贵州发耳煤矿穿层钻孔抽采效果影响因素分析＊

仇模伟 李希建 于宝宽 王 冠 刘 钊

(1.贵州大学矿业学院，贵州省贵阳市，550025；2.贵州大学瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州省贵阳市，550025)

在抽放参数设定上，现行抽放效果的影响因素侧重于考虑抽放钻孔间距、钻孔排列方式、钻孔孔径大小、封孔技术、抽放负压、煤层透气性等方面。事实上邻近层瓦斯预抽是安全生产工作的一部分，其抽放效果的好坏直接关系日后采煤工作的进度及其瓦斯治理成效。

本文选取贵州发耳煤矿作为研究对象，通过数值模拟与实践观测相结合，研究影响抽采邻近层的穿层钻孔抽放效果的主要因素，从而确定最优的抽采参数，提高瓦斯抽采效率，减少了不必要的资金浪费。

1 煤矿概况

贵州发耳煤业有限公司发耳煤矿位于贵州省六盘水市水城县，目前1＃煤层为首采层，对邻近煤层实现卸压消突。首采煤层赋存条件较好，煤层最大埋深为292m，最小埋深为208m，平均为250m。在未卸压之前，通过已有的岩巷或者煤巷的底板向邻近层的准备巷道 (运输巷道或者回风巷道)打穿层抽采孔进行预抽瓦斯；再在新开采的巷道中采取边掘边抽，最后通过在新巷道中打顺层抽采孔，对采煤工作面进行全面抽采。

2 穿层钻孔周围煤体瓦斯流动数学模型

2.1 数值模拟模型

2.1.1 模型选取

穿层钻孔瓦斯流动属于二维平面流动有限流场。根据瓦斯径向流动理论，顺层钻孔与穿层钻孔的瓦斯流动模型基本都属于径向流动。

模型选为等压力边界模型，抽采效果反应在抽采半径的大小上，假设模型边界为无新瓦斯来源的补给，即初始条件为:时间t＝0，空间上任意一点 (x，y)，瓦斯压力平方U＝U0＝P02。其边界条件为:

式中:r0——钻孔半径，m；

U0——煤层中原始瓦斯压力的平方，MPa2；

U1——钻孔瓦斯压力的平方，MPa2；

P0——煤层中原始瓦斯压力，MPa；

P1——钻孔中的瓦斯压力，MPa；

m——煤层厚度之半，m；

R——钻孔有效抽采半径，m。

2.1.2 模型评价指标

根据 《煤矿瓦斯抽采基本指标》规定:对抽采孔进行抽采瓦斯，观察各个观察孔瓦斯压力变化情况，在观测钻孔瓦斯压力稳定之后，若瓦斯绝对压力降到0.74MPa以下时，钻孔抽采的最早时间和最远距离分别为抽采所需最短时间和抽采最短时间的抽采半径。模拟的瓦斯压力变化区域直接对应瓦斯的抽采半径。

2.1.3 瓦斯模拟模型的参数

根据现场实际情况，在模拟过程中，瓦斯在煤层中流动用多孔介质模型，流动的计算模型选用k-ε模型，并设定其渗流边界条件。煤层渗透率参考相邻矿井的数值，确定不同参数的模拟方案分别进行模拟。

(1)不同抽采负压情况。抽出口压力分别取-15kPa、-25kPa、-30kPa、-35kPa；

(2)不同钻孔直径。钻孔直径分别为65mm、75mm、108mm；

(3)不同抽采时间。抽采时间定为2d、7d、12d、17d、20d。

2.2 模型的建立

模型在满足计算模型准确性的前提下，考虑计算的简便性，对煤层的相关参数进行整理，其组成及参数为煤层厚度2.2m，瓦斯密度0.6679kg／m3，煤层透气性系数0.0998，瓦斯流动速度1.087×10-5kg／m·s，瓦斯压力 (表压)0.95MPa，瓦斯含量13.5m3／t，瓦斯压力 (全压)1.05MPa，渗透率1.075×10-15。

为研究煤层瓦斯抽采效果影响因素，现以预抽瓦斯钻孔为原型，钻孔位于模型中心处，采用三角形进行网格划分，共划分为37538个节点，74518个三角形单元。

3 模拟实例与模拟结果讨论

3.1 抽采负压的影响

在一定的钻孔直径65mm和瓦斯压力0.95 MPa情况下，选取抽采负压在-15kPa、-25kPa、-30kPa、-35kPa下，对穿层钻孔抽放效果的影响。其煤层压力分布及抽采量变化如图1所示。

图1 不同抽采负压下煤层压力分布及抽采量变化图

从图1可以看出，抽采负压对抽采范围影响不大，但对瓦斯抽出量有较大影响，所以尽可能提高抽采负压来增加瓦斯抽采量。然而随着负压的不断提高，抽采泵核定能力有限，且抽采孔容易漏气，故负压不是无限提高就越好，而是需选择合理的抽采负压。不同负压下的钻孔抽采量见图2。从图2可以看出，在7d时间内统计的总抽采量只有负压在-30kPa条件下最多，因此，钻孔的抽采负压应保持在-30kPa最合适。

