不同瓦斯抽采半径考察方法的适应性研究.pdf

第8期 2020年8月 No. 8 Aug. 2020 山西焦煤科技 Shanxi Coking Coal Sc ienc e 间距 过大，则抽采效果较差容易形成盲区而抽采半 径是钻孔间距选择的直接依据，一般情况下煤矿现场 多直接以两倍的抽采半径作为顺煤层抽采钻孔的布 置间距。 相关学者针对瓦斯抽采半径考察方法进行了大 量尝试，其中应用较广的有直接考察方法、理论计算 方法以及数值模拟方法“切等。理论计算方法和数 值模拟方法对力学、数学与计算机基础要求较高，同 时模型的建立和参数的选择还要考虑煤层的非均质 性,但是能够根据现场需求快速、方便地确定不同条 件下的抽采半径⑷.而直接考察法中的瓦斯压力法 和储量法在现场应用较多，其测试工艺相对简单，但 施工量较大，难以针对不同抽采时间进行大量测 试⑷.上述考察方法均有各自的优缺点，难以确定煤 矿现场所适用的抽采半径考察方法。因此，从现场应 用的角度出发，选择瓦斯压力法、储量法及数值模拟 方法在古城煤矿进行抽采半径考察试验,对比分析上 述方法在煤矿现场的适用情况，以期为今后抽采半径 现场考察提供依据。 1瓦斯抽采半径的考察方法及原理 从煤矿生产的需求和政府监管的要求出发，将抽 采半径定义为在煤层瓦斯参数及抽采工艺条件不变 的情况下，以抽采钻孔为中心，一定抽采时间内钻孔 周围煤层的瓦斯抽采率能够降低到工作面抽采达标 值以下的范围⑷. 1. 1 数值模拟法 煤层未受扰动时，不同状态瓦斯在地应力和孔隙 压力作用下处于相对平衡状态，当向煤层施工钻孔 后，卸压瓦斯沿径向运移至抽采钻孔中，钻孔瓦斯抽 收稿日期2020-06-19 作者简介秦泰1993-,男，山西沁县人,2014年毕业于山西大同大学，助理工程师，主要从事煤矿瓦斯治理工作 E-mail 1102079088 qq. c om 2020年第8期秦 泰等不同瓦斯抽采半径考察方法的适应性研究 49 采就是这样的一个过程。该次研究中，以顺层钻孔抽 采为原型建立瓦斯抽采模型，并对模型进行 设定E 1忽略煤厚和倾角的影响，并将模型设定为水 平二维剖面模型。剖面示意图见图1. 剖面、 n 抽采钻孔 煤层\ \濟测线 图1剖面示意图 2 瓦斯为理想气体,在煤层中流动为等温过程， 服从达西定律。 3 煤层为各向同性的均质结构，并忽略瓦斯压 力变化对渗透率的影响。 4 煤中瓦斯吸附符合朗格缪尔方程。 假设这一过程中随着瓦斯进入钻孔，煤中孔隙压 力下降，煤体骨架受应力重新分布影响发生变形，使 得煤层的透气性发生变化，而这些变化反过来影响瓦 斯在煤层中的流动，整个瓦斯抽采过程是一个气固耦 合过程⑷.根据达西定律、朗格缪尔方程及质量守恒 定律，建立描述抽采钻孔瓦斯径向流场的二维流动 方程⑷ of x p X 径向流动微分方程-------- d t „ Pi k d Q y _ X Xp X grad pO』）- LPo “ d t 初始条件t 0,p Pi 边界条件 1 厶2 y2 r,p Po ,0 t 8 边界条件 2a/x2 / 8 ,p p] ,0 t 8 1 式中 A渗透率，n； “一瓦斯绝对黏度系数，Pa s; p钻孔内的大气压力，Pa; Pi煤层原始瓦斯压力，Pa； P 一煤层瓦斯压力,Pa; p瓦斯压力为p时的瓦斯密度,kg/m3; Pi瓦斯压力为Pi时的瓦斯密度,kg/m3； 0煤的孔隙率,％; r一钻孔半径，m； Q 煤层吸附瓦斯含量,m3/m3; 100 - A M abp Q ---------------------- x-------- x y 1001 0. 