顺层钻孔瓦斯有效抽采半径测定方法研究

郭瑞瑞，郭爱伟

(国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017200)

近年来，煤矿安全管控不断加强，瓦斯灾害事故逐年减少，然而随着煤矿采掘深度的递增，瓦斯涌出量同样呈现递增趋势，瓦斯灾害治理形势依然严峻[1-2]。瓦斯抽采是减少瓦斯涌出最直接且有效的方法之一，通常使用顺层钻孔预抽的方法。对抽采钻孔来说，过大的抽采钻孔间距需消耗更多时间才能达到预期抽采效果；过小的间距会导致作业量增加且浪费资源[3-4]。由此可见，有效瓦斯抽采半径直接决定着瓦斯抽采效率的高低，精准测定顺层钻孔瓦斯有效抽采半径对后续瓦斯预抽的作业效果起着事半功倍的作用。

目前国内学者对瓦斯抽采有效半径的测定方法做了大量的研究，可以归纳为现场布孔实测和数值模拟研究2个方面。梁冰等[5]通过将测压孔和抽采孔分组布置于同一煤层高度并探究每组钻孔瓦斯压力的变化关系从而判断有效抽采半径；余陶等[6]通过研究钻孔瓦斯流量的指数衰减存在特征，整理出判断有效抽采半径值的特征；王峰等[7]通过研究煤层瓦斯含量法的应用，得出在冲煤量和抽采期2个变量主导下的水力冲孔有效半径；李润芝等[8]提出采用钻孔周围煤体不同时刻的瓦斯含量，确定瓦斯抽采半径并设计出合理的布孔间距；王红卫[9]对顺层钻孔瓦斯压力、瓦斯含量等参数测定，并结合直接法和间接法得出顺层钻孔瓦斯有效抽采半径；岳高伟等[10]对各向异性煤层瓦斯渗透测试结果进行研究并通过构建渗透模型，得到有效抽采半径变化规则；张权、程弘铭等[11-12]结合数值模拟，探索了钻孔直径、抽采时间等相关参数与钻孔有效抽采半径的联系；陈辉、郝天轩等[13-14]利用COMSOL对SF6气体的运移规律进行模拟，成功获得钻孔有效抽采半径。

笔者通过数值模拟与现场实测等研究方法，探索煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数及抽采负压与瓦斯有效抽采半径之间的变化关系，从而可高精度确定顺层抽采钻孔瓦斯有效抽采半径，该方法旨在为判断顺层抽采钻孔瓦斯有效抽采半径提供一种新思路和新方法。

1 矿井概况

建新煤矿地处陕西省黄陵县，所含煤层为侏罗系中统延安组，可采煤层厚度为0～11.73 m，可采煤层有4层，自上而下分别为3-2、3-3、4-1、4-2号煤层。目前主采4-2号煤层，煤层厚6.78 m，原始瓦斯含量为3.54～5.86 m3/t，本煤层原始瓦斯含量较低，但随着机械化程度的提高，开采强度不断加大，使其日产量逐渐逼近12 000 t，在回采工作面，绝对瓦斯涌出量超过30 m3/min，使其成为典型的煤层瓦斯含量低但涌出量高的矿井。选取4-2号煤层4207工作面回风巷进行钻孔测定半径试验，该工作面位于4-2煤层西南部，工作面呈西南-东北方向布置，巷道断面形状为矩形，无断层且顶板完整。

2 现场测定有效抽采半径

2.1 测定原理

在瓦斯抽放前，需要对4207工作面瓦斯抽采钻孔的自然涌出量和抽放量进行探测。通过大量试验及现场测定发现，伴随抽采时间的增加煤层钻孔内的瓦斯涌出量出现负增长，整体变化规律与负指数方程相吻合[15]：

qt=q0e-αt

(1)

式中：q0——钻孔初始瓦斯流量，m3/min；

qt——钻孔抽采时间为t时所排放的瓦斯量，m3/min；

α——钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；

t——排放瓦斯时间，d。

当抽放时间为t时累计排放瓦斯量Qt可由式(2)计算得出：

(2)

式中：Qt——抽采时间为t时累计排放瓦斯量，m3/t。

百米抽采钻孔影响范围内的煤层总瓦斯储存量可用下式表示：

Qz=100lhρW

(3)

