南陽煤業(yè)3號(hào)煤層抽采鉆孔布孔方案優(yōu)化研究

牛澤光

（山西高平科興南陽煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

0 引言

瓦斯抽采中鉆孔布設(shè)間距依靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)取值存在不確定性[1]，而瓦斯治理效果與鉆孔布設(shè)間距息息相關(guān)，合理布設(shè)方案一定程度上決定了整個(gè)礦井開采工作的順利進(jìn)行[2]。鉆孔布設(shè)間距過大時(shí)抽采效果不佳，間距過小時(shí)易受采動(dòng)影響發(fā)生塌孔事故，同時(shí)使得生產(chǎn)鉆進(jìn)及維護(hù)工作量加大[3，4]。而傳統(tǒng)的現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)法測定有效抽采半徑較為局限，其實(shí)際測定結(jié)果往往與鉆孔施工過程及特定工作面賦存與關(guān)，為此，本文借助數(shù)值模擬軟件分析了有效抽采半徑影響因素，探究了群孔抽采時(shí)合理布設(shè)間距，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)情況給定了交錯(cuò)式布孔優(yōu)化方案。

1 工程概況

南陽煤業(yè)3203工作面煤層厚度4.1～6.4 m，平均煤厚5.38 m，節(jié)理較發(fā)育，3號(hào)煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬不易自燃煤層，且煤塵無爆炸性；工作面布置運(yùn)輸順槽、軌道順槽、回風(fēng)順槽，其中運(yùn)輸順槽、軌道順槽同時(shí)進(jìn)風(fēng)，綜放工作面采用W型獨(dú)立通風(fēng)。實(shí)測3203綜放工作面原始瓦斯含量最大值為7.91 m3/t，最小值為6.34 m3/t，煤層透氣性0.045 79～0.140 075 m2/（MPa.d），具備煤層開采預(yù)抽條件。實(shí)際生產(chǎn)中，工作面瓦斯抽采方法采用回采面預(yù)抽及邊采邊抽，針對(duì)采空區(qū)瓦斯采用密閉墻內(nèi)預(yù)埋管路抽采，3202工作面為2采區(qū)最后一個(gè)回采面，不具備全封閉插管抽采老采空區(qū)條件。

2 鉆孔抽采有效半徑影響因素分析

生產(chǎn)工作中抽采鉆孔的瓦斯抽采純量是決定鉆孔抽采瓦斯效果的直觀體現(xiàn)，抽采鉆孔的布設(shè)方式是其內(nèi)在影響機(jī)理，而鉆孔抽采有效半徑在確定鉆孔布設(shè)參數(shù)中起主導(dǎo)作用，為此，針對(duì)鉆孔抽采有效半徑影響因素，分別從鉆孔抽采負(fù)壓、鉆孔直徑、鉆孔抽采時(shí)間3個(gè)維度探究其作用機(jī)理。

2.1 瓦斯流-固耦合滲流方程

為使得數(shù)值解算結(jié)果可靠，借鑒前人研究成果將煤層內(nèi)部瓦斯混合氣體視作理想氣體，考慮煤體內(nèi)部瓦斯吸附解吸過程，壓力梯度下游離瓦斯在煤體孔裂隙中滲流流動(dòng)符合Darcy定律：

式中：q為瓦斯?jié)B流流速，m/s；k為煤層滲透率，m2；μ為瓦斯的動(dòng)力黏度，pa·s。

同時(shí)，在煤體基質(zhì)雙重孔隙中，瓦斯氣體流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒方程，依據(jù)極限理論將煤體分割為微小單元體，借助積分思想簡化可得單位體積煤體滲流連續(xù)方程為：

式中：C為單位容積內(nèi)煤體瓦斯質(zhì)量，kg/m3；ρ為瓦斯密度，kg/m3；Q為瓦斯煤體瓦斯總質(zhì)量，kg/（m3·s）。

將瓦斯?jié)B流看作等溫過程，則理想狀態(tài)下煤層內(nèi)線性滲流可表達(dá)為：

式中：M為瓦斯氣體分子量，kg/mol；R為氣體常數(shù)；T為氣體溫度，℃。

結(jié)合Langmuir方程：

式中：x為單位煤體中瓦斯含量，m3/t；xa為單位煤體中游離瓦斯含量，m3/t；xb為單位煤體中吸附瓦斯含量，m3/t；V為單位質(zhì)量煤體孔隙容積大小，m3/t；P為瓦斯壓力，MPa；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕對(duì)溫度，273.15 K；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.3 kPa；ω為瓦斯壓縮系數(shù)，無量綱；t為煤層溫度，K。

