不同冲煤量对有效抽采半径的影响规律研究

张　翔，辛程鹏，杜　锋

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2. 贵州工程应用技术学院 矿业工程学院， 贵州 毕节 551700；3.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司，河南 郑州 450000)

0　引言

随着工作面推进速度的加快和开采深度的增加，煤层瓦斯含量越来越高，突出危险性增加，瓦斯治理难度增大[1-4]。矿井瓦斯影响着矿井的安全生产，瓦斯抽采是积极防治瓦斯灾害的有效措施[4-5]。水力冲孔可利用高压水射流使钻孔周边煤岩体应力降低，提高煤层透气性，达到提高抽采量、消除突出危险性等目的[6-7]，是最有效的卸压增透技术之一[8]。

部分学者针对水力冲孔做了相关研究。王凯等[9]采用压力法和含量法对水力冲孔卸压范围进行了现场试验考察，并模拟分析了水力冲孔钻孔周围煤体应力及透气性变化规律；郝富昌等[10]分析了水力冲孔的卸压增透效果和孔径变化规律；魏建平等[11]阐述了水力冲孔措施的消突机理，确定了水力冲孔有效影响范围；王兆丰等[12]通过数值模拟，确定了顺层抽采的合理的抽采负压、抽采时间及有效抽采半径；陈攀等[13]结合水力冲孔技术在九里山矿的现场应用，对相关参数进行了优化，确定了水力冲孔有效影响半径。

上述研究主要针对水力冲孔卸压范围、增透效果、钻孔参数优化等进行研究，不同冲煤量对有效抽采半径的影响研究尚需进一步加强。本文针对不同冲煤量对水力冲孔实施效果的影响，以中马村矿为例，采用现场试验、数值模拟等方法，开展了不同冲煤量对抽采半径的影响规律研究。研究结果对于优化水力冲孔参数设计，提高瓦斯灾害防治效果具有一定指导意义。

1　现场试验

1.1　概况

中马村矿位于河南省焦作市，采用立井单水平上下山开拓，后退式走向长壁分层开采，全部垮落法管理顶板。该矿属于煤与瓦斯突出矿井，绝对瓦斯涌出量45～55 m3/min，相对瓦斯涌出量为30～40 m3/t。矿井主采山西组二1煤，埋深61～788 m，厚度0.1～13.53 m，平均厚度4.90 m，可采性指数0.94，建井后曾多次发生煤与瓦斯突出事故，最大突出煤量900 t，最大突出瓦斯量1.285×105m3。矿井主要采取底抽巷穿层抽采的区域防突措施。

1.2　试验方案

钻孔瓦斯抽采半径主要与煤层瓦斯含量、透气性系数、钻孔直径等因素有关。根据现场实际，结合矿井采掘接替和钻孔施工计划，选定在27001回风底抽巷进行试验。

根据现场条件，设计施工3组水力冲孔钻孔，每组钻孔间距15 m，每组布置5个钻孔，钻孔布置如图1所示，钻孔设计图如图2所示。钻孔施工完成后进行水力冲孔，每天对瓦斯抽采量进行测定，拟合瓦斯抽采量衰减曲线，分析瓦斯抽采量衰减规律，最终确定在不同冲煤量下水力冲孔钻孔抽采有效半径。

图1　钻孔布置示意Fig.1　Layout of drill boreholes

图2　钻孔设计Fig.2　Design of drill boreholes

1.3　试验结果及分析

施工钻孔的瓦斯赋存、施工工艺等条件基本一致，单位冲煤量不同，可认为造成钻孔有效抽采半径差异的关键性因素是单位冲煤量。

每米钻孔瓦斯抽采量Q与时间t的关系为:

Q=Q0e-at

(1)

式中:Q0为每米钻孔初始瓦斯抽采量，m3；a为钻孔瓦斯流量衰减系数。

根据质量守恒定律可以得到：

(2)

式中:M为煤层原始瓦斯含量，m3/t；η为煤层瓦斯抽采率；ρ为煤体密度，t/m3；r2为抽采半径，m；r1为钻孔半径，m，L为钻孔长度，m。

根据现场跟踪的抽采数据，由式(1)、(2)计算后，可得到了钻孔有效抽采半径与单位冲煤量的对应关系。如图3所示。

图3　不同抽采周期不同冲煤量与有效抽采半径的对应Fig.3　Correspondence graph of different punching coal amount and effective gas drainage radius in different extraction period

