综放工作面瓦斯抽采最优钻孔参数研究*

齐庆杰，祁 云，张建国，周新华

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室 辽宁工程技术大学，辽宁 葫芦岛 125000；3. 中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南 平顶山 467000;4.辽宁工程技术大学 建筑工程学院， 辽宁 阜新 123000)

0 引言

瓦斯抽采是一种既提高开采效益又降低瓦斯灾害发生还能确保安全生产的绿色开采技术[1]。截止到2016年，我国井下瓦斯抽采总量已达128亿m3，占抽采总量的74%。瓦斯抽采已成为煤矿瓦斯治理的主要途径[2]。随着开采深度和强度的增大，通风阻力随之增加，导致瓦斯突出、瓦斯爆炸等灾害事故频繁发生[3-5]。因此，瓦斯抽采成为减少瓦斯涌出量、降低工作面瓦斯含量的必要措施，在研究瓦斯抽采的过程中，发现合理选取的抽采钻孔参数是保证瓦斯抽采率，防治工作面瓦斯超限的关键[6]。

国内外学者对煤层瓦斯抽采的限制因素进行了细致的研究， Germsnnovich[7]通过菲克定律分析了瓦斯在煤基质中扩散的规律，解释瓦斯扩散现象;洪林等[8]利用有限容积法分析研究采空区流场的压力、渗流流度和瓦斯的浓度分布规律，为采空区瓦斯抽采参数的选择提供了可靠的依据;李宗翔等[9]根据流体力学原理模拟瓦斯涌出、分布规律，得出瓦斯抽采量及浓度均与工作面瓦斯涌出量成反比，并提出了开区移动式“边采边抽”法；郝富昌等[10]建立受煤的流变特性、渗透率及吸附特性影响的渗流-应力耦合模型，找出了瓦斯抽采半径的影响因素;徐明智等[11]依据渗流理论利用CFD软件建立了瓦斯抽采模型，得出煤层渗透率和抽采负压对抽采效果的影响;李胜等[12]充分考虑水渗流和Klinkenberg效应的影响，建立了基于流固耦合的穿层钻孔瓦斯抽采模型，得出抽采负压、钻场间距对抽采效果的影响。

钻孔间距和钻孔直径对瓦斯抽采效果的影响具有叠加效应，但是目前对于合理选取钻孔间距和钻孔直径以达到最佳抽采效果的研究还相对缺乏[13-14]，笔者在前人的基础上，以平煤某矿己15-24070(下)工作面抽采现状为例，利用COMSOL多物理场数值模拟软件建立抽采钻孔的三维模型，模拟研究钻孔间距、直径对本煤层瓦斯抽采效果的影响，对钻孔参数进行优化，从而为瓦斯抽采工作提供可靠的技术指导。

1 己15-24070(下)工作面概况

己15-24070(下)工作面地面西靠四采区下山系统；东至平煤十二矿边界保护煤柱；南邻已回采结束的己15-24070采空区平距4.5 m；北距已回采结束的己15-2490采空区平距4.5 m。地面标高+170～+200 m，工作面标高-400～-500 m。最大煤层厚度38.26 m，平均厚度32.37 m；全区分部，煤层较稳定，煤层节理、层理较复杂，夹矸4-15层，夹矸厚0.08～0.90 m，夹矸以薄层泥岩为主，煤层走向N15°E-N42°W,倾角5°～13°，倾向NW-SW。煤层容重1.28 t/m3,硬度系数f：1～2，煤层瓦斯初始压力为0.55 MPa， 煤层原始瓦斯含量7.79 m3/t。

2 己15-24070工作面模型的建立

2.1 数学模型和边界条件

1)应力控制数学模型

煤岩体受地应力、瓦斯压力的影响产生固体压缩变形，结合Terzaghi有效应力定律，可得煤与瓦斯耦合应力控制方程[15-16]为：

(1)

其中，

(2)