上式聯(lián)立可得煤體內(nèi)部瓦斯流-固耦合滲流方程，借助COMSOL內(nèi)部PDE函數(shù)功能代入模型進(jìn)行解算。

2.2 幾何模型及參數(shù)設(shè)定

結(jié)合南陽煤業(yè)3303工作面生產(chǎn)情況，和煤層物理力學(xué)參數(shù)，建立幾何模型，模型尺寸為：長20 m×寬5.38 m。鉆孔位于煤層中心，鉆孔直徑分別按94、113、133、200 mm進(jìn)行解算，幾何細(xì)化網(wǎng)格見圖1。

圖1 幾何細(xì)化網(wǎng)格圖

煤層物理力學(xué)參數(shù)按現(xiàn)場測量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果給定，其幾何參數(shù)見表1。

表1 煤層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采效果影響

抽采負(fù)壓的增大勢(shì)必影響鉆孔抽采效果的好壞，在大量不同負(fù)壓的解算基礎(chǔ)上，本文選取差別較大的10、13、23、26 kPa 4種負(fù)壓抽采情況進(jìn)行分析，其瓦斯壓力模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同負(fù)壓抽采效果

隨著抽采鉆孔抽采負(fù)壓的增加，其瓦斯壓力卸壓范圍與抽采負(fù)壓呈正相關(guān)關(guān)系，抽采負(fù)壓較低時(shí)，該效應(yīng)尤其明顯，但當(dāng)抽采負(fù)壓超過一定值時(shí)，該效應(yīng)開始減弱，23、26 kPa時(shí)，增幅較為平緩。由此可知，抽采負(fù)壓大小存在最佳效益區(qū)間，當(dāng)負(fù)壓值位于該區(qū)間內(nèi)時(shí)，增幅效益最大，實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在設(shè)備允許、礦井安全、經(jīng)濟(jì)等多方面綜合考量下確定最佳抽采負(fù)壓值，該處最佳負(fù)壓值為23 kPa。

2.4 鉆孔直徑對(duì)瓦斯抽采效果影響

分別設(shè)置4個(gè)不同直徑大小的抽采鉆孔進(jìn)行抽采工作，其鉆孔直徑分別按94、113、133、200 mm考量，分別模擬抽采120 d后瓦斯壓力變化，分析不同鉆孔直徑對(duì)瓦斯抽采效果影響。

圖3 不同鉆孔直徑抽采效果

抽采時(shí)間固定時(shí)，抽采鉆孔影響范圍隨著抽采鉆孔直徑的增大而不斷擴(kuò)大。根據(jù)鉆孔徑向流動(dòng)理論及相關(guān)文獻(xiàn)可知鉆孔周邊煤體卸壓有效影響半徑表達(dá)式為：

式中：σ0為鉆孔作業(yè)前周邊煤層原巖應(yīng)力，MPa；σc為煤的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；fr為孔壁間煤體摩擦因數(shù)，無量綱。

式中：φ為煤的內(nèi)摩擦角。

據(jù)此分析可知，鉆孔直徑增大，卸壓有效影響半徑增加，但同時(shí)受地應(yīng)力影響作用，鉆孔塌孔風(fēng)險(xiǎn)隨之增加，施工過程中，鉆孔內(nèi)壁暴露面積更大，鉆機(jī)需克服的煤巖阻力增大，過大的鉆孔往往使得鉆進(jìn)過程不連續(xù)，且封孔難度指數(shù)上升，極易發(fā)生竄孔現(xiàn)象，為此在現(xiàn)場條件允許下，最大施工鉆孔直徑為113 mm。

3 群孔參數(shù)優(yōu)化研究

同時(shí)，考慮到實(shí)際抽采過程中大多以群孔方式布設(shè)，單一鉆孔研究存在一定的局限性，不同鉆孔布設(shè)參數(shù)下其疊加效應(yīng)影響不同，為了更好的掌握群孔抽采條件下的瓦斯運(yùn)移及影響因素分析，此處選擇直徑113 mm的抽采鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，抽采負(fù)壓設(shè)定為23 kPa，一組鉆孔同時(shí)位于煤層中心，對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化，幾何模型如圖4所示。

