石門揭煤預抽鉆孔參數數值模擬研究及應用

李斗

(沁和能源集團有限公司永安煤礦,山西 晉城市 048000)

0 引言

長久以來,煤炭在我國的能源消耗構成中一直占據著主導地位,而煤體作為一種多孔介質,因其內部含有豐富的裂隙通道,導致煤體內富含瓦斯。近些年來,在科技創新的推動下,我國煤炭開采能力不斷提高,開采深度也在不斷增加,地質條件變得愈發復雜,煤與瓦斯突出事故顯著增加[1]。其中,石門揭煤過程中發生的煤與瓦斯突出事故最為頻繁,而預抽瓦斯技術是我國當前應用最廣泛的石門揭煤防突措施,合理選擇鉆孔參數是預抽瓦斯技術的關鍵,也是預抽效果達標、實現安全揭煤的重要保障。

聶敏忠[2]通過對朱莊煤礦4號煤上覆巖層移動的“三帶”分析和研究,確定了4號煤頂板走向高位鉆孔裂隙帶高度,提出了合理的布置鉆場鉆孔設計參數,并應用于朱莊煤礦4414綜采工作面,使4414工作面高位鉆孔瓦斯抽放率與相鄰工作面相比,提高了近2倍。閆潔倫等[3]根據煤礦瓦斯抽放的實際條件,對鉆場的鉆孔數量與抽出量、鉆孔預抽時間與抽放量的關系進行統計分析與優化,得出了該煤礦每個鉆場的鉆孔數量應為30個左右、最佳抽放時間為18個月以內的結論。胡寶林等[4]利用頂板冒落的關鍵層理論,在采空區頂板采動裂隙、冒落數值模擬結果的基礎上,對高位抽放鉆孔的終孔位置、終孔平距、抽放鉆孔的直徑等參數進行了優化,提高了抽采效率。王磊[5]基于瓦斯滲流理論,對鶴壁九礦3104工作面瓦斯抽采過程中不同抽采時間、不同鉆孔直徑、不同抽采負壓進行了數值模擬,確定了3104工作面的最優抽采參數,有效消除了3104 工作面的煤與瓦斯突出。張波等[6]利用數值模擬分析了單一鉆孔和多鉆孔抽采過程中瓦斯壓力分布規律及有效抽采半徑,并得出抽采時間與最佳鉆孔布置間距之間的關系,為某礦12150工作面預測抽采時間及鉆孔布置參數選擇提供了理論依據。李可等[7]基于吸附和游離兩種形態瓦斯的賦存情況,建立了更加貼合瓦斯實際狀態的抽采理論模型,利用COMSOL軟件模擬了不同布孔間距下的煤層瓦斯壓力分布情況,確定了合理的順層預抽鉆孔布孔間距,并應用于現場實際抽采工作,取得了理想的效果。施永威等[8]基于煤巖彈性理論和瓦斯滲流理論,研究了啟動壓力作用下的非滲流現象,得到了考慮啟動壓力的達西定律,建立了考慮啟動壓力、地應力、吸附膨脹應力、孔隙壓力共同作用的煤巖瓦斯流固耦合數學模型,并采用建立的模型對漳村煤礦2601工面瓦斯抽采鉆孔間距進行數值模擬研究,得出了漳村煤礦2601工作面合理的瓦斯預抽鉆孔設計參數。盧平等[9]在建立石門揭煤抽放瓦斯鉆孔周圍煤體瓦斯滲流方程的基礎上,利用數值計算方法模擬分析了煤層鉆孔周圍瓦斯滲流規律以及影響石門揭煤鉆孔瓦斯抽放率的影響因素,得出了在一定煤層透氣性條件下原始煤層鉆孔抽放瓦斯的極限抽放時間、極限抽放量和最大的安全抽放鉆孔間距,并將結果應用于指導現場施工,實現了安全揭煤。許朋德等[10]通過分析煤與瓦斯突出的基本原理以及抽采鉆孔的“瓶塞效應”,提出了縱橫交錯的立體綜合防突技術,對揭煤區域煤層瓦斯進行立體預抽采,彌補了平面瓦斯抽采的不足,使揭煤區域瓦斯抽采率達到74.08%。

