-9]等。理論計算方法和數(shù)值模擬方法對力學、數(shù)學與計算機基礎要求較高，同時模型的建立和參數(shù)的選擇還要考慮煤層的非均質(zhì)性，但是能夠根據(jù)現(xiàn)場需求快速、方便地確定不同條件下的抽采半徑[4]. 而直接考察法中的瓦斯壓力法和儲量法在現(xiàn)場應用較多，其測試工藝相對簡單，但施工量較大，難以針對不同抽采時間進行大量測試[4]. 上述考察方法均有各自的優(yōu)缺點，難以確定煤礦現(xiàn)場所適用的抽采半徑考察方法。因此，從現(xiàn)場應用的角度出發(fā)，選擇瓦斯壓力法、儲量法及數(shù)值模擬方法在古城煤礦進行抽采半徑考察試驗，對比分析上述方法在煤礦現(xiàn)場的適用情況，以期為今后抽采半徑現(xiàn)場考察提供依據(jù)。

1 瓦斯抽采半徑的考察方法及原理

從煤礦生產(chǎn)的需求和政府監(jiān)管的要求出發(fā)，將抽采半徑定義為：在煤層瓦斯參數(shù)及抽采工藝條件不變的情況下，以抽采鉆孔為中心，一定抽采時間內(nèi)鉆孔周圍煤層的瓦斯抽采率能夠降低到工作面抽采達標值以下的范圍[4].

1.1 數(shù)值模擬法

煤層未受擾動時，不同狀態(tài)瓦斯在地應力和孔隙壓力作用下處于相對平衡狀態(tài)，當向煤層施工鉆孔后，卸壓瓦斯沿徑向運移至抽采鉆孔中，鉆孔瓦斯抽采就是這樣的一個過程。該次研究中，以順層鉆孔抽采為原型建立瓦斯抽采模型，并對模型進行設定[9-10]：

1) 忽略煤厚和傾角的影響，并將模型設定為水平二維剖面模型。剖面示意圖見圖1.

圖1 剖面示意圖

2) 瓦斯為理想氣體，在煤層中流動為等溫過程，服從達西定律。

3) 煤層為各向同性的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，并忽略瓦斯壓力變化對滲透率的影響。

4) 煤中瓦斯吸附符合朗格繆爾方程。

假設這一過程中隨著瓦斯進入鉆孔，煤中孔隙壓力下降，煤體骨架受應力重新分布影響發(fā)生變形，使得煤層的透氣性發(fā)生變化，而這些變化反過來影響瓦斯在煤層中的流動,整個瓦斯抽采過程是一個氣固耦合過程[6]. 根據(jù)達西定律、朗格繆爾方程及質(zhì)量守恒定律，建立描述抽采鉆孔瓦斯徑向流場的二維流動方程[5]：

(1)

式中:

k—滲透率，m2；

μ—瓦斯絕對黏度系數(shù)，Pa·s；

p0—鉆孔內(nèi)的大氣壓力，Pa；

p1—煤層原始瓦斯壓力，Pa；

p—煤層瓦斯壓力，Pa；

ρ—瓦斯壓力為p時的瓦斯密度，kg/m3；

ρ1—瓦斯壓力為p1時的瓦斯密度，kg/m3；

θ—煤的孔隙率，%；

r—鉆孔半徑，m；

Q—煤層吸附瓦斯含量，m3/m3；

式中：

a、b—吸附常數(shù)，m3/t、MPa-1；

A、M—煤的灰分、水分，%；

γ—煤的密度，kg/m3；

gradp(x，y)—p(x，y)的梯度。

依據(jù)上述數(shù)學模型在數(shù)值模擬軟件中建立煤層瓦斯抽采的數(shù)值模型，并利用軟件模擬瓦斯抽采過程，得到不同抽采鉆孔間距條件下煤層瓦斯降到允許值所需的時間，即得到不同的抽采半徑。

1.2 儲量法

一般情況下，煤層的透氣性及鉆孔瓦斯補給量是有限的，煤層的瓦斯流動性質(zhì)是非穩(wěn)定流動，即隨著流動時間的增長，鉆孔的瓦斯流量會衰減[4].