式中：G为煤岩体剪切模量，Pa；K为煤岩体体积模量，Pa；E为煤岩体弹性模量，Pa；v为泊松比；α为Biot常数；F为体积压力，Pa；i,j=x,y,z；Pw，Pg，Pe分别为水、瓦斯、毛细管压力，MPa；s为瓦斯饱和度。

2)渗流场控制数学模型

多孔介质中瓦斯气体渗流场控制遵循以下数学方程[15-16]。

(3)

式中：ρw，ρg分别为水和瓦斯的密度；φ为裂隙度；t为时间，s；μw，μg分别为水、瓦斯的流速；Mg瓦斯的摩尔质量；R为气体摩尔体积常数，取8.134 J/(mol.k)；T为煤岩体温度，K；Pg为瓦斯压力，MPa；k为煤体绝对渗透率，m2；krg0，krg分别为瓦斯初始、相对渗透率。

3)渗透率演化模型

基于煤层物理简化模型和应力条件，考虑到煤的多孔介质特性[17]，修正渗透演化模型为：

(4)

(5)

式中：k0为煤体初始绝对渗透率；φ0为初始裂隙度；Kf修正后的裂隙刚度，GPa；ξa0，ξa分别为煤吸附瓦斯应变初始值、应变值；ξr0，ξr分别为煤体积应变初始值、应变值。

2.2 几何模型的建立

依据固体力学和达西定律方程建立本煤层瓦斯抽采数值模拟模型，通过应力、孔隙率、渗透率等变量进行耦合求解。几何模型如图1所示，煤层厚度为30 m，煤体斜向长度为80 m，走向长度60 m，设置3个抽采钻孔，其中在走向长度的中心处设置1个钻孔，另2个钻孔分布在中心钻孔的两侧，为节省计算资源，钻孔长度设置40 m，钻孔为平行钻孔，钻孔距煤层底部21 m，即在首分层距离底板上方1 m。

图1 几何模型Fig.1 Geometric model

设置边界条件和初始值后对几何模型进行网格划分，顶点单元数：32个；边单元数：534个；边界单元数：2 094个；单元数：23 965个。共计划分成3 965个域单元、2 094个边界单元和534个边单元组成的完整网格。

2.3 参数方程及值的设定

达西定律中采用综合压缩系数方程，孔隙率采用phi求解，渗透率使用k1求解，储存方程计算用co1进行，质量源项采用ttt求解，抽采钻孔边界采用抽采负压P控制。模型相关参数设置如表1所示。

表1 参数Tab.1 Parameter

3 钻孔参数对抽采效果的影响

3.1 钻孔间距对抽采效果影响

原始瓦斯压力0.55 MPa，初始孔隙率0.064，数值模拟中钻孔直径100 mm，抽采负压20 kPa，设置抽采时间180 d。瓦斯抽采后xy截面瓦斯压力分布及变化情况如图2所示，图2中显示钻孔间距越大相邻钻孔之间区域的瓦斯压力降低范围越大，但是压力降低的贯通效果越不明显。钻孔间距越小，相邻钻孔之间压力降低区域的贯通效果越明显，卸压充分。

xz截面瓦斯压力分布及变化情况如图3所示。可以看出，钻孔的终孔位置处钻孔周围卸压范围小于钻孔的其他位置，且与图2一致，钻孔间距越小钻孔之间瓦斯卸压区域联通性能越强，所有钻孔间距不能过大，否则会在钻孔之间留存以终孔位置最严重，钻孔长度方向其他位置次之的瓦斯压力卸压盲区，导致瓦斯抽采效果降低。

yz截面瓦斯压力分布及变化情况如图4所示，钻孔z轴方向瓦斯卸压分布不均匀，钻孔下方瓦斯卸压效果明显优于钻孔上方，呈现出钻孔下方稍宽上方略窄的纺锤体分布，所以瓦斯抽采时钻孔下方的瓦斯卸压较为充分。

