郭庄煤矿3#煤层瓦斯钻孔有效抽采半径研究

韩金垒

（山西潞安郭庄煤业有限公司，山西 屯留 046100）

1 工程概况

山西潞安郭庄煤矿属于高瓦斯矿井，现阶段正在开采3#煤层。3#煤层位于山西组下部，煤层厚5.13～6.35m，平均厚5.99m，含泥岩夹矸0～2层，煤层倾角2～4°，平均3°，属于近水平煤层。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩。底板为黑色泥岩、砂质泥岩，深灰色粉砂岩。该煤层全井田可采，结构简单，厚度变化不大，属稳定型煤层。郭庄煤矿3#煤层瓦斯相对涌出量为11.61m3/t，绝对涌出量为31.91m3/min，鉴定为高瓦斯矿井。矿井目前生产系统主要布置在北翼，南翼采区为开拓准备区域。为查明井田煤层瓦斯赋存状况，指导采区和工作面设计及通风瓦斯管理工作，同时考察瓦斯抽放可行性，对郭庄煤业3#煤层瓦斯涌出量进行预测，对顺层钻孔抽采半径进行试验研究。

2 顺层钻孔有效抽采半径数值模拟研究

2.1 建立数值模型

COMSOL Multiphysics是一个能够实现多场耦合分析的数值仿真软件[1]，目前广泛用于各类工程地质问题的试验研究。为具体分析郭庄煤矿3#煤层采用顺层钻孔预抽瓦斯的效果，并指导现场生产实践，根据3#煤层具体条件建立图1所示的三维数值模型。3#煤层倾角2°～4°，平均3°，属于近水平煤层，建立模型时为更加接近真实情况，数值模型采用定水平模型。3#煤层厚5.13～6.35m，平均厚5.99m，参考以往的研究成果[2]，此厚度的煤层，其厚度对于抽采钻孔的有效抽采半径基本没有影响，因此为提高计算的速度、精度，此次模拟试验的三维数值模型简化为二维剖面模型，剖面位置对应于煤层中部，详细情况如图1所示。煤层的实际长度和宽度远大于模型所能模拟分析的范围，建立合理尺寸的模型，需要既能够消除边界效应又能准确地反应研究区域的模拟结果。参考相关的研究实例，设计模型为边长为200m的正方形。3#煤层顺层钻孔直径为94mm，钻孔引起的煤岩体塑性破坏半径取0.48m，钻孔的总长度为75m，封孔长度为16m。具体的数值模型和边界条件的设置如图2所示。

图1 模型建立示意图

图2 瓦斯抽采钻孔数值模型示意图

2.2 相关参数的测量

采用COMSOL数值模拟软件，根据耦合动力学理论模拟计算3#煤层顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径，需对3#煤层的相关参数进行具体的研究测定[3]。在3#煤层正式回采前，委托中国矿业大学对3#煤的原始瓦斯压力、原始渗透性系数等参数进行试验测定。为了方便对主要设定参数查阅，现分类如表1、表2所示。

表1 现场测定参数汇总表

表2 试验测定参数汇总表

2.3 3#煤层单个钻孔瓦斯有效抽采半径数值模拟

根据郭庄煤业有限责任公司3#煤层实际情况，实测压力点附近存在陷落柱，陷落柱附近岩层塌落、裂隙发育，附近煤层的瓦斯向陷落柱内运移，造成附近区域煤层瓦斯压力偏小，因此用瓦斯含量进行瓦斯压力反算。根据瓦斯含量指标用间接法计算所对应的瓦斯压力，瓦斯含量与压力之间存在以下关系[4]：

将吸附常数等数据代入上式可计算出对应的瓦斯压力。根据郭庄煤业有限责任公司3#煤层瓦斯参数测定结果可知，当可解析瓦斯含量降到目标值4m3/t时，残余瓦斯含量为6.11m3/t，此时对应的瓦斯压力为0.40MPa。依据上述获取数据对数值模拟模型进行设定，并确定抽采半径的指标（可解吸瓦斯含量降到目标值4m3/t，瓦斯压力为0.40MPa），同时结合郭庄煤业有限责任公司3#煤层回采工作面瓦斯预抽时间不同的特点，分别对钻孔预抽2、3、6个月的单个钻孔进行模拟，对应不同时间条件下，单个钻孔抽采后煤层内瓦斯压力的分布云图如图3所示。

