鶴煤八礦順層鉆孔有效抽采半徑影響因素分析

尚賓

（河南能源化工集團鶴煤公司八礦，河南 鶴壁 458003）

關健詞：抽采鉆孔；有效抽采半徑；數值模擬；半徑影響因素

0 引言

順層鉆孔預抽煤層瓦斯是有效方法之一[1-3]。有效抽采半徑是指在規定時間內以抽采鉆孔為中心,該半徑范圍內的瓦斯壓力或含量降到安全容許值的范圍[3]。準確的順層鉆孔有效抽采半徑對提高瓦斯抽采效果[4]。界定瓦斯有效抽采半徑常用煤層瓦斯壓力和單位質量的煤含瓦斯量兩項指標,達到安全允許值分別為0.74 MPa和8 m3/t[6-8]。郝富昌得出瓦斯抽放過程中煤的滲透率會隨時間的推移逐漸增大[7]。劉彥偉研究了水力沖孔增透效果[8]。魏國營等利用噸煤瓦斯抽采量計算鉆孔瓦斯有效半徑[9-10]。王兆豐得出壓降法是測定鉆孔抽放半徑的有效方法之一[11-13]。韓穎等指出數值模擬與現場實測相結合的方法是確定有效半徑的發展方向[14]。司鵠利用變系數非線性瓦斯滲流方程來抽采半徑方法[15]。張玉瑩利用數值模擬的方法研究了抽采效果隨抽采參數變化的變化[16]。本文結合鶴煤八礦實際情況分析了不同抽采因素對抽采半徑的影響。

1 鉆孔瓦斯抽采理論模型建立

煤層作為多孔介質，具有大量的微空隙及裂隙，煤層中的瓦斯流動由裂隙中的滲流及微孔中的擴散組成，裂隙中的滲流運動可以用Darcy滲透定律描述[12]，微孔中的擴散用Fick擴散定律描述。本文建立了考慮煤層變形、瓦斯滲流擴散及瓦斯吸附解吸的固-氣耦合鉆孔瓦斯抽采理論模型，并結合新安礦實際情況構建了物理模型確定了模擬參數，并基于大型多場耦合數值模擬軟件C O MS O L模擬了不同情況下有效抽采半徑的變化規律，分析了孔口負壓、孔徑大小等因素對有效抽采半經的影響，這對準確確定鶴煤八礦鉆孔有效抽采半經、提高瓦斯抽采效果有著重要的指導意義。

在建立描述瓦斯抽采過程瓦斯在煤層中流動的固-流耦合模型，作下列4個假設：①抽采瓦斯的煤層處具有各向同性；②煤層中的瓦斯為單向吸附的飽和狀態；③吸附狀態的瓦斯在煤體基質中運動符合Fick擴散定律，游離狀態的瓦斯在煤層中的流動符合為Darcy滲流定律；④煤層中瓦斯的吸附解吸過程服從Langmuir方程及該方程的所有假定條件；⑤抽采瓦斯的煤體處于彈性變形階段并且遵從廣義胡克定律。

根據Fick定律、Darcy定律、Terzaghi有效應力原理等理論，建立了考慮煤層變形、瓦斯滲流擴散及瓦斯吸附解吸的固-氣耦合鉆孔瓦斯抽采理論模型，模型綜合考慮了煤層孔隙瓦斯壓力、瓦斯吸附膨脹應力及煤層滲透率動態變化，如式1所示。

式中:E為煤巖體的彈性模量；θ為煤體的泊松比；ui為位移分量，m；Fi為體積力張量，N/m3；p為瓦斯壓力，MPa；n為煤層孔隙率；n0為煤層的初始孔隙率；a為煤巖極限吸附量，m3/kg；b為吸附常數，MPa-1；k為煤層滲透率，m2；k0為煤層初始滲透率，m2。μ為瓦斯動力黏度系數，P a·s；ks為煤體骨架體積模量，MPa；εv為體積應變；c為綜合參數，可由式2計算[10]；Xx為吸附瓦斯含量，可由式3計算，m3/t。

式中：ρs為煤巖視密度，kg/m；A，M分別為煤體中的灰分及水分，%；R為摩爾氣體常數，J/（mol·K）；T為絕對溫度，K；p1為與吸附瓦斯對應的壓力值，MPa。

2 順層鉆孔有效抽采半徑影響因素研

2.1 物理模型建立及定解條件

鶴煤八礦主采二1煤，平均煤厚4.2 m，本煤層抽采鉆孔一般采用φ94 mm的鉆頭鉆進，該鉆頭打孔成孔孔徑為100 mm左右，鉆孔的長度一般為80 m。本文結合鶴壁八礦現場實際情況，建立了100 m×4.2 m的幾何模型，抽采鉆孔位于模型中心；網格劃分方式采用自由刨分三角形網格，并在鉆孔周圍進行細化處理，具體如圖1所示。