1) 通過現(xiàn)場抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測，抽采鉆孔施工完成后，瓦斯涌出強度隨時間變化的公式如下[4]：

q=q0e-αt

(2)

式中：

q—t時刻的鉆孔瓦斯涌出強度，m3/(min·m2)；

α—鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；

t—鉆孔內(nèi)瓦斯流動時間，min.

2) 對式(2)求積分，則可以得到t時間內(nèi)抽采鉆孔的抽采總量：

(3)

3) 一般情況下，在一定范圍煤層內(nèi)，煤層厚度、透氣性系數(shù)、瓦斯含量等參數(shù)可認為是一固定值。為便于分析，可在井下人為劃分出一個抽采區(qū)段進行計算，在該區(qū)域內(nèi)鉆孔采用等間距布置(假設為兩倍抽采半徑2R)，則確定該抽采區(qū)段需抽采瓦斯總量的公式如下：

Qz=L1×L×h×ρ×Wy×η

(4)

式中：

L1—抽采區(qū)段的寬度，m；

L—抽采鉆孔長度，m；

h—煤層的厚度，m；

ρ—抽采鉆孔控制區(qū)域煤層密度，t/m3；

Wy—煤層可解吸瓦斯含量，m3/t；

η—抽采達標時的瓦斯抽采率，%.

4) 結(jié)合公式(3)和公式(4)可得抽采區(qū)段內(nèi)殘余瓦斯達到預定抽采率時所需要的抽采時間計算方程：

(5)

式中：

N—抽采區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔數(shù)量，個。

求解式(5)，可得抽采區(qū)段達到目標預抽率時的抽采時間，即得到該抽采時間對應的抽采半徑為R.針對目標礦井，按照不同間距布置若干組抽采鉆孔，分別記錄不同組鉆孔的抽采流量數(shù)據(jù)，利用式(2)(3)(4)(5)進行數(shù)據(jù)分析，即可得到不同組的抽采半徑及對應的抽采時間。

1.3 瓦斯壓力法

鉆孔抽采瓦斯時，抽采鉆孔的影響范圍會隨著抽采時間的延長而逐漸加大，直到某處煤層的瓦斯壓力與抽采鉆孔孔底負壓之差不足以克服瓦斯運移到鉆孔的阻力時為止[11]. 在抽采鉆孔的有效影響范圍內(nèi)，流入抽采鉆孔的瓦斯量逐漸高于從遠處運移來的瓦斯量，則影響區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯壓力也相應下降[11]. 同時，由于瓦斯運移到鉆孔的阻力與運移距離呈正相關關系，則同一時刻距鉆孔越近瓦斯壓力下降量越大。基于上述原理，施工若干組不同間距的瓦斯壓力測試鉆孔，瓦斯壓力穩(wěn)定后在測壓鉆孔中間位置施工一個抽采鉆孔帶抽，通過測定瓦斯壓力隨抽采時間的變化情況，就可以確定出抽采鉆孔的有效抽采半徑[4].

基于上述原理，可將該方法的主要內(nèi)容論述如下：1) 依據(jù)現(xiàn)場情況在選定的試驗巷道壁上標記出若干組試驗鉆孔的開孔位置，每組包括兩個抽采鉆孔、一個測壓鉆孔，測壓鉆孔位于兩個抽采鉆孔中間位置，每組鉆孔的孔間距不同，兩組鉆孔之間的距離應大于兩倍的組內(nèi)鉆孔間距。2) 根據(jù)開孔位置標記，施工測壓鉆孔，并進行瓦斯壓力測試。3) 待瓦斯壓力測試結(jié)束后，施工抽采鉆孔，并封孔帶抽。4) 開始抽采后，跟蹤每組測壓鉆孔的瓦斯壓力變化情況。5) 在一定時間內(nèi)，瓦斯壓力降低到達標值以下的測壓孔與抽采孔的間距即為該時間對應的有效抽采半徑。

