王國飛

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 雙柳煤礦，山西 呂梁 033000)

·專題綜述·

基于瓦斯儲(chǔ)量法測定鉆孔有效抽采半徑

王國飛

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 雙柳煤礦，山西 呂梁 033000)

為高效抽采某礦3號(hào)煤層瓦斯，需要依據(jù)有效抽采半徑合理布置抽采鉆孔。本文通過比較分析瓦斯壓力降低法、示蹤氣體法、數(shù)值模擬法和瓦斯儲(chǔ)量法的優(yōu)缺點(diǎn)，確立了基于瓦斯儲(chǔ)量法測定鉆孔有效抽采半徑，并采用COMSOL Multiphysics對(duì)有效抽采半徑進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：兩種方法測定結(jié)果基本相同。采用瓦斯儲(chǔ)量法測定的結(jié)果：預(yù)抽60 d，有效抽采半徑為1.95 m；預(yù)抽90 d，有效抽采半徑為2.37 m；預(yù)抽180 d，有效抽采半徑為2.80 m.

瓦斯抽采；有效抽采半徑；數(shù)值模擬；瓦斯儲(chǔ)量法

煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮著重要的作用，然而隨著煤炭的不斷開采，煤與瓦斯突出等災(zāi)害嚴(yán)重影響著煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。預(yù)抽煤層瓦斯是防治煤與瓦斯突出的關(guān)鍵措施，鉆孔布置間距是煤層瓦斯抽采設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，有效抽采半徑是鉆孔布置間距的依據(jù)。鉆孔間距過小，易發(fā)生串孔現(xiàn)象，并增加安全成本，加劇采掘接替緊張的局面；鉆孔間距過大，則會(huì)形成抽采盲區(qū)，易于引發(fā)煤礦安全事故[1]. 因此，通過科學(xué)的方法，確定合理的抽采半徑參數(shù)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

某礦井生產(chǎn)能力為1.20 Mt/a，井田面積11.407 5 km2，現(xiàn)開采3#煤層3316工作面，最大瓦斯壓力為0.66 MPa，瓦斯含量為9.32 m3/t，為高瓦斯礦井，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，礦井采用立井開拓方式，采煤方法為走向(傾向)長壁后退式，采用輕型綜采，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

1 鉆孔有效抽采半徑的定義及其指標(biāo)的確定

煤層瓦斯抽采鉆孔有效抽采半徑是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)以抽采鉆孔為中心，此半徑范圍內(nèi)的煤層瓦斯壓力或瓦斯含量降到安全容許范圍。

根據(jù)采掘規(guī)劃及參考相鄰工作面情況，該礦3316工作面日產(chǎn)量約為2 600 t，根據(jù)《AQ1026-2006煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》規(guī)定，當(dāng)回采工作面日產(chǎn)量大于2 501 t低于4 000 t時(shí)，回采前煤的可解吸瓦斯含量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)為：可解吸瓦斯含量低于或等于6 m3/t，故此次抽采半徑測算可選取煤層剩余可解析瓦斯含量為指標(biāo)來標(biāo)定有效抽采半徑。

2 鉆孔有效抽采半徑的測定方法及選擇

目前，抽采半徑的測定方法分為數(shù)值模擬法和現(xiàn)場實(shí)測法?，F(xiàn)場實(shí)測法包括瓦斯壓力降低法、瓦斯流量法、示蹤氣體法和瓦斯儲(chǔ)量法。

2.1 瓦斯壓力降低法

瓦斯壓力降低法[2]的原理是煤層瓦斯壓力與鉆孔孔底負(fù)壓差克服遠(yuǎn)處煤體瓦斯運(yùn)移至鉆孔的阻力，煤層內(nèi)游離的瓦斯向鉆孔運(yùn)移，吸附態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)的瓦斯，從而為流走的瓦斯提供補(bǔ)給源。假設(shè)煤體為各向同性，從鉆孔周圍至煤體瓦斯壓力梯度為 0 處，即煤層瓦斯抽采影響范圍。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，煤層殘余瓦斯壓力降低至抽采指標(biāo)范圍內(nèi)最遠(yuǎn)位置處距鉆孔中心的距離稱為鉆孔抽采有效半徑。