3.2 钻孔直径对抽采效果的影响

钻孔直径的大小影响瓦斯抽采效果，主要表现在对钻孔周围瓦斯流动速度、卸压速度、卸压范围的大小影响，不同钻孔直径下钻孔周围瓦斯压力变化如图5所示。总体来说钻孔直径越大卸压范围越大，且卸压范围在钻孔周围成纺锤体分布。所以布置钻孔时，在能够提高抽采效果的情况下，可适当选取较大的钻孔直径。

3.3 相邻钻孔中心点压力衰减规律

不同钻孔间距，钻孔直径均为5 m抽采180 d时，相邻钻孔中心点的瓦斯压力随时间变化规律如图6所示。图中数据表明，钻孔间距越大，相邻钻孔中心的瓦斯残余压力越大，卸压能力越低；相反钻孔间距越小相邻钻孔间区域卸压越快，且卸压幅度越大。在本次模拟中，钻孔间距2～10 m范围内时，抽采开始后的30～40 d瓦斯压力均会显著降低，超过40 d后瓦斯压力随抽采时间的延长而缓慢降低至趋于稳定。以瓦斯压力降低30%为标准，结合不同钻孔间距间最终瓦斯压力稳定值分析，最优的钻孔间距范围为3～5 m。

不同钻孔直径在不同钻孔间距条件下，相邻钻孔间瓦斯压力随时间变化规律如图7所示。图7显示了钻孔间距2，3，5，7，10 m条件下，钻孔直径为0.075，0.09，0.1，0.113，0.133 m时，抽采0～180 d过程中相邻钻孔中心点瓦斯压力变化规律；钻孔直径越大衰减后残余的瓦斯压力越小，但在抽采的前期钻孔直径大小对瓦斯压力衰减速度影响不大。钻孔间距越大，不同钻孔直径之间瓦斯卸压效果出现差异所需要的时间越短，但在抽采时间较短时钻孔直径对相邻钻孔间区域的卸压程度影响较小。以瓦斯压力降低30 %为标准，结合以上分析最佳钻孔直径范围为0.1～0.133 m。

图2 xy截面瓦斯压力变化Fig.2 Variation of gas pressure at xy section

图3 xz截面瓦斯压力变化Fig.3 Variation of gas pressure at xz section

图4 yz截面瓦斯压力变化Fig.4 Variation of gas pressure at yz section

图5 不同孔径下钻孔周围瓦斯压力变化Fig.5 Variation of gas pressure around boreholes in different pore sizes

图6 不同钻孔间距条件下相邻钻孔中心点压力衰减规律Fig.6 Attenuation law of central pressure at adjacent boreholes under different drilling spacing

4 现场方案实施及抽采效果

4.1 煤层钻孔布置

根据模拟结果，结合己15-24070(下)工作面的运输顺槽和回风顺槽标高相差比较大的特点，决定钻场和钻孔布置在本煤层工作面的运输顺槽内，其中钻孔间距为5 m，钻孔直径为100 mm，利用现有抽采系统进行瓦斯抽采。工作面运输顺槽内布置平行钻孔，在距切眼30 m位置为第一组钻孔(每组1个钻孔)，每个钻孔高度为距底板1 m，垂直煤壁方向，平行钻孔钻孔深度为60 m。根据研究决定采用Φ82 mm钻头，可以扩孔至105 mm，具体钻孔布置如图8所示。

图7 不同钻孔直径在不同间距条件下相邻钻孔中点瓦斯压力衰减规律Fig.7 The attenuation law of gas pressure under different drilling radius andspacing

图8 抽采钻孔布置Fig.8 Drilling layout

4.2 抽采效果分析

瓦斯涌出量及抽采量随时间的变化如图9所示。抽采数据显示，己15-24070(下)工作面平均绝对瓦斯涌出量为17.16 m3/min，初采期间瓦斯涌出量逐渐升高，顶板初次来压后，最大涌出量达到24.87 m3/min，工作面回采3个月后，瓦斯涌出量逐渐降低并趋于稳定。回采期间，边采边抽(即本煤层钻孔)瓦斯抽采量成先升高后降低至趋于稳定，其中平均瓦斯抽采纯量为4.95 m3/min，抽采110 d后达到稳定。采空区瓦斯抽采纯量与工作面瓦斯涌出量大致相同，平均瓦斯抽采纯量为8.39 m3/min，最大可达12.92 m3/min。受工作面瓦斯抽采作用影响，风排瓦斯量逐渐降低，抽采110 d后，风排瓦斯量平均值由原来的5.60 m3/min降低至2.19 m3/min，降低了39.14%，可见本煤层瓦斯抽采效果显著。