式中：Qz——百米抽采钻孔影响范围内的煤层总瓦斯储存量，m3/t；

l——钻孔间距，其大小不大于2倍的钻孔有效抽采半径，m；

h——抽采钻孔影响的煤层厚度，m；

ρ——抽采钻孔所影响的范围内煤层的密度，t/m3；

W——瓦斯抽采钻孔所影响范围内瓦斯的存在量，m3/t。

由煤层预抽率不小于30%，可得：

(4)

即得：

(5)

2.2 测定方法

4207工作面采用钻孔预抽降低煤层瓦斯含量，工作面两侧均为未开采的实体煤层，共布设15个预抽钻场，每个钻场布置4组钻孔，以下以11号钻场为例详细进行分析。11号钻场布置4组钻孔，钻孔直径为94 mm，钻孔深度为40 m，各组钻孔间距为8 m。每组钻孔各施工3个抽采钻孔，4组钻孔孔间距分别设置为1、2、3、4 m，编号从右到左依次为1号～12号。各钻孔之间互不影响，现场实测钻孔分布如图1所示。

图1 现场实测钻孔分布

抽采钻孔通过使用液压钻机进行打钻，钻进过程中用取样罐取每个抽采孔深20 m处的新鲜煤样，对1～12号的12组煤样进行瓦斯含量测定，测定结果详见表1。

表1 瓦斯抽采各参数测定值

其中，最终值选取每组钻孔抽采的瓦斯含量最大值，即3号、4号、9号、11号钻孔。钻孔施工结束，利用囊袋式两堵一注方法进行封孔，然后安装抽采系统，利用抽采负压表、流量计、U型压差计等测定抽采过程中的基础性参数，随即将其换算成百米单孔瓦斯抽采纯量。

2.3 测定结果

根据每天现场所测得的钻孔抽采瓦斯混合流量、钻孔长度等参数换算为百米钻孔平均瓦斯抽采纯量qt，抽采结果按照负指数关系进行拟合得出曲线，如图2所示。钻孔间距分别为1、2、3、4 m时百米钻孔抽采纯量qt与抽采时间t可得到如下方程式：

图2 瓦斯平均抽采量与时间拟合曲线

(1)1号～3号钻孔：

qt=0.095 3e-0.023t

(6)

(2)4号～6号钻孔：

qt=0.026 9e-0.012t

(7)

(3)7号～9号钻孔：

qt=0.035 3e-0.015t

(8)

(4)10号～12号钻孔：

qt=0.084 3e-0.059t

(9)

当瓦斯含量下降均大于测定瓦斯含量及残存瓦斯含量时，进行预抽率计算，得出不同钻孔间距对应的抽采时间及有效抽采半径，具体结果见表2。由表2可以看出，4种不同钻孔间距在抽采时间达到预测值后，抽采率在32.70%～37.00%，平均抽采率达34.67%，整体均大于30.00%。根据《GB41022-2021煤矿瓦斯抽采基本指标》的相关规定，可认为4207工作面整体抽采达标。

表2 不同钻孔间距对应抽采时间下的有效抽采半径

3 有效抽采半径的模拟计算过程

3.1 模型的建立

通过Comsol Multiphysics中的瞬态求解器探索当钻孔抽采时煤层中的瓦斯压力与抽采时间之间的关系[16]，绝对容差可达到0.000 1，在求解初始阶段，瓦斯压力展现出较快的变化趋势，初步设定步长4 h，在解算后续阶段分别设定步长12 h与24 h，将求解时间设为90 d。

3.2 模拟结果分析

对有效抽采半径进行精确的模拟测定需结合现场实测情况构建模型，设定工作面煤壁长度40 m，煤层厚5 m，抽放钻孔为顺层钻孔，将钻孔所在模型地点取为其中心区域，对已设计好的几何模型开始网格划分，将其划分为四边形网格，网格数量226 986，网格节点225 416，整体网格划分如图3所示。

图3 整体网格划分

结合4207工作面实际情况和表2的实测结果，在抽采方案设计过程中抽采时间的设定通常不大于90 d。在进行本次数值模拟时，抽采时段瓦斯压力分布状态提取结果分别为10、30、60、90 d。与此同时，该模型解算过程中所使用的基础参数均为4207工作面现场实测所获得的基础参数：弹性模量E为2 710 MPa，泊松比υ为0.33，煤体密度ρ为1.44 t/m3，标况下瓦斯密度ρn为0.714 kg/m3，大气压力为0.101 MPa，初始孔隙率k为0.089，粘度μ为1.08×10-5Pa·s，煤的吸附常数a为0.017 21 m3/kg，煤的吸附常数b为0.593 MPa-1，煤的水分W为4.14%，煤的灰分A为14.44%，煤层瓦斯压力为0.53 MPa，地应力f为12.5 MPa，煤层初始渗透率φ为2.5×10-18m2。