本文以質量守恒定律和瓦斯滲流理論為基礎,建立了瓦斯運移數學方程,利用COMSOL 數值模擬軟件研究了不同鉆孔直徑、不同抽采時間、不同抽采負壓、不同鉆孔間距條件下的鉆孔周圍瓦斯壓力分布規律,從而確定了合理的預抽鉆孔布置參數,并成功應用于某礦＋1168 m 軌道運輸巷石門揭煤瓦斯預抽工程。研究成果可為我國煤與瓦斯突出礦井瓦斯預抽鉆孔參數設計提供參考。

1 數值模型建立

1.1 假設條件

在模擬瓦斯抽采問題之前,為了方便計算,需要對模擬過程做以下假設。

(1)因為頂底板巖層的透氣性相較于煤層可以忽略不計,所以認為只有煤層中發生瓦斯運移,并且符合達西定律。

(2)在鉆孔周圍區域煤層內的不均質性可忽略不計,而且瓦斯壓力變化不影響煤層透氣性和滲透率的變化,透氣性和滲透率的改變只發生在鉆孔周圍的塑性區內。

(3)煤體內瓦斯被當做理想氣體處理,并且滲流過程中溫度保持不變,瓦斯解吸可用朗格繆爾方程表達。

1.2 控制方程

煤層中的瓦斯在運移過程中符合質量守恒定律,我們可以得出瓦斯的方程[11]:

式中,mg為煤巖中的瓦斯質量,kg;t為瓦斯擴散時間,s;ρg 為游離態瓦斯的密度,kg/m3;υ為瓦斯滲流速度,m/s。

煤體中有著許多的孔隙和裂隙,煤層瓦斯以游離態或者吸附態存在于這些孔隙和裂隙中,因此游離狀態瓦斯和吸附狀態瓦斯這兩部分用下式表示[12]:

式中,φ為煤層的孔隙率;ρ1 為標準狀況下的瓦斯密度,kg/m3;ρm 為煤的密度,kg/m3;P為瓦斯壓力(達西定律物理場所求的變量),MPa;Lc為朗格繆爾常數;Lp為朗格繆爾壓力,MPa。

在負壓作用下,瓦斯在煤層中的運移可以看做滲流運動,滿足達西定律,同時考慮到氣體滲流的克林肯伯格效應,把瓦斯的滲流速度用下式表示[13]:

式中,k為煤層的滲透率;mk為克林肯伯格系數;μ為瓦斯動力黏度;ΔP為壓力差,MPa。

由于把瓦斯看作理想氣體,因此游離在煤層孔隙的瓦斯含量可以用氣體狀態方程求得,具體如下式所示[14]:

式中,Mg為瓦斯的摩爾質量,g/mol;R為氣體摩爾常數;T為參考溫度,℃。

根據上述公式可建立瓦斯運移方程。

1.3 模型定解條件

(1)初始條件。煤層中的瓦斯初始狀態按理想模型考慮,煤層中的初始瓦斯壓力值為2.92 MPa。

(2)邊界條件。該模型為理想模型,模型中邊界的壓力恒定不變,不存在壓力梯度;頂板和底板為不透氣巖層,不發生氣體交換;鉆孔中只存在抽采負壓。

1.4 幾何模型建立

根據表1中的煤體基本參數建立二維平面(局部超細化)20×200網格模型,如圖1所示。

圖1 二維平面模型

表1 煤體基本參數

2 數值模擬分析

2.1 不同鉆孔直徑對抽采效果的影響

圖2為抽采負壓為10 kPa,抽采時間為60 d,抽采鉆孔直徑分別為50 mm、75 mm、100 mm 的瓦斯壓力分布云圖。

圖2 不同鉆孔直徑的瓦斯壓力分布云圖

從圖2可以看出,隨著抽采鉆孔直徑的增大,瓦斯壓力控制范圍也在不斷增大。這是因為抽采鉆孔直徑增大,鉆孔周圍的塑性區隨之擴大,塑性區中的裂隙擴展形成弱化帶,煤體透氣性變高,有助于提高瓦斯抽采效果。