圖1 物理模型示意圖

本文的數值模擬以鶴煤八礦主采煤層相關物性參數為基礎進行，具體物理參數見表1。

表1 物理參數表

初始條件：煤層內部有1.6 MPa的初始瓦斯壓力，抽采孔的壓力為-14 k P a，初始應力狀態為巷道形成后的應力分布。

邊界條件：瓦斯僅在煤層中流動，模型上下兩側為零通量不通氣邊界，左右兩側為連續性邊界，四周為輥支承約束，上部自由，下部固定約束，上部承受二1煤上部巖層應力為18 MPa，考慮模型自重載荷。

2.2 鶴壁八礦順層鉆孔有效抽采半徑影響因素研究

論文依據《防治煤與瓦斯突出固規定》將鉆孔有效抽采半徑界定為周圍煤層殘余瓦斯壓力低于0.74 MPa的區域。

2.2.1 抽采時間對鉆孔有效抽采半徑的影響

抽采時間分別為30、60、90、120、150、180 d時，抽采鉆孔周圍煤層瓦斯壓力分布如圖2、圖3所示。

圖2 煤層瓦斯壓力分布云圖

圖3 不同抽采時間的煤層瓦斯壓力分布圖

由圖2、圖3可看出，隨著抽采時間延長，鉆孔周圍煤層瓦斯壓力不斷降低，鉆孔卸壓范圍不斷增大，但增大幅度不斷減小。根據不同抽采時間的煤層瓦斯壓力分布情況及鉆孔有效抽采半徑定義，可得鉆孔有效抽采半徑隨抽采時間的變化情況見圖4。

圖4 有效抽采半徑隨抽采時間的變化

從圖4可看出，鉆孔抽采有效半徑與抽采時間之間關系符合冪指數函數關系，隨著抽采時間延長，有效抽采半徑逐漸增大，但增大速率逐漸減?。怀椴蓵r間對有效抽采半經影響較大，抽采時間30～180 d，可以將鉆孔有效抽采半徑由0.39 m增加至1.30 m。

2.2.2 鉆孔孔徑對鉆孔有效抽采半徑的影響

當鉆孔孔徑分別為75、94、113、130、150 mm時，不同抽采時間時鉆孔有效抽采半徑隨孔徑的變化情況如圖5所示。

圖5 有效抽采半徑隨孔徑的變化

由圖5可以看出，鉆孔有效抽采半徑與孔徑之間關系符合冪指數關系，隨著孔徑的增大，鉆孔有效抽采半徑逐漸增大；孔徑對鉆孔有效抽采半經的影響也較大，抽采180 d時，151 mm鉆孔比75 mm鉆孔有效抽采半徑增大了0.64 m，因此現場可以通過增加鉆孔孔徑來提高瓦斯抽采效果。

3 孔口抽采負壓對鉆孔有效抽采半徑的影響

當鉆孔孔口抽采負壓分別為5、10、15、20、25 k P a時，有效抽采半徑隨抽采時間的變化情況如圖6所示。從中可以看出，孔口抽采負壓對鉆孔有效抽采半徑的影響很小，基本可以忽略不計。

圖6 不同抽采負壓下有效抽采半徑隨時間的變化

4 煤層初始滲透率對有效抽采半徑的影響

當煤層初始滲透率分別為0.1、0.08、0.06、0.04、0.02 mD時，鉆孔有效抽采半徑隨抽采時間的變化規律如圖7所示。

圖7 鉆孔有效抽采半徑隨煤層初始滲透率的變化

由圖7可知，有效抽采半徑與煤層初始滲透率之間關系同樣符合冪指數關系，煤層初始滲透率越大，鉆孔有效抽采半徑越大；煤層初始滲透率對鉆孔有效抽采半經的影響很大，抽采180 d時，0.1mD比0.02 mD有效抽采半徑增大了1.55 m。因此，現場可以通過水力沖孔等措施增加煤層透氣性以達到提高瓦斯抽采效果的目的[8]。

5 結論

1）建立了綜合考慮煤層變形、瓦斯滲流擴散及瓦斯吸附解吸的鉆孔瓦斯抽采固-氣耦合理論模型，數值分析了抽采時間、鉆孔孔徑、孔口抽采負壓和煤層初始滲透率對鉆孔有效抽采半經的影響。

2）鉆孔有效抽采半徑與抽采時間、鉆孔孔徑和煤層初始滲透率之間的關系均符合冪指數函數關系；抽采時間越長、鉆孔孔徑越大、煤層初始滲透率越大，鉆孔有效抽采半經越大。

3）煤層初始滲透率對鉆孔有效抽采半徑影響很大，抽采時間和孔徑對其影響較大，抽采負壓對其的影響基本可以忽略不計，現場可以通過實施增透措施、延長抽采時間、增大孔徑以提高瓦斯抽采效果。

4）對不同的礦井可調整文中給出的物理參數，針對不同尺寸的鉆孔、孔口負壓重新進行模擬，根據模擬結果選取合適的鉆孔孔距。