鹤煤八矿顺层钻孔有效抽采半径影响因素分析

尚宾

（河南能源化工集团鹤煤公司八矿，河南 鹤壁 458003）

关健词：抽采钻孔；有效抽采半径；数值模拟；半径影响因素

0 引言

顺层钻孔预抽煤层瓦斯是有效方法之一[1-3]。有效抽采半径是指在规定时间内以抽采钻孔为中心,该半径范围内的瓦斯压力或含量降到安全容许值的范围[3]。准确的顺层钻孔有效抽采半径对提高瓦斯抽采效果[4]。界定瓦斯有效抽采半径常用煤层瓦斯压力和单位质量的煤含瓦斯量两项指标,达到安全允许值分别为0.74 MPa和8 m3/t[6-8]。郝富昌得出瓦斯抽放过程中煤的渗透率会随时间的推移逐渐增大[7]。刘彦伟研究了水力冲孔增透效果[8]。魏国营等利用吨煤瓦斯抽采量计算钻孔瓦斯有效半径[9-10]。王兆丰得出压降法是测定钻孔抽放半径的有效方法之一[11-13]。韩颖等指出数值模拟与现场实测相结合的方法是确定有效半径的发展方向[14]。司鹄利用变系数非线性瓦斯渗流方程来抽采半径方法[15]。张玉莹利用数值模拟的方法研究了抽采效果随抽采参数变化的变化[16]。本文结合鹤煤八矿实际情况分析了不同抽采因素对抽采半径的影响。

1 钻孔瓦斯抽采理论模型建立

煤层作为多孔介质，具有大量的微空隙及裂隙，煤层中的瓦斯流动由裂隙中的渗流及微孔中的扩散组成，裂隙中的渗流运动可以用Darcy渗透定律描述[12]，微孔中的扩散用Fick扩散定律描述。本文建立了考虑煤层变形、瓦斯渗流扩散及瓦斯吸附解吸的固-气耦合钻孔瓦斯抽采理论模型，并结合新安矿实际情况构建了物理模型确定了模拟参数，并基于大型多场耦合数值模拟软件C O MS O L模拟了不同情况下有效抽采半径的变化规律，分析了孔口负压、孔径大小等因素对有效抽采半经的影响，这对准确确定鹤煤八矿钻孔有效抽采半经、提高瓦斯抽采效果有着重要的指导意义。

在建立描述瓦斯抽采过程瓦斯在煤层中流动的固-流耦合模型，作下列4个假设：①抽采瓦斯的煤层处具有各向同性；②煤层中的瓦斯为单向吸附的饱和状态；③吸附状态的瓦斯在煤体基质中运动符合Fick扩散定律，游离状态的瓦斯在煤层中的流动符合为Darcy渗流定律；④煤层中瓦斯的吸附解吸过程服从Langmuir方程及该方程的所有假定条件；⑤抽采瓦斯的煤体处于弹性变形阶段并且遵从广义胡克定律。

根据Fick定律、Darcy定律、Terzaghi有效应力原理等理论，建立了考虑煤层变形、瓦斯渗流扩散及瓦斯吸附解吸的固-气耦合钻孔瓦斯抽采理论模型，模型综合考虑了煤层孔隙瓦斯压力、瓦斯吸附膨胀应力及煤层渗透率动态变化，如式1所示。

式中:E为煤岩体的弹性模量；θ为煤体的泊松比；ui为位移分量，m；Fi为体积力张量，N/m3；p为瓦斯压力，MPa；n为煤层孔隙率；n0为煤层的初始孔隙率；a为煤岩极限吸附量，m3/kg；b为吸附常数，MPa-1；k为煤层渗透率，m2；k0为煤层初始渗透率，m2。μ为瓦斯动力黏度系数，P a·s；ks为煤体骨架体积模量，MPa；εv为体积应变；c为综合参数，可由式2计算[10]；Xx为吸附瓦斯含量，可由式3计算，m3/t。

式中：ρs为煤岩视密度，kg/m；A，M分别为煤体中的灰分及水分，%；R为摩尔气体常数，J/（mol·K）；T为绝对温度，K；p1为与吸附瓦斯对应的压力值，MPa。

2 顺层钻孔有效抽采半径影响因素研

2.1 物理模型建立及定解条件

鹤煤八矿主采二1煤，平均煤厚4.2 m，本煤层抽采钻孔一般采用φ94 mm的钻头钻进，该钻头打孔成孔孔径为100 mm左右，钻孔的长度一般为80 m。本文结合鹤壁八矿现场实际情况，建立了100 m×4.2 m的几何模型，抽采钻孔位于模型中心；网格划分方式采用自由刨分三角形网格，并在钻孔周围进行细化处理，具体如图1所示。