图9 涌出量及抽采量随时间的变化Fig.9 Variation of emission and extraction with time

瓦斯抽采率随时间变化如图10所示。可以看出，综放面瓦斯抽采率同样呈先升高后趋于稳定的规律，平均瓦斯抽采率为78%。其中，边采边抽瓦斯抽采率占29%，占平均瓦斯抽采率的37%，能够达到相关国家标准的要求。从现场数据分析可知，边采边抽瓦斯抽采率在逐渐上升，但上升幅度较小，占瓦斯涌出量的比重大，因此应加强工作面边采边抽技术措施。采空区瓦斯抽采率变化相对平稳，但所占比重较大，加强本煤层抽采的同时也应考虑采空区瓦斯联合抽采技术。

图10 抽采率随时间变化Fig.10 Variation of extraction rate with time

根据己15-24070(下)综放工作面回风瓦斯的实际测定，得到整个回采期间工作面回风中平均瓦斯变化规律。工作面回采期间回风巷瓦斯平均浓度如图11所示。图11显示，整个回采期间工作面瓦斯浓度范围在0.15%-0.35%之间趋于稳定，最大平均浓度为0.5%，没有出现瓦斯超限现象，说明本煤层平行钻孔瓦斯抽采技术能够解决该工作面瓦斯超限问题。

图11 工作面回采期间回风巷瓦斯平均浓度Fig.11 Average concentration of gas in the returnairway during working face

5 结论

1)合理布置钻孔间距和钻孔直径能够增大煤层透气性，降低残余瓦斯压力。模拟结果显示，己15-24070(下)综放工作面钻孔间距为3～5 m，钻孔直径为0.1～0.133 m时，煤层最终残余瓦斯压力最小，抽采全程瓦斯涌出量较大。

2)己15-24070(下)综放工作面瓦斯抽采实测数据显示，合理的钻孔间距和钻孔直径下，瓦斯抽采率先增大后趋于稳定，平均抽采率为78%，其中钻孔瓦斯抽采率为29%。

3)综合考虑间距和直径对抽采效果的影响，在小间距钻孔抽采条件下，不同孔径之间的瓦斯卸压情况差异不大，在大间距条件下瓦斯卸压差异显著。因此，加密钻孔抽采时可以不考虑加大孔径的问题。

[1] 袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报,2009,34(1):1-8

YUAN Liang. Theory of pressure relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extraction[J]. Journal of China Coal Society,2009,34(1):1-8.

[2] 齐庆杰,祁云.低浓度瓦斯燃料电池发电技术研究[J].洁净煤技术,2017,23(2):114-118.

QI Qingjie, QI Yun. Study on the low concentration gas fuel cell power generation technology[J]. Clean Coal Technology,2017,23(2):114-118.

[3] ZHU W C, WEI C H, LIU J, et al. A model of coal-gas interaction under variable temperatures [J]. International Journal of Coal Geology, 2011,86(2/3):213-221.

[4] FAN C J, LI S, LUO M K, et al. Coal and gas outburst dynamic system[J]. International Journal of Coal Geology, 2017,27(1):49-55.

[5] 闫磊.腾晖煤矿201工作面钻孔瓦斯抽采参数数值模拟及应用[D].阜新:辽宁工程技术大学,2012.

[6] 李波,孙东辉,张路路.煤矿顺层钻孔瓦斯抽采合理布孔间距研究[J].煤炭科学技术,2016,44(8) :121-126.