圖4 幾何模型及網(wǎng)格劃分

3.1 不同抽采時(shí)期抽采效果分析

群孔抽采過程中，不同時(shí)期的鉆孔周圍瓦斯壓力變化如圖5所示。抽采初期，鉆孔周圍壓力開始降低，此時(shí)群孔疊加效應(yīng)并不明顯，瓦斯壓力分布較為均勻，一段時(shí)間后，瓦斯壓力邊界效應(yīng)顯現(xiàn)，中下部煤層抽采影響范圍略小于中上部煤層，考慮為頂部載荷影響。

圖5 不同抽采時(shí)期瓦斯壓力云圖

瓦斯壓力下降至初始?jí)毫Φ?9%，可將其視作瓦斯有效抽采半徑[5]，基于此分析群孔抽采不同時(shí)期內(nèi)有效抽采半徑變化規(guī)律，初始抽采10 d后，瓦斯有效抽采半徑為1.42.1 m，抽采40 d后，瓦斯有效抽采半徑為2.1 m，100 d后抽采影響半徑最大為3.2 m，有效影響范圍與瓦斯抽采時(shí)間呈現(xiàn)非線性相關(guān)性，且有效范圍增長速度隨抽采時(shí)間的增加而遞減，因此，煤層瓦斯抽采存在合理預(yù)抽期。抽采前期，在壓力梯度及鉆孔變形所導(dǎo)致的鉆孔周圍孔裂隙擴(kuò)張過程中，其抽采效果顯著，吸附瓦斯大量解吸，壓力降低速率快；鉆孔抽采穩(wěn)定后，瓦斯壓力逐漸恢復(fù)，同時(shí)瓦斯壓力梯度降低、部分鉆孔在采動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生塌孔變形，此時(shí)，瓦斯壓力降低速率隨時(shí)間的推移逐漸放緩。

3.2 布孔間距對(duì)瓦斯抽采效果影響

在壓力梯度影響下，煤層內(nèi)部瓦斯氣體逐漸向抽采鉆孔附近的卸壓區(qū)徑向流動(dòng)，形成徑向流動(dòng)的氣體流場。瓦斯抽采鉆孔高效作用的關(guān)鍵在于，合理控制布孔間距與抽采影響范圍之間的間距，從而使得相鄰鉆孔有效影響半徑既不相離，同時(shí)，相交區(qū)域適宜，避免存在抽采空白期，或有效抽采區(qū)域疊加范圍過大導(dǎo)致抽采浪費(fèi)。因此，群孔抽采時(shí)布孔間距是提高瓦斯抽采效果的關(guān)鍵，間距過大，煤層內(nèi)部瓦斯抽采不充分，間距過小，抽采有效區(qū)域疊加，打鉆成本上升，過近的鉆孔布設(shè)勢(shì)必導(dǎo)致應(yīng)力相互影響，極易造成塌孔、變形情況發(fā)生。為此分別選取群孔布設(shè)距離為2、3、4 m的抽采鉆孔100 d后瓦斯抽采情況進(jìn)行對(duì)比，提取其瓦斯壓力分布變化規(guī)律見圖6。

圖6 不同鉆孔間距瓦斯壓力云圖

由圖6分析可知，群孔抽采過程中，鉆孔有效影響半徑疊加區(qū)域抽采效果最好，距鉆孔中心越遠(yuǎn)抽采效果越差，選取群孔疊加區(qū)域瓦斯壓力最高值與未受影響區(qū)域原始?jí)毫χ颠M(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)瓦斯壓力降低至原始瓦斯壓力49%時(shí)，此時(shí)鉆孔間距較為合理。當(dāng)鉆孔間距為3 m時(shí)，鉆孔疊加區(qū)域壓力值可降低66.7%以上；當(dāng)鉆孔間距4 m時(shí)，鉆孔疊加區(qū)域壓力值可降低52.3%以上；當(dāng)鉆孔間距5 m時(shí)，鉆孔疊加區(qū)域壓力值可降低36.8%以上。據(jù)此分析可知，鉆孔布設(shè)間距位于3～4 m時(shí)，抽采效果最好，同時(shí)從預(yù)留一定的安全變量角度考慮，從施工鉆孔變形導(dǎo)致抽采效果受限及抽采鉆孔施工過程中誤差考慮，確定該煤層最佳抽采鉆孔施工間距應(yīng)小于4 m。