圖3為鉆孔周圍瓦斯壓力分布曲線。由圖3可知,距離鉆孔中心位置越遠,曲線斜率越小,這表示單個鉆孔控制的瓦斯壓力范圍是有限的,只有施工一定數量的鉆孔,瓦斯抽采效果才會得到提升。

圖3 鉆孔周圍瓦斯壓力分布曲線

同時應該注意,雖然鉆孔直徑增大有助于提升瓦斯抽采效果,但是大直徑鉆孔施工難度較大,對技術、設備等要求較高,結合該礦的實際條件,選擇75 mm 的鉆孔直徑較為合適。

2.2 抽采負壓對抽采效果的影響

圖4為抽采時間為60 d,鉆孔直徑為75 mm,抽采負壓分別為10 kPa、15 k Pa、20 k Pa的瓦斯壓力分布云圖。

圖4 不同抽采負壓的瓦斯壓力分布云圖

從圖4可以看出,隨著抽采負壓的增加,鉆孔周圍的瓦斯壓力分布沒有明顯的變化。因此,在該礦條件下,改變抽采負壓對抽采效果的提升影響較小。

2.3 抽采時間對抽采效果的影響

圖5 為鉆孔直徑為75 mm,抽采負壓為10 kPa,不同抽采時間的瓦斯壓力分布云圖。

圖5 不同抽采時間的瓦斯壓力分布云圖

由圖5可知,隨著抽采時間的增加,抽采效果提升明顯,這是因為隨著抽采過程的持續進行,煤體骨架開始收縮變形,瓦斯潛能得到充分的釋放,極大地提升了瓦斯的抽采效果。

由圖6可看出,瓦斯抽采流量隨著時間增加而逐漸減小,直至一個極限值,這說明該條件下瓦斯抽采存在一個極限抽采時間,該極限值大概為90 d。

圖6 瓦斯抽采流量隨時間的變化曲線

造成這種現象的原因是隨著時間的增加,瓦斯的抽采和解吸也將逐漸平衡,瓦斯流場隨之穩定,單個鉆孔所控制的抽采半徑達到極限,在這之后瓦斯抽采流量值將逐漸趨于零,因此,抽采時間最低應該為90 d。

2.4 鉆孔間距對抽采效果的影響

由前文在討論可知,該條件下的抽采時間至少為90 d,而有關規定中要求煤層瓦斯必須小于0.74 MPa時,才可以進行揭煤工作。

圖7為90 d鉆孔附近瓦斯壓力分布曲線,觀察圖7可知,在抽采時間為90 d時,鉆孔的有效抽采半徑在1.5～3 m 之間,即最佳的抽采鉆孔布置間距為3～6 m。

圖7 90d鉆孔附近瓦斯壓力分布曲線

圖8為鉆孔直徑為75 mm,抽采時間為50 d,抽采負壓為10 k Pa,抽采鉆孔布置間距分別為3 m、4.5 m、6 m 的瓦斯壓力分布云圖。

由圖8可以看出,隨著鉆孔間距的增加,鉆孔之間的抽采效果也在逐漸減弱。鉆孔間距較小時,抽采有效范圍重疊,抽采效果顯著,隨著間距的增大,重疊范圍逐漸減小,抽采效果也隨之減弱。

