基于数值模拟的煤层瓦斯抽采半径合理化试验研究

张嘉勇， 陈 建，周凤增，张新双，张金海，李凤志

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063000；3.开滦(集团)有限责任公司 钱家营矿业分公司，河北 唐山 063000)

基于数值模拟的煤层瓦斯抽采半径合理化试验研究

张嘉勇1， 陈 建1，周凤增2，张新双2，张金海3，李凤志3

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063000；3.开滦(集团)有限责任公司 钱家营矿业分公司，河北 唐山 063000)

针对井下煤与瓦斯的突出问题，在开滦钱家营矿进行了煤层瓦斯抽放半径测定的实验。运用压力指标法对5煤层的瓦斯抽放半径进行测定，结果表明5煤层的抽放半径大于1m；采用改进含量指标法现场测定了5煤层瓦斯的有效抽放半径，在3～4m范围内；采用RFPA2D-GasFlow模拟软件对瓦斯在抽放过程中的渗流情况进行模拟，最终确定模拟有效半径为3.4m；通过数学分析最终确定抽放钻孔布置最佳间距为4.8m，测定结果为钱家营矿防突措施的开展提供关键数据和依据。

含量指标法；矿井防突；抽放半径；数值分析

随着矿井开采年限增加，可采煤层的赋存深度随之加深[1]。煤层深部瓦斯压力高[2]、地应力增大，煤层发生突出可能性大，矿井的安全生产受到威胁，急需采取安全有效的方法治理瓦斯、预防突出。煤层瓦斯抽放是治理矿井瓦斯的重要措施之一[3]。煤层瓦斯抽放措施的关键在于确定煤层瓦斯抽放半径[4]。钱家营矿-850m水平5煤层瓦斯涌出量较大，煤的硬度小，瓦斯压力大，煤层渗水且水量不稳定[5]，煤层突出危险性较高。因此，在5煤层采用抽放瓦斯的方法降低煤层瓦斯压力。瓦斯抽放过程中，确定煤层瓦斯抽放半径是关键，煤层瓦斯抽放的效果取决于瓦斯抽采半径[6]。因此，展开了对钱家营矿5煤层瓦斯抽放半径的试验研究。

1 测定方法选择及现场测定

煤层瓦斯抽放半径的测定方法一般分为3种：压力指标法、含量指标法、相对压力指标法[7]。首先选择方便快捷的压力指标法对钱家营矿5煤层瓦斯抽放半径进行测定。

1.1 布置钻孔

在工作面布置5个测压钻孔，分别标号1，2，3，4，5号。5个钻孔承立体式布置，减小测压钻孔对煤层瓦斯抽放的影响。3号孔为测试孔，2，4，1，5号孔分别距3号孔1，2，3，4m，并分别布置在3号钻孔的下、右、左、上方向。具体分布如下图1所示。

图1 钻孔分布示意

1，2，3，4，5号钻孔现场布置数据如表1所示。

表1 5煤层瓦斯参数测定钻孔布置参数

具体施工过程：在-850m水平副石门处，按照钻孔布置图所示从巷道左帮向5煤层打测压钻孔，分别为1，2，3，4，5号钻孔。成孔后迅速清洗钻孔，安装钻孔套管进行封孔。具体操作步骤如下所述。

(1)第1钻孔成孔后，放入8～10m的直径为108mm的套管，进行封孔。封孔过程中，要保证有3m以上的距离为聚氨酯乳液和煤孔壁直接接触，并在管口处用速凝水泥封孔。

(2)钻孔口处，用法兰盘与套管对接，法兰盘上连接有压力表和抽放阀门。

(3)在距离第1钻孔1m处打第2钻孔，其他钻孔施工方式同第1钻孔施工过程类似。

(4)将所有钻孔封闭，进行气密性试验，确保钻孔密封效果在误差范围内。

1.2 压力指标法现场试验

分别向1，2，4，5号钻孔内注入2MPa的压缩空气，关闭阀门，并在3号钻孔进行抽放瓦斯，若某钻孔内气体压力逐步减小，可认定其钻孔位置在3号钻孔的抽放半径内。

现场记录各个压力表数据，如表2所示。

表2 5煤层瓦斯测压钻孔压力数据

由表2数据分析可知，3号钻孔进行抽放工作时，1，2，4号钻孔内气体压力小幅度降低，后逐渐增高。气体充入钻孔后，会逐渐渗透到孔壁周围的裂隙内，导致钻孔内气体压力降低。气体压力逐步增高是由煤层渗水引起的，煤层水缓慢渗入钻孔中导致钻孔内部气体被压缩，气体压力升高。由于抽放作用于裂隙之间，渗流速度缓慢，无法排除渗水对实验的干扰。因此，需要采用新方法对3号钻孔抽放半径进行测定。