LI Bo, SUN Donhui, ZHAN Lulu.Study on rational space between gas drainage boreholes passing through seam in coal mine[J].Coal Science and Technoloy, 2016, 44 (8):121-126

[7] GERMSNNOVICH.L.N.Deformation of nature coals[J].Soviet Mining Science,1983(5):377-381.

[8] 洪林,周西华,周令昌等.采空区气体二维流动的数学模型及其有限容积法[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2006(S2):4-6.

HONG Lin, ZHOU Xihua, ZHOU Lingchang, et al. Mathematic model of air Two-Dimension flowage in the goaf and the finite volume method of this model[J].Journal of Liaoning Technical University (Natural Science Edition),2006(S2):4-6

[9] 李宗翔,王继仁,周西华.采空区开区移动瓦斯抽放的数值模似[J].中国矿业大学学报,2004,23(1):77-81.

LI Zongxiang, WANG Jiren, ZHOU Xihua. Numerical simulation of gas drainage during open region movement in goaf[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2004,23(1):77-81.

[10] 郝富昌,刘明举,孙丽娟.基于多物理场耦合的瓦斯抽放半径确定方法[J].煤炭学报,2013,38(1):106-111.

HE Fuchang, LIU Mingju, SUN Lijuan. Determination method of gas drainage radius based on multi-physics coupling[J]. Journal of China Coal Society,2013,38(1):106-111.

[11] 徐明智,李希建.煤层瓦斯抽放半径及其影响因素的数值模拟[J].工业安全与环保,2012,38(12):28-30.

XU Mingzhi, LI Xijian. Numerical simulation of gas drainage radius and its influencing factors in coal seam[J]. Industrial Safety and Environmental Protection,2012,38(12):28-30.

[12] 李胜,毕慧杰,范超军等.基于流固祸合模型的穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究[J].煤炭科学技术,2017,45(5):121-127.

LI Sheng, BI huijie, FAN Chaojun, et al. Simulation study of gas drainage with borehole passed through strata based on fluid-solid coupling[J].Coal Science and Technology, 2017,45(5):121-127.

[13] 卢平,李平,周德永等.石门揭煤防突抽放瓦斯钻孔合理布置参数的研究[J].煤炭学报,2002,27(3) :244-248.

LU Ping, LI Ping, ZHOU Deyong, et al. Study on proper layout parameters of the gas drainage drills of outburst prevention in rock cross-cut coal uncovering[J],Journal of China,2002,27(3):244-248.

[14] 梁冰,袁欣鹏,孙维吉.本煤层顺层瓦斯抽采渗流祸合模型及应用研究[J].中国矿业大学学报,2014,43(2): 208-213.

LIANG Bing, YUAN Xinpeng,SUN Weieiji.Seepage coupling model of in-seam gas extraction and its applications[J].,Journal of China University of Mining & Technoloy, 2014,43(2):208-213.

[15] 鲁义,申宏敏,秦波涛等.顺层钻孔瓦斯抽采半径及不空间距研究[J].采矿与安全工程学报,2015,32(1):156-162.

LU Yi, SHEN Hongyi, QIN Botao，et al. Gas drainage radius and borehole distance along seam[J]. Journal of Mining&Safety Engineering,2015,32(1):156-162.

[16] 王继仁,张英,黄戈,等.采空区不同瓦斯抽采方法与自燃合理平衡的数值模拟[J].中国安全生产科学技术,2015,11(8):26-32.

WANG Jiren, ZHANG Ying, HUANG Ge,et al. Numerical simulation on reasonable balance between different gas drainage methods and spontaneous combustion in gob area[J]. Journal of Safety Science and Technology,2015,11(8):26-32.

[17] 程远平,董骏,李伟,等.负压对瓦斯抽采的作用机制及在瓦斯资源化利用中的应用[J].煤炭学报，2017,42(6):1466-1474.

CHENG Yuanping,CAO Jun,LI Wei,et al. Effect of negative pressure on coalbed methane extraction and application in the utilization of methane resource[J].Journal of China coal society,2017,42(6):1466-1474.