由图3可知，抽采半径随单位冲煤量的增加而增大，增大速度成衰减趋势，从而得到不同抽采周期不同冲煤量条件下的有效抽采半径，如表1所示。

表1　不同抽采周期不同冲煤量条件下的有效抽采半径

现场经验及分析表明，中马村矿水力冲孔最佳抽采期为90 d，有效抽采半径可达到极限值(抽采360 d的有效抽采半径)的96%左右。

通过上述分析可得，水力冲孔有效抽采半径随单位冲煤量的增加而增大，增大速度逐渐变缓。抽采90 d，单位冲煤量为1,1.5,2 t/m的有效抽采半径分别为3.21,3.5,3.73 m。

2　数值模拟

为了进一步分析不同冲煤量对抽采半径的影响规律，本文采用Comsol软件模拟分析水力冲孔后瓦斯抽采有效影响半径和孔洞周围瓦斯压力分布情况。

2.1　基本假设

瓦斯在煤层中的流动，按空间流向类型可分为: 单向流动、径向流动和球向流动；按时间流向分为稳定流场和非稳定流场[14]。本文假定当煤体中的游离态瓦斯发生渗流引起瓦斯浓度梯度升高时，吸附态瓦斯瞬间转化为游离态瓦斯，仅从宏观角度来研究瓦斯的运移。提出假设如下：煤层中只有单相饱和的瓦斯流体，煤体是均匀连续介质；煤层瓦斯压力的变化不影响煤层渗透性系数及煤体孔隙率；煤层顶底板的渗透率非常小，瓦斯只在煤层中流动；煤体中吸附状态和游离状态的瓦斯分别服从修正的Langmuir吸附平衡方程和理想气体状态方程；瓦斯在煤层中的渗流规律符合达西定律。

2.2　理论模型

2.2.1瓦斯在煤层内流动的连续性方程

(3)

2.2.2渗流场方程

根据基本假设，瓦斯在煤层中的流动符合达西定律：

(4)

式中：q为气体流速，m/s,k为煤体的渗透率，m2；μ为瓦斯气体黏性系数，取1.087×10-5Pa·s。

煤体中吸附状态和游离状态的瓦斯分别服从修正的Langmuir吸附平衡方程和理想气体状态方程：

(5)

(6)

式中：Q为单位体积含瓦斯煤的瓦斯含量，kg/m3，a为单位质量可燃物在参考压力下的极限吸附量，m3/kg；b为吸附常数，Pa-1；C为煤质校正参数，kg/m3；ρ为煤体密度，kg/m3；φ为孔隙率。

由式(3)～(6)可得渗流场方程：

(7)

可以得出瓦斯渗流方程的嵌入方程：

(8)

2.3　几何模型及边界条件

根据水力冲孔现场应用经验，建立模型尺寸为80 m×13 m，顶底板尺寸均为80 m×5 m，煤层尺寸为80 m×3 m，钻孔布置在模型中心。上覆岩层压力为10 MPa，钻孔直径为 94 mm，抽采负压为30 kPa，初始瓦斯压力为 1.2 MPa，水力冲孔孔洞简化为类椭球体[15]。几何模型示意图如图4所示。

图4　几何模型示意Fig.4　Geometric model diagram

通过现场实测和实验室测定，基本参数见表2。

表2　基本参数

本模型边界条件为：边界上压力确定，为定值；边界上流量确定，为定值。

2.4　结果分析

不同冲煤量条件下，抽采时间30,90 d时的瓦斯压力分布图，如图5所示。

由图5可以看出，瓦斯压力随着距孔洞中心距离的增加而逐渐增大，直至接近原始瓦斯压力。但受钻孔瓦斯抽采的影响，随着抽采时间的增加，孔洞周围卸压范围逐渐扩大，抽采的有效影响范围逐渐扩大，有效抽采半径增加。

图5　不同冲煤量抽采30,90 d瓦斯压力分布Fig.5　Nephogram of gas pressure distribution in different punching coal amount after 30，90 days extraction

为进一步考察不同冲煤量对瓦斯抽采有效影响半径的影响，以孔洞右侧x轴上端点为(40,1.5)和(60,1.5)的线段作为监测线，绘制出不同冲煤量不同抽采时间瓦斯压力分布图，结果如图6所示。

图6　不同冲煤量不同抽采时间瓦斯压力分布曲线Fig.6　Gas pressure distribution curve of different punching coal amount after different extraction period

从模拟结果可知，当抽采时间一定时，有效抽采半径与单位冲煤量呈现正相关，单位冲煤量增加，有效抽采影响半径逐渐增大，但增大趋势逐渐减弱；当单位冲煤量一定时，有效抽采半径与抽采时间呈现正相关，有效抽采半径随着抽采时间增加逐渐增大。抽采90 d，单位冲煤量为 0.5,1,1.5,2 t/m的有效抽采半径分别为3.05,3.45,3.61,3.88 m。