1.3 含量指标法测定有效抽放半径

由于压力指标法所测数据无法排除误差原因，因此，采用含量指标法测定有效抽放半径。

传统含量指标法测定有效抽放半径，主要通过测定游离瓦斯和吸附瓦斯之和，但整个实验过程较复杂缓慢，所以对此方法进行改进，主要改进过程为：实验前抽测到钻孔内气体成分，然后进行封孔，依次从5，1，4，2号钻孔进行注氮，对3号钻孔抽放瓦斯，监测该钻孔内气体成分变化。一段时间后，确定首先使3号钻孔内氮气增量超过误差范围的注氮钻孔，此钻孔距3号钻孔的距离为有效抽放半径。此方法为氮气标定法。

1.4 氮气标定法现场试验

抽放前工作面气体浓度色谱分析结果：氮气78.53%，氧气20.78%，甲烷0.41%，其他气体0.28%。

1.4.1 5号钻孔注氮

5号钻孔持续注入氮气，不关闭注氮阀门，保证整个过程中钻孔内气体压力为0.04MPa。对3号钻孔进行抽放，监测3号钻孔内气体浓度变化。监测数据如表3所示。

表3 5号钻孔注氮后3号钻孔气体浓度

由表3可以分析出，3号钻孔内的甲烷浓度先升高后降低，并降到抽放前工作面测定浓度；氮气浓度先降低后升高，并恢复到抽放前工作面测定浓度。以上分析表明，由于3号钻孔的抽放作用，煤层赋存瓦斯涌入钻孔，导致甲烷气体浓度增加，氮气浓度降低。随着抽放过程的进行，15d后瓦斯浓度基本稳定，并与抽放前工作面测定浓度一致，此时氮气浓度未继续升高，因此可以判定5号钻孔距3号钻孔的距离大于5煤层的抽放半径。

1.4.2 钻孔注氮

1号钻孔持续注入氮气，不关闭注氮阀门，保证整个过程中钻孔内气体压力为0.04MPa。对3号钻孔进行抽放，监测3号钻孔内气体浓度变化。监测数据如表4所示。

表4 1号钻孔注氮后3号钻孔气体浓度

分析表4可知，由于向5号钻孔持续注入氮气实验中3号钻孔的瓦斯抽放工作已经完成，所以数据中瓦斯浓度变化较小，氮气浓度逐步升高，并趋于稳定。分析表明，1号钻孔内的氮气在抽放作用下进入3号钻孔，1号钻孔到3号钻孔的距离小或者等于5煤层的抽放半径。所以5煤层的瓦斯抽放半径范围为3～4m。

2 数值模拟

2.1 抽放参数确定

根据煤层地质条件和方案设计要求等因素，将钱家营矿5煤瓦斯抽放数值模拟主要参数设定为：煤层瓦斯压力分别为0.89MPa (模拟时确定为0.9，0.6MPa)；煤层埋藏深度约为850m，其产生的地应力约为19MPa(模拟选取20MPa)；根据矿井的瓦斯抽放实际情况，一般选择抽放钻孔直径约为94～108mm(模拟时选取100mm)；钻孔抽放负压选取为0.04MPa；岩层透气性非常小，模拟时将参数设置为零[8]；煤层瓦斯抽放效果主要受煤层的透气性影响，由于井下煤层赋存环境的差异性，导致了煤层透气性变化较大。因此，对煤层抽放半径的研究可转化为对煤层透气性的研究。

2.2 数值模拟软件及模型

RFPA2D-GasFlow是以弹性力学、弹性损伤理论为基础理论，耦合的模拟岩石破坏过程的2维系统。

2.2.1 数值模型建立

根据现场工作面实际情况，建立数值模型，如图2所示。

图2 有效抽放半径数值模型

图2(a)模拟模块选择尺寸为11m×11m，将整个部分按110×110的形式划分单元，最外侧1m为岩层，中间10m×10m为煤层，其中黑体部分为取芯钻孔(2m×0.1m)；在瓦斯抽放钻孔的两侧设置的边界条件是应力边界条件，其值固定为20MPa；两外侧限制位移。

数值模型图2(b)尺寸为4m×4m，划分为200×200个单元。模型四周为固定压力边界20MPa，且无瓦斯流动补给，钻孔就抽放此区域内的瓦斯，钻孔直径100mm，无抽放负压自然排放。

2.2.2 数值模拟结果

确定抽放煤层相关参数、抽放时间和抽放负压。根据钱家营矿实际情况，进行数值模拟，确定抽放时间为30d(时间跨度为1d，模拟抽放时间为30d)，抽放负压确定为0.04MPa，排放负压为0。

(1)抽放钻孔模拟结果 5煤层的透气性为0.0669m2/(MPa2·d)，其模拟此透气性系数时的钻孔瓦斯流动图和钻孔瓦斯流量图如图3(a)、(b)所示。

图3 5煤钻孔瓦斯抽放数值模拟

由钻孔瓦斯流动图3(a)和钻孔瓦斯流量图3(b)可知，当抽放孔孔径为100mm，抽放负压为0.04MPa时，抽放钻孔的有效影响半径分别约为3.5，3.4m，由图3(b)可知临界流量和钻孔周围瓦斯流量相交于距离钻孔中心3.4m的位置，可得钻孔有效抽放范围为3.4m。