圖9為抽采時間90 d時鉆孔附近瓦斯壓力分布曲線,當間距為3 m 時,鉆孔間的最大瓦斯壓力值為0.68 MPa;當抽采間距為4.5 m 時,兩個鉆孔之間的最大瓦斯壓力值為0.72 MPa;當抽采鉆孔間距為6 m 時,鉆孔之間的最大瓦斯壓力值為0.78 MPa。根據《煤礦瓦斯抽采基本指標》(GB 41022—2021)[15]中規定,殘余瓦斯壓力應當小于0.74 MPa,因此合適的鉆孔間距選擇為3～4.5 m,同時考慮到充分利用鉆孔有效抽采半徑來取得最大經濟利益,最終選擇鉆孔間距為4.5 m。

圖9 鉆孔附近瓦斯壓力分布曲線

3 工程實踐

3.1 揭煤區域基本情況

＋1168 m 軌道運輸石門掘進工作面布置在9號煤層底板至2號煤層底板巖石中,距主井口垂深364 m,該工作面所揭3 號煤層走向北西,傾向南西,為傾角20°～23°的單斜構造,頂、底板巖石巖性為深灰色砂質泥巖,煤層最大瓦斯壓力為2.92 MPa,瓦斯含量為18.85 m3/t,煤層破壞類型屬Ⅳ類,經鑒定為突出煤層,礦井屬煤與瓦斯突出礦井。根據探煤鉆孔情況分析,揭煤區域煤層厚為3.8～6.8 m,距3號煤層底板法線距離為7.6 m,按方位角α=240°,坡度i=4‰,以西掘69.3 m 后揭開3號煤層。

3.2 瓦斯預抽鉆孔設計

在石門巷道兩側各施工一個硐室(硐室規格:深×寬×高=3 m×3 m×3 m),按照《防治煤與瓦斯突出規定》中關于石門揭煤鉆孔的要求,石門鉆孔預抽控制區域為石門輪廓線外12 m,在該石門布置169個預抽鉆孔。根據數值模擬分析結果,設計抽采鉆孔直徑為75 mm,抽采時間為90 d,瓦斯抽采負壓為10 k Pa,孔深至3號煤層頂板0.5 m,終孔間距為4.5 m。

3.3 瓦斯預抽效果檢驗

瓦斯預抽結束后,布置5個檢驗鉆孔A、B、C、D、E,分別位于預抽瓦斯評價區域的上、中、下及兩側,檢驗鉆孔終孔位置處于預抽鉆孔終孔位置距邊緣不大于2 m 的范圍內。檢驗鉆孔經測定后所得數據見表2。

表2 檢驗鉆孔瓦斯壓力與瓦斯含量

經過測定,檢測鉆孔中的最大瓦斯壓力值為0.57 MPa,最大瓦斯含量為5.1 m3/t,均低于《煤礦瓦斯抽采基本指標》(GB 41022—2021)中規定的范圍,同時在施工檢驗鉆孔過程中未出現噴孔和頂鉆等異常現象。因此,認為該區域的煤層突出危險性已經消除,揭煤工作可正常進行。

4 結論

(1)通過數值模擬分析得出:瓦斯抽采鉆孔直徑的增大使鉆孔周圍的塑性區范圍擴大,抽采效果增強;增加抽采時間對提升瓦斯抽采效果的作用十分明顯,但是在特定條件下存在一個極限抽采時間;該礦條件下,提高抽采負壓對抽采效果的提升不明顯;鉆孔間距的布置要根據極限抽采時間的有效抽采半徑確定,在保證抽采效果的同時也要考慮經濟效益的最大化。

(2)根據模擬分析結果并結合礦井實際條件,設計瓦斯預抽鉆孔直徑為75 mm,抽采時間為90 d,抽采負壓為10 kPa,鉆孔布置間距為4.5 m,并應用于＋1168 m 軌道運輸石門掘進工作面瓦斯預抽工程。預抽結束后,經測定檢驗鉆孔瓦斯壓力及瓦斯含量值,得出揭煤區域煤與瓦斯突出危險性已消除的結論。