3　结论

1)现场试验和数值模拟结果表明，水力冲孔抽采时间一定时，有效抽采半径随着单位冲煤量的增加逐渐增大，但增大趋势逐渐减弱。单位冲煤量一定时，有效抽采半径随着抽采时间增加逐渐增大。

2)数值模拟结果表明，抽采90 d，单位冲煤量为1，1.5，2 t/m的有效抽采半径分别为3.45,3.61,3.88 m。与矿井现场试验得到的结论基本一致。结论有助于优化水力冲孔设计参数，提高抽采效率。

3)利用不同冲煤量对有效抽采半径的影响规律，结合现场确定的单位冲煤量，通过合理布置水力冲孔钻孔，可有效提高水力冲孔抽采效果，消除突出危险性。

[1]俞启香，王凯，杨胜强. 中国采煤工作面瓦斯涌出规律及其控制研究[J]. 中国矿业大学学报，2000，29(1): 9-14.

YU Qixiang，WANG Kai，YANG Shengqiang. Study on pattern and control of gas emission at coal face in China[J]. Journal of China University of Mining &Technology，2000，29(1): 9-14.

[2]游浩, 李宝玉，张福喜. 阳泉矿区综放面瓦斯综合治理技术[M]. 北京：煤炭工业出版社，2008.

[3]程远平，付建华，俞启香. 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J]. 采矿与安全工程学报，2009，26(2): 127-139.

CHENG Yuanping，FU Jianhua，YU Qixiang. Development of gas extraction technology in coal mines of China[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2009，26(2): 127-139.

[4]俞启香. 矿井瓦斯防治[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1992.

[5]王凯, 俞启香. 煤与瓦斯突出的非线性特征及预测模型[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[6]李建铭．煤与瓦斯突出防治技术手册[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2006.

[7]于不凡，王佑安．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]．北京：煤炭工业出版社，2000.

[8]郝富昌，孙丽娟，赵发军. 蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔周围煤体渗透率时空演化规律[J]. 中国安全生产科学技术，2016，12(8): 16-22.

HAO Fuchang，SUN Lijuan，ZHAO Fajun. Research on coal permeability spatio-temporal evolution around hydraulic flushing based on creep-seepage coupling[J]. China Safety Science Journal，2016，12(8): 16-22.

[9]王凯，李波，等. 水力冲孔钻孔周围煤层透气性变化规律[J]. 采矿与安全工程学报，2013，30(5): 778-784.

WANG Kai，LI Bo，et al．Change regulation of coal seam permeability around hydraulic flushing borehole[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2013，30(5):778-784．

[10]郝富昌，孙丽娟，左伟芹. 考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术[J]. 煤炭学报，2016，41(6): 1434-1440.

HAO Fuchang，SUN Lijuan，ZUO Weiqin. Hydraulic flushing aperture variation and anti-blocking technology considering rheological property[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(6): 1434-1440.

[11]魏建平，李波，等. 水力冲孔消突有效影响半径测定及钻孔参数优化[J]. 煤炭科学技术，2010，38(5): 39-42.

WEI Jianping，LI Bo，et al．Measuration on effective influence radius of hydraulic flushing borehole to eliminate outburst and borehole parameters optimization[J]. Coal Science and Technology，2010，38(5): 39-42.

[12]王兆丰，李炎涛，等. 基于COMOSOL的顺层钻孔有效抽采半径的数值模拟[J]. 煤矿安全，2012, 43(10): 4-6.

WANG Zhaofeng，LI Yantao，et al. Numerical simulation on effective drainage radius of drill hole along coal seam based on COMSOL[J]. Safety in Coal Mines，，2012, 43(10): 4-6.

[13]陈攀. 水力冲孔技术在九里山矿15071底抽巷的应用[J]. 煤矿安全，2013，44(5)：139-141.

CHEN Pan. Application of hydraulic flushing technology in 15071 floor suction roadway of jiulishan coal mine[J]. Safety in Coal Mines，2013，44(5)：139-141.

[14]周世宁，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论[M]．北京：煤炭工业出版社，1997.

[15]马耕，刘晓，等. 基于放矿理论的软煤水力冲孔孔洞形态特征研究[J]. 煤炭科学技术，2016，44 (11)：73-77.

MA Geng，LIU Xiao，et al．Study on morphology features of hydraulic flushing hole based on ore drawing theory[J]. Coal Science and Technology，2016，44 (11)：73-77.