图1 物理模型示意图

本文的数值模拟以鹤煤八矿主采煤层相关物性参数为基础进行，具体物理参数见表1。

表1 物理参数表

初始条件：煤层内部有1.6 MPa的初始瓦斯压力，抽采孔的压力为-14 k P a，初始应力状态为巷道形成后的应力分布。

边界条件：瓦斯仅在煤层中流动，模型上下两侧为零通量不通气边界，左右两侧为连续性边界，四周为辊支承约束，上部自由，下部固定约束，上部承受二1煤上部岩层应力为18 MPa，考虑模型自重载荷。

2.2 鹤壁八矿顺层钻孔有效抽采半径影响因素研究

论文依据《防治煤与瓦斯突出固规定》将钻孔有效抽采半径界定为周围煤层残余瓦斯压力低于0.74 MPa的区域。

2.2.1 抽采时间对钻孔有效抽采半径的影响

抽采时间分别为30、60、90、120、150、180 d时，抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布如图2、图3所示。

图2 煤层瓦斯压力分布云图

图3 不同抽采时间的煤层瓦斯压力分布图

由图2、图3可看出，随着抽采时间延长，钻孔周围煤层瓦斯压力不断降低，钻孔卸压范围不断增大，但增大幅度不断减小。根据不同抽采时间的煤层瓦斯压力分布情况及钻孔有效抽采半径定义，可得钻孔有效抽采半径随抽采时间的变化情况见图4。

图4 有效抽采半径随抽采时间的变化

从图4可看出，钻孔抽采有效半径与抽采时间之间关系符合幂指数函数关系，随着抽采时间延长，有效抽采半径逐渐增大，但增大速率逐渐减小；抽采时间对有效抽采半经影响较大，抽采时间30～180 d，可以将钻孔有效抽采半径由0.39 m增加至1.30 m。

2.2.2 钻孔孔径对钻孔有效抽采半径的影响

当钻孔孔径分别为75、94、113、130、150 mm时，不同抽采时间时钻孔有效抽采半径随孔径的变化情况如图5所示。

图5 有效抽采半径随孔径的变化

由图5可以看出，钻孔有效抽采半径与孔径之间关系符合幂指数关系，随着孔径的增大，钻孔有效抽采半径逐渐增大；孔径对钻孔有效抽采半经的影响也较大，抽采180 d时，151 mm钻孔比75 mm钻孔有效抽采半径增大了0.64 m，因此现场可以通过增加钻孔孔径来提高瓦斯抽采效果。

3 孔口抽采负压对钻孔有效抽采半径的影响

当钻孔孔口抽采负压分别为5、10、15、20、25 k P a时，有效抽采半径随抽采时间的变化情况如图6所示。从中可以看出，孔口抽采负压对钻孔有效抽采半径的影响很小，基本可以忽略不计。

图6 不同抽采负压下有效抽采半径随时间的变化

4 煤层初始渗透率对有效抽采半径的影响

当煤层初始渗透率分别为0.1、0.08、0.06、0.04、0.02 mD时，钻孔有效抽采半径随抽采时间的变化规律如图7所示。

图7 钻孔有效抽采半径随煤层初始渗透率的变化

由图7可知，有效抽采半径与煤层初始渗透率之间关系同样符合幂指数关系，煤层初始渗透率越大，钻孔有效抽采半径越大；煤层初始渗透率对钻孔有效抽采半经的影响很大，抽采180 d时，0.1mD比0.02 mD有效抽采半径增大了1.55 m。因此，现场可以通过水力冲孔等措施增加煤层透气性以达到提高瓦斯抽采效果的目的[8]。

5 结论

1）建立了综合考虑煤层变形、瓦斯渗流扩散及瓦斯吸附解吸的钻孔瓦斯抽采固-气耦合理论模型，数值分析了抽采时间、钻孔孔径、孔口抽采负压和煤层初始渗透率对钻孔有效抽采半经的影响。

2）钻孔有效抽采半径与抽采时间、钻孔孔径和煤层初始渗透率之间的关系均符合幂指数函数关系；抽采时间越长、钻孔孔径越大、煤层初始渗透率越大，钻孔有效抽采半经越大。

3）煤层初始渗透率对钻孔有效抽采半径影响很大，抽采时间和孔径对其影响较大，抽采负压对其的影响基本可以忽略不计，现场可以通过实施增透措施、延长抽采时间、增大孔径以提高瓦斯抽采效果。

4）对不同的矿井可调整文中给出的物理参数，针对不同尺寸的钻孔、孔口负压重新进行模拟，根据模拟结果选取合适的钻孔孔距。