2 不同抽采半徑考察方法的適應性分析

為驗證數(shù)值模擬、儲量法及瓦斯壓力法的適用性，以古城煤礦N1306工作面回風順槽500～800 m為試驗區(qū)域，區(qū)域內(nèi)實測煤層可解吸瓦斯含量為7.078 9 m3/t，N1306工作面設計日產(chǎn)量為12 121 t，按照《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》(安監(jiān)總煤裝〔2011〕163號)的相關要求，該工作面抽采達標時的可解吸瓦斯含量應不大于4 m3/t，則對應的抽采率臨界值為43.49%，利用間接法反算出對應的煤層瓦斯壓力臨界值為0.4 MPa. 根據(jù)上述抽采達標臨界值，分別采用不同抽采半徑測試方法對該區(qū)域進行抽采半徑考察，通過對比測試結(jié)果分析不同抽采半徑測試方法在現(xiàn)場應用中的適用性。

2.1 不同抽采半徑考察方法的試驗情況

2.1.1數(shù)值模擬方法試驗情況

以古城煤礦3#煤層的順層抽采鉆孔工程為基礎，采用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬研究不同時間的有效抽采半徑演化規(guī)律，采用平面二維模型求解，模型的幾何尺寸長40 m，高6.65 m，抽采鉆孔d120 mm，鉆孔間距分別為1.00 m、1.25 m、1.50 m、1.75 m、2.00 m、2.25 m、2.50 m、2.75 m、3.00 m，每種間距布置4個鉆孔，鉆孔布局見圖2.

圖2 鉆孔布置幾何模型示意圖

根據(jù)式(3)和軟件中的內(nèi)置二維流場模塊，將各項參數(shù)賦值于模型。其中，煤層瓦斯壓力p由現(xiàn)場測試地點的瓦斯含量利用間接法轉(zhuǎn)換而來，抽采達標時的殘余瓦斯壓力p2則根據(jù)抽采率對應的瓦斯含量間接計算，為0.4 MPa，相關參數(shù)見表1. 表1中ρ0為標準狀態(tài)下瓦斯密度，kg/m3.

表1 抽采半徑數(shù)值模擬相關參數(shù)表

依據(jù)上述數(shù)值模型及有效抽采半徑的界定指標(3#煤層抽采達標時瓦斯壓力應≤0.40 MPa)，模擬計算古城煤礦3#煤層不同鉆孔間距(d=1.50 m、2.00 m、3.00 m)抽采達標時的瓦斯壓力分布情況，鉆孔周圍煤層瓦斯壓力分布云圖見圖3. 隨著抽采鉆孔間距的增大，抽采達標的時間也逐漸增大，不同抽采半徑及對應的抽采達標時間見表2.

圖3 不同間距鉆孔抽采達標時的瓦斯壓力云圖

表2 古城煤礦3#煤層不同抽采時間的抽采半徑表

2.1.2儲量法現(xiàn)場試驗

按照測試步驟在古城煤礦N1306工作面回風順槽進行了儲量法測試抽采半徑試驗，共施工抽采流量監(jiān)測鉆孔21個，施工抽采邊界條件鉆孔18個，合計39個試驗鉆孔，S1—B3、B3—B8、B8—B15的孔間距分別為3 m、2 m和1.5 m，鉆孔布置方式見圖4. 鉆孔參數(shù)與古城礦日常抽采鉆孔相同，即方位角為垂直巷道壁，傾角為煤層傾角+1°，長度為160 m，孔徑為120 mm. 根據(jù)鉆孔用途和鉆孔間距不同試驗鉆孔分為6組，每組鉆孔施工結(jié)束后并入同一匯流管中帶抽，其中第1組、第3組和第5組鉆孔的匯流管上安裝孔板流量計，用于記錄鉆孔瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)，鉆孔并網(wǎng)后每天測試一次鉆孔抽采數(shù)據(jù)。

圖4 試驗鉆孔布置示意圖

將匯流管測出的孔組純量除以組內(nèi)鉆孔個數(shù)作為該組抽采孔的單孔抽采純量，對單孔抽采數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，見圖5.

