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(tuán)鶴煤公司八礦，河南 鶴壁 458003）

關(guān)健詞：抽采鉆孔；有效抽采半徑；數(shù)值模擬；半徑影響因素

0 引言

順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是有效方法之一[1-3]。有效抽采半徑是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)以抽采鉆孔為中心,該半徑范圍內(nèi)的瓦斯壓力或含量降到安全容許值的范圍[3]。準(zhǔn)確的順層鉆孔有效抽采半徑對(duì)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(zhì)量的煤含瓦斯量?jī)身?xiàng)指標(biāo),達(dá)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(guò)程中煤的滲透率會(huì)隨時(shí)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(guó)營(yíng)等利用噸煤瓦斯抽采量計(jì)算鉆孔瓦斯有效半徑[9-10]。王兆豐得出壓降法是測(cè)定鉆孔抽放半徑的有效方法之一[11-13]。韓穎等指出數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法是確定有效半徑的發(fā)展方向[14]。司鵠利用變系數(shù)非線性瓦斯?jié)B流方程來(lái)抽采半徑方法[15]。張玉瑩利用數(shù)值模擬的方法研究了抽采效果隨抽采參數(shù)變化的變化[16]。本文結(jié)合鶴煤八礦實(shí)際情況分析了不同抽采因素對(duì)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(zhì)，具有大量的微空隙及裂隙，煤層中的瓦斯流動(dòng)由裂隙中的滲流及微孔中的擴(kuò)散組成，裂隙中的滲流運(yùn)動(dòng)可以用Darcy滲透定律描述[12]，微孔中的擴(kuò)散用Fick擴(kuò)散定律描述。本文建立了考慮煤層變形、瓦斯?jié)B流擴(kuò)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(jié)合新安礦實(shí)際情況構(gòu)建了物理模型確定了模擬參數(shù)，并基于大型多場(chǎng)耦合數(shù)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(guī)律，分析了孔口負(fù)壓、孔徑大小等因素對(duì)有效抽采半經(jīng)的影響，這對(duì)準(zhǔn)確確定鶴煤八礦鉆孔有效抽采半經(jīng)、提高瓦斯抽采效果有著重要的指導(dǎo)意義。

在建立描述瓦斯抽采過(guò)程瓦斯在煤層中流動(dòng)的固-流耦合模型，作下列4個(gè)假設(shè)：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(tài)；③吸附狀態(tài)的瓦斯在煤體基質(zhì)中運(yùn)動(dòng)符合Fick擴(kuò)散定律，游離狀態(tài)的瓦斯在煤層中的流動(dòng)符合為Darcy滲流定律；④煤層中瓦斯的吸附解吸過(guò)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(jù)Fick定律、Darcy定律、Terzaghi有效應(yīng)力原理等理論，建立了考慮煤層變形、瓦斯?jié)B流擴(kuò)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(yīng)力及煤層滲透率動(dòng)態(tài)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(shù)，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(dòng)力黏度系數(shù)，P a·s；ks為煤體骨架體積模量，MPa；εv為體積應(yīng)變；c為綜合參數(shù)，可由式2計(jì)算[10]；Xx為吸附瓦斯含量，可由式3計(jì)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(shù)，J/（mol·K）；T為絕對(duì)溫度，K；p1為與吸附瓦斯對(duì)應(yīng)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(jìn)，該鉆頭打孔成孔孔徑為100 mm左右，鉆孔的長(zhǎng)度一般為80 m。本文結(jié)合鶴壁八礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(wǎng)格劃分方式采用自由刨分三角形網(wǎng)格，并在鉆孔周?chē)M(jìn)行細(xì)化處理，具體如圖1所示。

圖1 物理模型示意圖

本文的數(shù)值模擬以鶴煤八礦主采煤層相關(guān)物性參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行，具體物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 物理參數(shù)表

初始條件：煤層內(nèi)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(yīng)力狀態(tài)為巷道形成后的應(yīng)力分布。

