基于定向長鉆孔抽采瓦斯的數(shù)值模擬研究

王廣宏

(中煤科工集團(tuán)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(zāi)害特別是瓦斯災(zāi)害嚴(yán)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(diào)，采掘接替緊張，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。定向鉆進(jìn)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來并被廣泛應(yīng)用的一種精確鉆進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)將大功率鉆機(jī)和隨鉆測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合，通過孔底馬達(dá)，使鉆孔沿著設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，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(guān)鍵技術(shù)[1-8]。定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)與傳統(tǒng)常規(guī)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)相比，定向長鉆孔更經(jīng)濟(jì)、更高效、更安全，現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、預(yù)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(jié)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(shù)較傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[17]；史永濤采用順層定向長鉆孔方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆孔抽采，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了“一孔兩消”預(yù)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(shù)的可行性[21]。然而，大部分科技工作人員主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工工藝和抽采瓦斯效果進(jìn)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(jù)榆樹田煤礦5號(hào)煤層110503工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和鉆孔信息，基于應(yīng)力平衡和瓦斯?jié)B流規(guī)律，建立幾何模型，模擬地下煤層、巖層、鉆孔的真實(shí)分布；然后，通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)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(duì)瓦斯抽采效果的影響，為榆樹田煤礦定向長鉆孔設(shè)計(jì)和瓦斯抽采提供理論依據(jù)。

1 工程背景

榆樹田煤礦5號(hào)煤層為礦井主采煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。5號(hào)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?shù)装逯饕獮榉凵皫r和砂質(zhì)泥巖，與上部4號(hào)煤層平均間距為29.32 m，屬穩(wěn)定全區(qū)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(shù)方面的研究，以提高瓦斯抽采效率，確保礦井安全生產(chǎn)。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立

根據(jù)應(yīng)力平衡和瓦斯?jié)B流規(guī)律，以現(xiàn)場(chǎng)煤層數(shù)據(jù)及煤樣吸附能力為參數(shù)，利用COMSOL軟件對(duì)榆樹田煤礦110503工作面5號(hào)煤層、附近巖層和鉆孔進(jìn)行建模，模型總體尺寸為200 m×60 m×1 000 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件確定模型鉆孔的數(shù)量及長度，同時(shí)將不同工作面下的鉆孔布置在煤層的不同區(qū)域、設(shè)置相應(yīng)的邊界條件以還原現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況，確保模擬所得規(guī)律符合實(shí)際。模型建立所需參數(shù)見表1，110503各鉆場(chǎng)定向長鉆孔瓦斯抽采幾何模擬模型如圖1所示。

表1 5號(hào)煤層物理參數(shù)

(a)110503工作面1#鉆場(chǎng)

由圖1可知，110503工作面設(shè)計(jì)有4個(gè)鉆場(chǎng)，共14個(gè)定向長鉆孔，鉆孔編號(hào)為1號(hào)至14號(hào)，其中 1號(hào)和2號(hào)鉆孔位于1#鉆場(chǎng)，3號(hào)和4號(hào)鉆孔位于 2#鉆場(chǎng)，5號(hào)至9號(hào)鉆孔位于3#鉆場(chǎng)，10號(hào)至14號(hào)鉆孔位于4#鉆場(chǎng)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為確定鉆孔瓦斯抽采參數(shù)，根據(jù)所建模型，對(duì)單個(gè)鉆孔進(jìn)行分析研究。主要分析鉆孔長度、鉆孔間距對(duì)瓦斯抽采量的影響，并確定榆樹田煤礦5號(hào)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(duì)瓦斯抽采量的影響，建立了單個(gè)鉆孔模型，在抽采負(fù)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(guān)系如圖2所示。

圖2 瓦斯抽采總量與鉆孔長度的關(guān)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(dāng)鉆孔長度為0～300 m時(shí)，抽采總量增加梯度顯著，抽采量迅速增加到20多萬m3；當(dāng)鉆孔長度為300～650 m時(shí)，抽采總量增加梯度大幅降低；當(dāng)鉆孔長度大于650 m時(shí)，瓦斯抽采總量穩(wěn)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(duì)瓦斯抽采量的影響，設(shè)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(guān)系，以及瓦斯抽采量隨抽采時(shí)間的變化關(guān)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(shí)間變化關(guān)系圖

由圖3可以看出，鉆孔間距越大，同一抽采時(shí)間內(nèi)鉆孔的孔壓越大，即與地層壓力的壓力差越小。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)增大鉆孔間距會(huì)減弱鉆孔之間的疊加效應(yīng)，每個(gè)鉆孔之間彼此影響較小，導(dǎo)致壓力下降得更慢，從而導(dǎo)致瓦斯抽采量減小。

由圖4可以看出，在抽采時(shí)間為300 d時(shí)，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(shù)據(jù)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(huì)對(duì)抽采瓦斯量產(chǎn)生較大影響，鉆孔間距增大時(shí)，總抽采量略有減少。

3 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將110503工作面運(yùn)輸巷1#、2#、3#和4#鉆場(chǎng)模擬所得瓦斯抽采量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

(a)1#鉆場(chǎng)

由圖5可以看出，110503工作面1#～3#鉆場(chǎng)，除開始抽采50 d和最后抽采20 d時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的突然增大外，模擬結(jié)果總體上與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較為吻合；4#鉆場(chǎng)在開始抽采20 d時(shí)間內(nèi)，由于不確定因素導(dǎo)致抽采量接近于0，除該段時(shí)間與模擬結(jié)果不相符外，整個(gè)過程的擬合效果較好，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

1)在抽采負(fù)壓不變的情況下，定向長鉆孔瓦斯抽采總量會(huì)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(wěn)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(shí)間內(nèi)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(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，在鉆孔間距從5 m增加到 20 m 的過程中，鉆孔間距增加會(huì)相對(duì)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(hào)煤層條件，建立了流固耦合隨動(dòng)滲流模型，對(duì)定向長鉆孔瓦斯抽采進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將瓦斯抽采的模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)抽采實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，模擬所得數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，為榆樹田煤礦定向長鉆孔設(shè)計(jì)和瓦斯抽采提供了理論依據(jù)。