(2)抽放半径模拟结果分析 RFPA2D-GasFlow数值模拟生成有2组图片，分别是抽放钻孔周围煤体的钻孔瓦斯流动图和流量曲线图。当抽放负压和抽放孔径一定时，抽放钻孔有效影响半径大小和煤层透气性系数成正比。煤层透气性越小，钻孔瓦斯流动阻力越大，抽放钻孔有效影响半径就越小，钻孔流量就越小(钻孔流量曲线与临界流量曲线闭合区域小)。

在钻孔瓦斯流动图中，钻孔周围阴影区域表示钻孔瓦斯流动，阴影未覆盖的区域，因其瓦斯流量较小，软件生成分辨率有限未显示。因此，可以认为钻孔周围阴影区域即为瓦斯抽放钻孔有效抽放范围，按照模型尺寸(10m×10m)对比钻孔周围阴影区域的范围，可测定，上述透气性条件下的瓦斯抽放钻孔有效抽放半径3.5m。

在流量曲线图中，流量的正负表示流动方向相反，离钻孔越远，其流量越小。当流量降低到一定数值后，该位置到钻孔的距离为钻孔抽放瓦斯的有效范围，此数值也为临界流量。由计算分析可知，5煤钻孔周围煤壁单位面积瓦斯涌出临界流量约为8.0×10-4m3/(min·m2)，根据钻孔瓦斯流量曲线和临界流量直线可确定瓦斯抽放钻孔有效抽放范围为3.4m。

对以上2种方式得出不同透气性条件下瓦斯抽放钻孔的有效抽放半径进行统计，根据2种数据结果对比可知，钻孔有效抽放范围为3.4m。

根据数值模拟结果，结合钱家营矿5煤层实际情况，综合考量后确定瓦斯抽放钻孔有效抽放半径约为3.4m。

有效抽放半径是指钻孔抽放一定时间后能消除突出的范围[9]，这个范围用以钻孔为中心的半径来表示。假定煤层是均质煤体[10]，抽放钻孔在一定抽放时间下的影响范围就是以钻孔为圆心，以该时间下的抽放影响半径为半径的一个圆[11]，见图4。

图4 合理抽放钻孔间距

从图4可知，A为DE的中点，B，C为抽放钻孔的中心，抽放钻孔在一定抽放时间下的影响半径为R，AB的长度为L，阴影部分为抽放空白带。由勾股定理可得：

式中，L为AB长度，m；R为抽放钻孔有效影响半径，m。

经计算钱家营矿-850m水平5煤抽放钻孔合理间距应为4.8m。

3 结 论

(1)通过改进的含量指标法确定了钱家营矿5煤层的有效抽放半径在3～4m之间。

(2)运用RFPA2D-GasFlow模拟软件确定了钱家营矿5煤层的有效抽放半径为3.4m。

(3)通过理论分析和计算，确定钱家营矿5煤层的最佳钻孔间距为4.8m，为矿井瓦斯抽采钻孔施工提供基础数据。

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[责任编辑：李 青]

Experimental Study of Coal Seam Gas Drainage Radius Based on Numerical Simulation

ZHANG Jia-yong1，CHEN Jian1，ZHOU Feng-zeng2,ZHANG Xin-shuang2，ZHANG Jin-hai3,LI Feng-zhi3

(1.School of Mine Engineering，North China University of science and technology，Tangshan 063009，China；2.Kailuan(Corporation) Co.，Ltd.，Tangshan 063000，China；3.Qianjiaying Mine Branch Company，Kailuan(Corporation) Co.，Ltd.，Tangshan 063000，China)

To the problem of rockburst in deep，and experimental detection of coal seam gas drainage radius experimental was done in Qianjiaying mine of Kailuan，and gas drainage radius of 5# coal seam was detected with pressure index method，the results showed that the gas drainage radius of 5# coal seam more than 1m，and then an effective radius of 5# coal seam was field test with improved content index method，it is between 3～4m，then seepage situation during drainage process was simulated with software RFPA2D-GasFlow，an effective radius was determined as 3.4m，and the optimum spacing of drainage hole distribution was 4.8m with mathematics analysis，it references for outburst prevention development of Qianjiaying coal mine.

content index method；mine outburst prevention；drainage radius，numerical analysis

2016-11-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.026

国家自然基金资助项目(51374089)

张嘉勇(1977-)，男，河南南阳人，副教授，主要从事矿井瓦斯防治方面的研究工作。

张嘉勇， 陈 建，周凤增，等.基于数值模拟的煤层瓦斯抽采半径合理化试验研究[J].煤矿开采，2017，22(3)：89-92.

TD712.6

A

1006-6225(2017)03-0089-04