基于定向長鉆孔抽采瓦斯的數值模擬研究

王廣宏

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國大部分煤礦為井工開采，災害特別是瓦斯災害嚴重。隨著開采深度不斷延伸，煤層原始瓦斯含量隨之增加，瓦斯治理難度加大，“抽—掘—采”失調，采掘接替緊張，嚴重影響礦井安全生產。定向鉆進技術是近幾年發展起來并被廣泛應用的一種精確鉆進技術，該技術將大功率鉆機和隨鉆測量系統相結合，通過孔底馬達，使鉆孔沿著設計軌跡鉆進，主要用于中硬煤層施工瓦斯抽采長鉆孔及分支孔，是瓦斯抽采鉆孔施工的關鍵技術[1-8]。定向長鉆孔瓦斯抽采技術與傳統常規鉆孔瓦斯抽采技術相比，定向長鉆孔更經濟、更高效、更安全，現已大規模應用于預抽煤巷條帶煤層瓦斯、預抽回采工作面煤層和工作面卸壓瓦斯，可代替底板瓦斯抽采專用巷和頂板瓦斯抽采專用巷，不僅可以提高抽采瓦斯效率，而且還可節約瓦斯治理成本[9-16]。

張勁松分析了定向長鉆孔瓦斯抽采技術較傳統鉆孔技術的優勢[17]；史永濤采用順層定向長鉆孔方式代替傳統的鉆孔抽采，實現均勻布孔，保證了煤礦安全抽采[18]；郭云濤等通過增加定向長鉆孔裂隙，從而提高了鉆孔抽采效率[19]；陳建等利用定向長鉆孔實現了“一孔兩消”預抽消突的目的[20]；王勇等以端氏煤礦3019工作面為工程背景，探究“以孔代巷”瓦斯抽采技術的可行性[21]。然而，大部分科技工作人員主要針對現場鉆孔施工工藝和抽采瓦斯效果進行研究，而在定向長鉆孔的理論分析方面的研究還不夠充分。

筆者首先根據榆樹田煤礦5號煤層110503工作面實測數據和鉆孔信息，基于應力平衡和瓦斯滲流規律，建立幾何模型，模擬地下煤層、巖層、鉆孔的真實分布；然后，通過與現場實測瓦斯抽采數據進行對比分析，驗證所建模型的準確性和可靠性；最后，利用所建模型，分析鉆孔長度、鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響，為榆樹田煤礦定向長鉆孔設計和瓦斯抽采提供理論依據。

1 工程背景

榆樹田煤礦5號煤層為礦井主采煤層，結構簡單。5號煤層為煤與瓦斯突出煤層，煤層厚6.38～11.37 m，平均厚9.35 m；5#煤層頂底板主要為粉砂巖和砂質泥巖，與上部4號煤層平均間距為29.32 m，屬穩定全區可采煤層。為解決目前煤礦瓦斯涌出量大、抽采效率不高的難題，亟待開展適用于榆樹田煤礦的定向長鉆孔瓦斯抽采工藝技術方面的研究，以提高瓦斯抽采效率，確保礦井安全生產。

2 數值模擬研究

2.1 模型建立

根據應力平衡和瓦斯滲流規律，以現場煤層數據及煤樣吸附能力為參數，利用COMSOL軟件對榆樹田煤礦110503工作面5號煤層、附近巖層和鉆孔進行建模，模型總體尺寸為200 m×60 m×1 000 m。根據現場實際條件確定模型鉆孔的數量及長度，同時將不同工作面下的鉆孔布置在煤層的不同區域、設置相應的邊界條件以還原現場的真實情況，確保模擬所得規律符合實際。模型建立所需參數見表1，110503各鉆場定向長鉆孔瓦斯抽采幾何模擬模型如圖1所示。

表1 5號煤層物理參數

(a)110503工作面1#鉆場

由圖1可知，110503工作面設計有4個鉆場，共14個定向長鉆孔，鉆孔編號為1號至14號，其中 1號和2號鉆孔位于1#鉆場，3號和4號鉆孔位于 2#鉆場，5號至9號鉆孔位于3#鉆場，10號至14號鉆孔位于4#鉆場。