邊界條件：瓦斯僅在煤層中流動(dòng)，模型上下兩側(cè)為零通量不通氣邊界，左右兩側(cè)為連續(xù)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(yīng)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(jù)《防治煤與瓦斯突出固規(guī)定》將鉆孔有效抽采半徑界定為周?chē)簩託堄嗤咚箟毫Φ陀?.74 MPa的區(qū)域。

2.2.1 抽采時(shí)間對(duì)鉆孔有效抽采半徑的影響

抽采時(shí)間分別為30、60、90、120、150、180 d時(shí)，抽采鉆孔周?chē)簩油咚箟毫Ψ植既鐖D2、圖3所示。

圖2 煤層瓦斯壓力分布云圖

圖3 不同抽采時(shí)間的煤層瓦斯壓力分布圖

由圖2、圖3可看出，隨著抽采時(shí)間延長(zhǎng)，鉆孔周?chē)簩油咚箟毫Σ粩嘟档?，鉆孔卸壓范圍不斷增大，但增大幅度不斷減小。根據(jù)不同抽采時(shí)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(shí)間的變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 有效抽采半徑隨抽采時(shí)間的變化

從圖4可看出，鉆孔抽采有效半徑與抽采時(shí)間之間關(guān)系符合冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著抽采時(shí)間延長(zhǎng)，有效抽采半徑逐漸增大，但增大速率逐漸減小；抽采時(shí)間對(duì)有效抽采半經(jīng)影響較大，抽采時(shí)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(duì)鉆孔有效抽采半徑的影響

當(dāng)鉆孔孔徑分別為75、94、113、130、150 mm時(shí)，不同抽采時(shí)間時(shí)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(guān)系符合冪指數(shù)關(guān)系，隨著孔徑的增大，鉆孔有效抽采半徑逐漸增大；孔徑對(duì)鉆孔有效抽采半經(jīng)的影響也較大，抽采180 d時(shí)，151 mm鉆孔比75 mm鉆孔有效抽采半徑增大了0.64 m，因此現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)增加鉆孔孔徑來(lái)提高瓦斯抽采效果。

3 孔口抽采負(fù)壓對(duì)鉆孔有效抽采半徑的影響

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

圖6 不同抽采負(fù)壓下有效抽采半徑隨時(shí)間的變化

4 煤層初始滲透率對(duì)有效抽采半徑的影響

當(dāng)煤層初始滲透率分別為0.1、0.08、0.06、0.04、0.02 mD時(shí)，鉆孔有效抽采半徑隨抽采時(shí)間的變化規(guī)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(guān)系同樣符合冪指數(shù)關(guān)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(duì)鉆孔有效抽采半經(jīng)的影響很大，抽采180 d時(shí)，0.1mD比0.02 mD有效抽采半徑增大了1.55 m。因此，現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)水力沖孔等措施增加煤層透氣性以達(dá)到提高瓦斯抽采效果的目的[8]。

5 結(jié)論

1）建立了綜合考慮煤層變形、瓦斯?jié)B流擴(kuò)散及瓦斯吸附解吸的鉆孔瓦斯抽采固-氣耦合理論模型，數(shù)值分析了抽采時(shí)間、鉆孔孔徑、孔口抽采負(fù)壓和煤層初始滲透率對(duì)鉆孔有效抽采半經(jīng)的影響。

2）鉆孔有效抽采半徑與抽采時(shí)間、鉆孔孔徑和煤層初始滲透率之間的關(guān)系均符合冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系；抽采時(shí)間越長(zhǎng)、鉆孔孔徑越大、煤層初始滲透率越大，鉆孔有效抽采半經(jīng)越大。

3）煤層初始滲透率對(duì)鉆孔有效抽采半徑影響很大，抽采時(shí)間和孔徑對(duì)其影響較大，抽采負(fù)壓對(duì)其的影響基本可以忽略不計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)實(shí)施增透措施、延長(zhǎng)抽采時(shí)間、增大孔徑以提高瓦斯抽采效果。

4）對(duì)不同的礦井可調(diào)整文中給出的物理參數(shù)，針對(duì)不同尺寸的鉆孔、孔口負(fù)壓重新進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果選取合適的鉆孔孔距。