图3 3#煤层抽采不同时间钻孔周围压力分布云图

从图3所示的模拟结果可以看出，单孔抽采时间不同的情况下，钻孔周围煤层内瓦斯的压力存在明显的不同。抽采的时间越长，煤层中瓦斯压力降低的范围越大。为了定量表示钻孔抽采的有效半径，将随着与钻孔边缘距离变化，钻孔周围煤体内瓦斯压力的变化规律通过曲线表示出来，详细的情况如图4所示。

当可解吸瓦斯含量降到目标值4m3/t时，由图4分析可知：

（1）经过2个月的抽采，3#煤层钻孔周围0.79m范围内的瓦斯压力降至0.40MPa以下，可解析瓦斯含量降至目标值4m3/t，因此抽采半径为0.79m；

（2）经过3个月的抽采，3#煤层钻孔周围1.0～1.2m范围内的瓦斯压力降至0.40MPa以下，此时煤层可解析瓦斯含量降至目标值4m3/t，因此抽采半径为1.02m；

（3）经过6个月的抽采，3#煤层钻孔1.3～1.5m范围内的瓦斯压力降至0.40MPa以下，可解析瓦斯含量降至目标值4m3/t，因此抽采半径为1.35m。

图4 3#煤层钻孔抽采瓦斯压力与抽采半径关系曲线

3 瓦斯储量法测定有效抽采半径结果分析

通过以上模拟研究结果，即将投产的3316工作面预计进行3个月的顺层钻孔瓦斯抽采，工作面抽采钻孔间距离取2.0m（模拟结果：有效半径为1.02m）。在进行瓦斯预抽的过程中，在钻孔内安装煤气表测定流量，进行为期70d的监测试验，将监测的数据整理后得到如图5所示的结果。

图5 单孔抽采量与抽采时间的关系

根据图5所示的结果可知，抽采钻孔内瓦斯的抽采量随着时间的增大逐渐减小，但是其关系并不是线性相关。具体时间单孔抽采量仍不能准确的估计，故对监测数据进行拟合，拟合曲线公式为：

采用瓦斯储量法计算钻孔的有效半径，参考模拟研究的结果，抽采半径的指标为可解吸瓦斯含量降到目标值4m3/t，下面以抽采60d为例进行计算。有效抽采半径控制区域需要抽采瓦斯量：

式中：

L1-抽采钻孔处巷道宽度，取5m；

L2-钻孔间距离，取2m；

W原-3#煤原始可解吸瓦斯含量，取6.32m3/t；

h-钻孔长度，取80m；

ρ-煤体假密度，取1.24t/m3。

根据拟合曲线计算考察钻孔单孔实际抽采量：

钻孔控制区域需布置的抽采钻孔数量：

3#煤层内可解吸瓦斯含量降到4m3/t，抽采60d时的有效抽采半径：

通过上述计算方法，对钻孔抽采3、6个月的有效抽采半径进行计算，对郭庄煤业有限责任公司3#煤层钻孔瓦斯有效抽采半径的测定采用实验室数值模拟法与现场瓦斯储量法相结合的方法。以可解吸瓦斯含量降到4m3/t为例，两种方法测得的3#煤层的有效抽采半径结果对比如表3所示。不同方法的测定结果具有很好的吻合性，采用comsol数值模拟的结果很好地佐证了现场实测结果，说明采用COMSOL模拟研究瓦斯有效抽采半径真实可靠，能够为现场生产提供可靠的参考依据。

表3 不同测定方法有效抽采半径测定结果对比

4 结论

为更加合理地设计抽采钻孔的布置方式，取得理想的抽采效果，采用COMSOL Multiphysics数值仿真模拟软件进行试验分析。工作面回采前进行3个月的瓦斯预抽，对抽采孔瓦斯流量进行监测，通过瓦斯储量法计算实际的抽采效果，模拟试验得出的结论与实际结果近似，取得了很好的应用效果。