2.2 數值模擬結果分析

為確定鉆孔瓦斯抽采參數，根據所建模型，對單個鉆孔進行分析研究。主要分析鉆孔長度、鉆孔間距對瓦斯抽采量的影響，并確定榆樹田煤礦5號煤層合適的鉆孔長度和鉆孔間距。

2.2.1 鉆孔長度

為研究鉆孔長度對瓦斯抽采量的影響，建立了單個鉆孔模型，在抽采負壓不變的情況下，改變鉆孔長度。瓦斯抽采總量與鉆孔長度的關系如圖2所示。

圖2 瓦斯抽采總量與鉆孔長度的關系圖

由圖2可知，隨著鉆孔長度的增加，瓦斯抽采總量隨之增加。當鉆孔長度為0～300 m時，抽采總量增加梯度顯著，抽采量迅速增加到20多萬m3；當鉆孔長度為300～650 m時，抽采總量增加梯度大幅降低；當鉆孔長度大于650 m時，瓦斯抽采總量穩定在26萬m3左右。因此，定向長鉆孔的合理長度約為650 m。

2.2.2 鉆孔間距

為分析鉆孔不同間距對瓦斯抽采量的影響，設置鉆孔間距分別為5、10、15、20 m，模擬不同鉆孔間距下，鉆孔孔壓隨鉆孔長度的變化關系，以及瓦斯抽采量隨抽采時間的變化關系，如圖3和圖4所示。

(a)鉆孔間距5 m

圖4 不同間距鉆孔瓦斯抽采量隨抽采時間變化關系圖

由圖3可以看出，鉆孔間距越大，同一抽采時間內鉆孔的孔壓越大，即與地層壓力的壓力差越小。這是因為在一定范圍內增大鉆孔間距會減弱鉆孔之間的疊加效應，每個鉆孔之間彼此影響較小，導致壓力下降得更慢，從而導致瓦斯抽采量減小。

由圖4可以看出，在抽采時間為300 d時，5 m間距鉆孔瓦斯抽采總量為71.9萬m3，10 m間距鉆孔瓦斯抽采總量為67.8萬m3，15 m間距鉆孔瓦斯抽采總量為58.1萬m3，20 m間距鉆孔瓦斯抽采總量為54.2萬m3。從數據上可以得出，鉆孔間距越大，瓦斯的最終抽采量越少，且在鉆孔間距從5 m增加到20 m的過程中，間距每增大5 m，抽采量約減少5%～7%。

綜上所述，鉆孔間距的變化并不會對抽采瓦斯量產生較大影響，鉆孔間距增大時，總抽采量略有減少。

3 數值模擬與實測結果分析

為了驗證模型的準確性和可靠性，將110503工作面運輸巷1#、2#、3#和4#鉆場模擬所得瓦斯抽采量與現場實測數據進行對比，結果如圖5所示。

(a)1#鉆場

由圖5可以看出，110503工作面1#～3#鉆場，除開始抽采50 d和最后抽采20 d時，現場實測數據的突然增大外，模擬結果總體上與現場實際情況較為吻合；4#鉆場在開始抽采20 d時間內，由于不確定因素導致抽采量接近于0，除該段時間與模擬結果不相符外，整個過程的擬合效果較好，驗證了該模型的準確性和可靠性。

4 結論

1)在抽采負壓不變的情況下，定向長鉆孔瓦斯抽采總量會隨著鉆孔長度的增大而增大，但鉆孔長度增大到 650 m 左右，瓦斯抽采總量趨于穩定，定向長鉆孔合理長度定為650 m。

2)鉆孔間距越大，同一抽采時間內鉆孔的孔壓越大，即與地層壓力的壓力差越小。相鄰鉆孔之間的抽采會產生疊加效應，在鉆孔間距從5 m增加到 20 m 的過程中，鉆孔間距增加會相對減弱鉆孔之間的影響，鉆孔間距越大，最終瓦斯抽采量越少，在鉆孔間距從5 m增加到 20 m 的過程中，間距每增加 5 m，抽采量約減少5%～7%。

3)基于榆樹田煤礦5號煤層條件，建立了流固耦合隨動滲流模型，對定向長鉆孔瓦斯抽采進行數值模擬分析，將瓦斯抽采的模擬數據與現場抽采實測數據進行對比，模擬所得數據與現場實測數據基本吻合，從而驗證了模擬的準確性和可靠性，為榆樹田煤礦定向長鉆孔設計和瓦斯抽采提供了理論依據。