圖5 抽采鉆孔單孔日抽采純量衰減情況圖

由圖5可知，古城煤礦抽采鉆孔的單孔流量變化情況符合流量衰減規(guī)律，可以利用儲量法計算抽采半徑。按照儲量法和計算公式，以抽采率43.49%為評判指標臨界值，確定了古城煤礦N1306工作面回風順槽區(qū)域不同抽采達標時間對應的抽采半徑：1) 抽采達標時間為430 d時，抽采半徑為1.5 m. 2) 抽采達標時間為373 d時，抽采半徑為1.0 m. 3) 抽采達標時間為287 d時，抽采半徑為0.75 m.

2.1.3瓦斯壓力法試驗情況

在古城煤礦N1306工作面回風順槽650～800 m進行瓦斯壓力法測試抽采半徑試驗，共布置試驗鉆孔3組，每組3個鉆孔，合計9個試驗鉆孔。其中P1、P2、P3為測壓鉆孔，位于每組鉆孔的中間位置，其余鉆孔為抽采鉆孔。第1組、第2組及第3組鉆孔的孔間距分別為1.5 m、1 m及0.75 m，為避免相互干擾，將組間距設置為15 m，見圖6. 測壓鉆孔施工參數(shù)：長度50 m，孔徑94 mm，傾角+6°，方位角為垂直巷道壁，封孔長度49 m；抽采鉆孔施工參數(shù)與日常抽采鉆孔相同。

圖6 瓦斯壓力法試驗鉆孔布置示意圖

根據(jù)標定的測試鉆孔位置，首先施工3個瓦斯壓力測試鉆孔，封孔后安裝壓力表，每天讀取一次瓦斯壓力數(shù)據(jù)；在瓦斯壓力穩(wěn)定后，在每個測壓鉆孔的兩側(cè)分別按預定間距施工抽采鉆孔，施工完畢后并網(wǎng)帶抽；每間隔8 h讀取一次壓力表數(shù)據(jù)。但在實際試驗時，第3組鉆孔由于孔間距較小，施工中出現(xiàn)了串孔現(xiàn)象，在多次更換位置重新施工后仍然無法解決該問題。因此，最終僅觀測了第1組和第2組試驗鉆孔的數(shù)據(jù)。根據(jù)抽采率臨界值43.49%，利用間接法計算出對應的煤層瓦斯壓力臨界值0.4 MPa，當所有測壓鉆孔的瓦斯壓力下降至0.4 MPa以下時，停止瓦斯壓力數(shù)據(jù)的觀測。將瓦斯壓力變化數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，分析各組鉆孔的瓦斯壓力隨時間降低規(guī)律，見圖7.

圖7 瓦斯壓力下降曲線圖

圖7中數(shù)據(jù)顯示，第1組鉆孔在抽采3 d(即72 h)時能夠滿足抽采達標要求，第2組鉆孔在抽采2 d(即48 h)時就能夠滿足抽采達標要求。因此，可以確定古城煤礦N1306工作面回風順槽區(qū)域不同抽采達標時間對應的抽采半徑：1) 抽采達標時間為2 d時，抽采半徑為1.0 m. 2) 抽采達標時間為3 d時，抽采半徑為1.5 m.