31M 1 bp z 式中 a、b一吸附常数,m3/t,MPa_1 ; AM 一煤的灰分、水分,％ ; 7一煤的密度，kg/m3; grad px,ypx,y的梯度。 依据上述数学模型在数值模拟软件中建立煤层 瓦斯抽采的数值模型，并利用软件模拟瓦斯抽采过 程,得到不同抽采钻孔间距条件下煤层瓦斯降到允许 值所需的时间，即得到不同的抽采半径。 1.2储量法 一般情况下，煤层的透气性及钻孔瓦斯补给量是 有限的，煤层的瓦斯流动性质是非稳定流动，即随着 流动时间的增长,钻孔的瓦斯流量会衰减⑷. 1 通过现场抽采数据监测，抽采钻孔施工完成 后，瓦斯涌出强度随时间变化的公式如下⑷ q qoea, 2 式中 qt时刻的钻孔瓦斯涌出强度,m3/min - m2； a钻孔瓦斯流量衰减系数，d “; t一钻孔内瓦斯流动时间，min. 2 对式2求积分，则可以得到t时间内抽采钻 孔的抽采总量 t t Q Joe_a，d f 3 0 0 3 一般情况下，在一定范围煤层内，煤层厚度、 透气性系数、瓦斯含量等参数可认为是一固定值。为 便于分析,可在井下人为划分出一个抽采区段进行计 算，在该区域内钻孔采用等间距布置假设为两倍抽 采半径2R，则确定该抽采区段需抽采瓦斯总量的公 式如下 Qz Lx xix/iXpxTF XTj 4 式中 厶i抽采区段的宽度，m； L抽米钻孔长度，m ； h一煤层的厚度，m； p抽采钻孔控制区域煤层密度,t/n; 巴一煤层可解吸瓦斯含量,m3/t; 7/抽采达标时的瓦斯抽采率,％ ・50・ 山西焦煤科技2020年第8期 4）结合公式（3）和公式（4）可得抽采区段内残 余瓦斯达到预定抽采率时所需要的抽采时间计算 方程 t QzNjqoe-a，d t （5） 0 式中 N抽采区域内抽采钻孔数量，个。 求解式（5）,可得抽采区段达到目标预抽率时的 抽采时间，即得到该抽采时间对应的抽采半径为R. 针对目标矿井，按照不同间距布置若干组抽采钻孔， 分别记录不同组钻孔的抽采流量数据，利用式（2） （3）（4）（5）进行数据分析，即可得到不同组的抽采 半径及对应的抽采时间。 1. 3 瓦斯压力法 钻孔抽采瓦斯时，抽采钻孔的影响范围会随着抽 采时间的延长而逐渐加大，直到某处煤层的瓦斯压力 与抽采钻孔孔底负压之差不足以克服瓦斯运移到钻 孔的阻力时为止⑴I在抽采钻孔的有效影响范围 内，流入抽采钻孔的瓦斯量逐渐高于从远处运移来的 瓦斯量，则影响区域内煤层瓦斯压力也相应下降“匕 同时，由于瓦斯运移到钻孔的阻力与运移距离呈正相 关关系，则同一时刻距钻孔越近瓦斯压力下降量越 大。基于上述原理，施工若干组不同间距的瓦斯压力 测试钻孔，瓦斯压力稳定后在测压钻孔中间位置施工 一个抽采钻孔带抽，通过测定瓦斯压力随抽采时间的 变化情况，就可以确定出抽采钻孔的有效抽采 半径⑷. 基于上述原理，可将该方法的主要内容论述如 下1）依据现场情况在选定的试验巷道壁上标记出 若干组试验钻孔的开孔位置，每组包括两个抽采钻 孔、一个测压钻孔，测压钻孔位于两个抽采钻孔中间 位置，每组钻孔的孔间距不同，两组钻孔之间的距离 应大于两倍的组内钻孔间距。2）根据开孔位置标 记,施工测压钻孔，并进行瓦斯压力测试。3）待瓦斯 压力测试结束后，施工抽采钻孔，并封孔带抽。4）开 始抽采后，跟踪每组测压钻孔的瓦斯压力变化情况。 5）在一定时间内，瓦斯压力降低到达标值以下的测 压孔与抽采孔的间距即为该时间对应的有效抽采 半径。 2不同抽采半径考察方法的适应性分析 为验证数值模拟、储量法及瓦斯压力法的适用 性，以古城煤矿N1306工作面回风顺槽500 800 m 为试验区域，区域内实测煤层可解吸瓦斯含量为 7. 