為進(jìn)一步驗(yàn)證抽采參數(shù)設(shè)定的合理性，選取南陽煤業(yè)3號(hào)煤層3207工作面作為試驗(yàn)區(qū)域，在此區(qū)域進(jìn)行抽采鉆孔試驗(yàn)，提取抽7、抽8、抽9、抽15等鉆孔累計(jì)抽采量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并計(jì)算，結(jié)果如下：抽采工作進(jìn)行15 d后，抽采半徑1.61 m；抽采工作進(jìn)行45 d后，抽采半徑2.35 m，抽采工作進(jìn)行60 d后，抽采半徑3.21 m，在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步分析，最終確定預(yù)抽鉆孔間距為3 m。

3.3 現(xiàn)場工程試驗(yàn)

綜上所述，可知預(yù)抽鉆孔布設(shè)間距為3 m，預(yù)抽鉆孔抽采時(shí)間為100 d，同時(shí)結(jié)合3203綜放工作面設(shè)計(jì)參數(shù)可知，工作面切眼長度276 m，其中北切眼140 m，南切眼130 m，煤層厚度5.38 m，采用單排鉆孔進(jìn)行抽采時(shí)，存在抽采空白區(qū)域，為使抽采效果更佳，決定采用交錯(cuò)式布孔方案。以南切眼區(qū)域?yàn)槔谲壍理槻? 857 m處施工第一個(gè)鉆孔（軌1號(hào)），開孔位置距底板1.4 m，鉆孔深度120 m，鉆孔方位角0°，傾角與煤層走向相同，由里向外每隔3 m施工1個(gè)鉆孔依次進(jìn)行編號(hào)；同時(shí)于回風(fēng)順槽施工1 855.5 m處施工第一個(gè)鉆孔（回1號(hào)），開孔位置距離底板4 m，鉆孔深度120 m，鉆孔方位角180°，傾角與煤層走向相同，由里向外每隔3 m施工1個(gè)鉆孔依次進(jìn)行編號(hào)。北切眼區(qū)域同理布置，鉆孔深度調(diào)整為130 m。瓦斯抽采鉆孔布設(shè)方案見圖7。

圖7 鉆孔布設(shè)方案示意圖

工作面現(xiàn)場抽采效果表明，上訴交錯(cuò)式布設(shè)方案，對(duì)于煤層瓦斯預(yù)抽效果良好，數(shù)值解算結(jié)果與現(xiàn)場較為貼合，工作面試驗(yàn)鉆孔預(yù)抽率均達(dá)到了60%以上，實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯預(yù)抽及治理的目標(biāo)，為其它礦井類似煤層瓦斯抽采工作提供了一定參考借鑒。

4 結(jié)論

針對(duì)南陽煤業(yè)3號(hào)煤層實(shí)際開采情況，結(jié)合瓦斯流-固耦合滲流方程分析了抽采鉆孔有效半徑影響因素，給出了其優(yōu)化布孔方案并進(jìn)行了現(xiàn)場工程試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

1）借助數(shù)值模擬軟件分析了抽采負(fù)壓及抽采鉆孔直徑對(duì)瓦斯抽采效果的影響，確定了最佳抽采負(fù)壓為23 kPa，最大施工鉆孔直徑為113 mm。綜合考量群孔布設(shè)中的鉆孔疊加效應(yīng)影響，確定了鉆孔預(yù)抽期100 d，給定了群孔抽采鉆孔間距取值范圍為3～4 m，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)域抽采情況，確定了最佳群孔間距為3 m。

2）結(jié)合南陽煤業(yè)3號(hào)煤層實(shí)際賦存條件，為減小抽采空白區(qū)域，提出了交錯(cuò)式鉆孔布設(shè)方案，鉆孔間距3 m，鉆孔排距2.6 m，上下排鉆孔交錯(cuò)1.5 m布置，現(xiàn)場工程試驗(yàn)表明，抽采效果良好。