2.2 不同抽采半徑考察方法的適應性分析

對比3種抽采半徑考察方法的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在抽采半徑相同的情況下，數(shù)值模擬方法和儲量法對應的抽采達標時間較為接近，而瓦斯壓力法的抽采達標時間遠低于前兩者，具體見表3. 3種考察方法所獲取的抽采半徑數(shù)據(jù)相差較大，無法確定方法的適應性。為進一步核實結(jié)果的準確性，結(jié)合該礦抽采達標評判工作，對試驗區(qū)域的煤層殘余瓦斯含量進行了測試，利用實測數(shù)據(jù)對不同方法的準確性和適應性進行分析。

表3 不同抽采半徑考察方法測試結(jié)果對比表

1) 測壓法試驗區(qū)域內(nèi)，在不同時間分別對第1組和第2組鉆孔區(qū)域的殘余可解吸瓦斯含量進行測試。結(jié)果顯示：第1組鉆孔區(qū)域抽采3 d時，殘余可解吸瓦斯含量為6.8 m3/t，對應的抽采率僅為3.95%；第2組鉆孔區(qū)域抽采2 d時，殘余可解吸瓦斯含量為6.7 m3/t，對應的抽采率僅為5.37%，遠低于抽采達標的要求。這一現(xiàn)象發(fā)生的原因很有可能和煤層卸壓有關，抽采鉆孔施工過程中受煤層軟硬變化影響，極易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有可能與臨近測壓鉆孔串通或在鉆孔間的煤層中形成較大的裂隙，導致測壓鉆孔與抽采負壓產(chǎn)生聯(lián)系，使得鉆孔內(nèi)的氣壓快速下降，造成抽采達標的假象。因此，瓦斯壓力法對瓦斯抽采半徑測試的適應性較差。

2) 儲量法試驗區(qū)域內(nèi)，在不同時間分別對第1組、第3組和第5組鉆孔區(qū)域的殘余可解吸瓦斯含量進行測試，并計算對應的抽采率。結(jié)果顯示：第1組鉆孔抽采430 d時的殘余可解吸瓦斯含量為3.9 m3/t，對應的抽采率為45.92%；第3組鉆孔抽采360 d時的殘余可解吸瓦斯含量為4.1 m3/t，對應的抽采率為42.09%，抽采373 d時的殘余可解吸瓦斯含量為3.8 m3/t，對應的抽采率為43.33%；第5組鉆孔抽采208 d時的殘余可解吸瓦斯含量為4.3 m3/t，對應的抽采率為39.27%，抽采287 d時的殘余可解吸瓦斯含量為3.9 m3/t，對應的抽采率為45.92%. 這說明儲量法測試出的抽采半徑最適應井下實際抽采環(huán)境，能夠保證在預定時間內(nèi)抽采達標，而數(shù)值模擬方法的測試結(jié)果與現(xiàn)場實際略有偏差，瓦斯壓力方法的測試結(jié)果無法反映井下真實抽采情況。

因此，古城煤礦的抽采半徑測試結(jié)果：抽采430 d時，抽采半徑為1.5 m；抽采373 d時，抽采半徑為1.0 m；抽采287 d時，抽采半徑為0.75 m.

3 結(jié) 論

1) 瓦斯壓力測試法試驗鉆孔施工過程中受煤層軟硬變化影響，極易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導致與臨近鉆孔串通或在鉆孔之間形成貫通裂隙，導致測壓鉆孔與抽采負壓直接產(chǎn)生聯(lián)系，使得鉆孔內(nèi)的氣壓快速下降，造成抽采達標的假象，使得瓦斯壓力測試法的適應性較差，測試精度偏低。

2) 在煤礦井下抽采半徑測試過程中，儲量法的適應性最好，測試精度最高，能夠準確反映煤層抽采半徑情況；其次是數(shù)值模擬方法，也能較好地適應抽采半徑測試需要，測試結(jié)果略有偏差。

3) 利用儲量法測試了古城煤礦的抽采半徑，測試結(jié)果：抽采430 d時，抽采半徑為1.5 m；抽采373 d時，抽采半徑為1.0 m；抽采287 d時，抽采半徑為0.75 m.