078 9 m3/t,N1306工作面设计日产量为12 121 t, 按照煤矿瓦斯抽采达标暂行规定（安监总煤装 〔2011〕163号）的相关要求，该工作面抽采达标时的 可解吸瓦斯含量应不大于4 m/t,则对应的抽采率临 界值为43.49,利用间接法反算出对应的煤层瓦斯 压力临界值为0. 4 MPa.根据上述抽采达标临界值， 分别采用不同抽采半径测试方法对该区域进行抽采 半径考察,通过对比测试结果分析不同抽采半径测试 方法在现场应用中的适用性。 2. 1 不同抽采半径考察方法的试验情况 2. 1. 1数值模拟方法试验情况 以古城煤矿3*煤层的顺层抽采钻孔工程为基 础，采用COMSOL Multiphysic s数值模拟研究不同时 间的有效抽采半径演化规律，采用平面二维模型求 解，模型的几何尺寸长40 m,高6. 65 m,抽采钻孔 d l20 mm,钻孔间距分别为 1. 00 m、1. 25 m、1. 50 m、 1. 75 m、2. 00 m、2. 25 m、2. 50 m、2. 75 m、3.00 m,每 种间距布置4个钻孔，钻孔布局见图2. 图2钻孔布置几何模型示意图 根据式（3）和软件中的内置二维流场模块，将各 项参数赋值于模型。其中，煤层瓦斯压力P由现场测 试地点的瓦斯含量利用间接法转换而来，抽采达标时 的残余瓦斯压力p2则根据抽采率对应的瓦斯含量间 接计算，为0. 4 MPa,相关参数见表1.表1中p。为标 准状态下瓦斯密度，kg/ml 表1抽采半径数值模拟相关参数表 参数参数值参数参数值 Pj/MPa0. 72A/10. 15 k/ m21.46e-17M/1.03 e/2. 82■y/kg/ m31. 38 口/Pa s2. OOe-6a/ m3/t36. 230 p0/kPa 20其次是数值模拟方法，也能较好地适应抽 采半径测试需要，测试结果略有偏差。 3 利用储量法测试了古城煤矿的抽采半径，测 试结果抽采430 d时，抽采半径为1.5 m；抽采373 d 时，抽采半径为1-0 m；抽采287 d时，抽采半径为 0. 75 m. 参考文献 [1] 舒龙勇，王 凯，齐庆新，等煤与瓦斯突出关键结构体致灾机制[J].岩石力学与工程学报,2017,362347-356. [2] 舒龙勇，王 凯，齐庆新，等.煤巷掘进面应力场演化特征及突出危险性评价模型[J].采矿与安全工程学报,2017,342 259-357. [3] 岳高伟，王宾宾，曹汉生，等.结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响[J].煤炭学报,2017,42S1144-153. [4] 魏国营，秦宾宾.煤体钻孔瓦斯有效抽采半径判定技术[J].辽宁工程技术大学学报自然科学版,2013,326 36-40. [5] 舒龙勇，霍中刚，张浪，等煤矿井下煤层瓦斯抽采半径直接测定方法瓦斯储量法的建立与应用[J].煤炭科学技术,2018,46814 -21. [6] 郝富昌，刘明举，孙丽娟.瓦斯抽采半径确定方法的比较及存在问题研究[J].煤炭科学技术,2012,401255-58. [7] 郭寿松.钻孔流量法在本煤层钻孔抽采半径考察中的应用[J].煤炭工程,2019,51178-82. [8] 马 耕,苏现波，魏庆喜.基于瓦斯流态的抽采半径确定方法[J]煤炭学报,2009,344 501-504. [9] 王兆丰，周少华，李志强.瓦斯抽采钻孔有效抽采半径的数值计算方法[J].煤炭工程,2011682-84. [10] 周红星，程远平,谢战良.计算机模拟确定瓦斯抽采有效半径的方法研究[J].能源技术与管理,2005481-82. [11] 梁 冰，袁欣鹏，孙维吉，等分组测压确定瓦斯有效抽采半径试验研究[J].采矿与安全工程学报,2013,301136-139,146.