由所构建的几何模型及所测得的基本参数进行模拟试验，设定抽采钻孔直径94 mm，抽采负压14 kPa，透气性系数0.2 m2/(MPa2·d)，与此同时当抽采时间为10、30、60、90 d时，钻孔周边煤层瓦斯压力变化如图4所示。

图4 不同抽采时间的瓦斯压力变化

将距钻孔水平距离作为横坐标，瓦斯压力作为纵坐标，探究各抽采时间段呈现出的规律。不同抽采时间距钻孔水平距离与瓦斯压力的关系如图5所示。

由图4和图5可得出各参数之间的规律：在试验设定时间的10～90 d内，瓦斯压力出现明显减小的范围会随抽采时间的增加而增大。当抽采时间一定时，瓦斯压力会随着距钻孔孔口距离的增加而增大，压力降低速率会逐渐减小，离钻孔最远位置的瓦斯压力与煤层原始瓦斯压力近似相等；相反，瓦斯压力会随着距钻孔孔口的距离减小而减弱，压力降低速率会逐渐变大，距钻孔孔口距离最小时的区域瓦斯压力近似于钻孔压力。

图5 不同抽采时间距钻孔水平距离与瓦斯压力的关系

当距钻孔距离一定时，抽采时间的不断增加会使得瓦斯压力越来越小，瓦斯压力的降低速率也越来越小。这是由于初始抽采时期煤层瓦斯含量高，研究测点的两侧瓦斯压力梯度较大且渗流的速度较快，因此压力减小的速率大；随着抽采时间的增加，所测钻孔周围瓦斯含量越来越小，而距离钻孔较远位置的瓦斯由于无法迅速运移至所测钻孔处，使得瓦斯压力梯度下降，其渗流减缓，瓦斯压力的减小速率也在降低。

瓦斯抽采效率：

(6)

式中：η——抽采效率，%；

Wc——抽采钻孔影响范围内残余瓦斯含量，m3/t；

W0——抽采钻孔影响范围内瓦斯含量，m3/t；

pc——抽采钻孔影响范围残存瓦斯压力，MPa；

p——抽采钻孔影响范围初始瓦斯压力，MPa。

4207工作面原始瓦斯压力为0.53 MPa，当残存瓦斯压力达到0.26 MPa时，抽采效率约30%，可判断其抽采达标。由此得出，当钻孔周围某一区域的瓦斯压力为0.26 MPa时，该区域与钻孔轴心的直线长度便是达到该压力值时所用抽采时间点的有效抽采半径。

通过对钻孔周围瓦斯压力的数值模拟，得到10、30、60、90 d时有效抽采半径分别为0.366、0.921、1.504、2.030 m。表明抽采时间与有效抽采半径分布呈现一定的非线性关系。当抽采时间为20～60 d时，数值模拟有效抽采半径为0.921～1.504 m，而现场实测有效抽采半径为1.000～1.500 m；当抽采时间为90 d，数值模拟有效抽采半径为2.030 m，而现场实测有效抽采半径约为2.000 m，二者结果基本一致，由此证明了数值模拟计算参数选择合理，模拟结果基本可靠。

4 结论

(1)抽采半径所影响的区域在抽采时间不断增加的过程中呈现出逐渐扩大的趋势。当抽采时间一定时，瓦斯压力随着距钻孔孔口距离的增加而增大，压力降低的速率逐渐减小；反之，瓦斯压力会随着距钻孔孔口距离减小而减弱，压力降低的速率也会逐渐变大。

(2)通过分析瓦斯抽采流量得出钻孔抽采衰减关系，计算得出抽采半径达到有效抽采半径对应的时间，得到建新煤矿4-2号煤层4207工作面抽采孔径为94 mm时，有效抽采半径达到0.5、1.0、1.5、2.0 m时所用的时间分别为9、20、39、87 d。

(3)4207工作面有效抽采半径的数值模拟表明，当抽采时间为20～90 d，数值模拟有效抽采半径与现场实测有效抽采半径的结果基本一致，由此证明了数值模拟计算参数选择合理，模拟结果基本可靠，可为类似矿井提供借鉴意义。