图2 不同负压下的钻孔抽采量

3.2 钻孔孔径的影响

在一定的抽采负压-30kPa、瓦斯压力0.95 MPa、抽采时间为7d的情况下，选取直径65 mm、75mm、108mm 3种抽采钻孔，比较不同钻孔孔径对穿层钻孔抽放效果的影响。瓦斯压力分布及抽采量变化如图3所示。

图3 不同抽采钻孔直径下瓦斯压力分布及抽采量变化图

从图3可以看出，钻孔直径对抽采半径影响较大，随着直径的增大，抽采半径及抽采率越大，抽采半径从1.1m增大到1.8m；当孔径再增大时，钻孔施工的难度增加，钻孔的工期变长，且容易塌孔，结合现场实际，发耳矿井钻孔直径取75mm较合适。

图4 不同抽采时间下瓦斯压力分布图

3.3 抽采时间的影响

钻孔直径75mm、瓦斯压力0.95MPa、抽采负压-30kPa情况下，选取抽采时间在2d、7d、12d、17d、20d下，对穿层钻孔抽放效果的影响。不同抽采时间下瓦斯压力分布如图4所示。

由图4可以看出，抽采半径随着抽采时间增加而增大，抽采影响区域逐渐增大，抽采时间由2d增加到10d时，瓦斯抽采半径由最初的1m增大到1.6m，接抽到第17d的时候瓦斯抽采半径约1.8 m；但是随着抽采天数的继续增加，抽采影响半径增大逐渐减小。故模拟值取17d左右及以上较合适，根据施工进度的安排，合理布置抽采时间。

4 穿层钻孔抽采效果影响因素分析

4.1 抽采负压

在瓦斯抽采钻孔中，煤层的透气性系数和煤层原始压力是影响周围煤层瓦斯流动速度的两大因素，原始压力越大形成的压力梯度就越大，透气性系数越小形成的压力梯度就越大。钻孔瓦斯流量则随着时间的推移，瓦斯流量越来越小。原始瓦斯压力、煤层的透气性系数对抽采效果的影响较大，而抽采负压对煤层尤其是低透气性煤层的影响较小。

钻孔抽采瓦斯的孔口抽采负压升高，抽采流量增大，瓦斯抽采浓度降低，但抽采的纯瓦斯量开始基本保持恒定，后面缓慢降低，这也与实际情况相符。高负压能提高抽采量，但却使抽采效率降低，故钻孔抽采流量适中时抽采的瓦斯浓度愈高，效果最佳，纯量基本保持一定。结合发耳矿的实测统计值和模拟值，负压在-30kPa下，才能使得抽采浓度最大。

4.2 抽采时间

随着瓦斯预抽时间的延长，使钻孔周围煤层瓦斯压力逐渐降低，低压力区范围逐渐扩大。距抽采孔2m的压力测试孔的压力下降趋势最明显，在连续抽采2d之内下降最快，直至抽采到16d的时候，降到0.74MPa以下，压力基本不再下降，下降比例达到27%，持续约半个月压力一直比较稳定。总体上，经过16d的钻孔预抽，煤层已经达到消除突出危险性的要求，为了加强抽采的效果，选定抽采时间为17d。

4.3 抽采孔径

对比模拟结果，孔径为∅108mm、∅75mm和∅65mm钻孔在相同抽采负压下，孔径大的钻孔附近的瓦斯压力比孔径小的钻孔小，而且孔径大的钻孔影响范围更大，但考虑到钻进速度的影响以及容易塌孔，造成封孔困难的原因，并不是孔径越大越理想。因此选择孔径为∅75mm的较为合适。

抽采瓦斯浓度变化与抽采孔负压有直接的关系。一般孔口负压大，浓度会降低，负压小，浓度会增大。浓度变化也取决于在钻孔抽采范围内游离瓦斯量的多少，而抽采时间、采动影响、瓦斯地质构造、煤层透气性系数都对游离的瓦斯量起决定作用。因此，在对抽采系统管理过程中，可以观察瓦斯浓度变化曲线来控制瓦斯抽采的各种参数。

5 结论

通过发耳矿井实测出来的钻孔抽采流量、抽采负压、抽采浓度及有效抽采时间统计分析，考虑到发耳煤矿预抽时间的实际情况，发耳煤矿一井区在采用孔径75mm的抽采钻孔对邻近层进行瓦斯抽采时，抽采时间选为17d，抽采半径为2m。

由于水城矿区瓦斯的透气性都比较差，基本上都属于较难抽采煤层，考虑到发耳矿的实际，现场通过调整合理的抽采参数可以抽出大部分瓦斯，暂时不需要改变煤层透气性来对钻孔抽采半径及瓦斯抽采量进行影响。

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