2.2 示蹤氣體法

示蹤氣體法[3]是將示蹤氣體在預(yù)先打好的釋放鉆孔中釋放，這種氣體在煤層內(nèi)流動(dòng)和擴(kuò)散，與煤層中氣體均勻混合，在混合后運(yùn)用地面抽采系統(tǒng)將煤層內(nèi)氣體抽出，進(jìn)行取樣分析氣體成分，根據(jù)不同鉆孔的示蹤氣體的濃度來判斷所測煤層的瓦斯抽采半徑。

2.3 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法[4]是根據(jù)煤層原始瓦斯參數(shù)和瓦斯流量測定結(jié)果，在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，建立煤層氣固耦合數(shù)學(xué)模型，使用COMSOL Multiphysics模擬軟件，計(jì)算煤層抽排鉆孔的有效抽采半徑。

2.4 瓦斯儲(chǔ)量法

鉆孔瓦斯抽采半徑主要與煤層瓦斯含量、透氣性系數(shù)、抽采鉆孔直徑及負(fù)壓、抽采目的及時(shí)間等因素有關(guān)。瓦斯儲(chǔ)量法是在煤層瓦斯含量測定基礎(chǔ)上，根據(jù)抽采時(shí)間，測定出鉆孔瓦斯抽采能力，通過三者之間的關(guān)系計(jì)算分析，確定出鉆孔的有效抽采半徑。

2.5 測定方法的選擇

抽采半徑測定方法優(yōu)缺點(diǎn)分析見表1.

表1 測定方法優(yōu)缺點(diǎn)分析表

依據(jù)上述測定方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及根據(jù)某礦3#煤層的實(shí)際情況，采用現(xiàn)場瓦斯儲(chǔ)量法和實(shí)驗(yàn)室數(shù)值模擬法相結(jié)合的方法來測定3#煤層的有效抽采半徑。

3 鉆孔有效抽采半徑的測定

3.1 瓦斯儲(chǔ)量法測定

3.1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

根據(jù)某礦3#煤層具體情況，選定3316工作面作為試驗(yàn)地點(diǎn)，在其軌道巷選一無構(gòu)造煤層賦存穩(wěn)定區(qū)域施工1個(gè)考察孔1#，正常封孔后并入抽采管路抽采。每天觀測記錄鉆孔的流量和濃度等參數(shù)。具體位置見圖1.

圖1 測定有效抽采半徑鉆孔施工位置圖

3.1.2 鉆孔抽采量測定與分析

將煤氣表安裝在考察孔上，測定其瓦斯流量，并連續(xù)記錄鉆孔抽采瓦斯流量和抽采濃度等數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2，鉆孔抽采瓦斯量隨時(shí)間變化關(guān)系見圖2.

表2 考察孔流量記錄表

由圖2分析可知，鉆孔抽采瓦斯流量隨抽采時(shí)間的延長逐漸降低，同時(shí)可將鉆孔抽采瓦斯量和對(duì)應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)擬合，可通過以下擬合公式表示二者變化關(guān)系：

圖2 單孔抽采量與抽采時(shí)間的關(guān)系圖

(1)

3.1.3 有效抽采半徑的計(jì)算

本次采用瓦斯儲(chǔ)量法測定鉆孔有效抽采半徑，其中煤層的原始瓦斯含量為9.32 m3/t，不可解析瓦斯量為2.85 m3/t，L1、L2為瓦斯含量相同的抽采鉆孔控制區(qū)域尺寸，m，計(jì)算時(shí)可取L1為巷道高度，5 m；L2為鉆孔控制寬度即鉆孔間距取20 m，假密度為1.24 t/m3，鉆孔長度80 m.將抽采相關(guān)參數(shù)帶入下列公式中，以可解吸瓦斯含量6 m3/t為目標(biāo)值，可得抽采60 d對(duì)應(yīng)的鉆孔有效抽采半徑。

1) 3316工作面中鉆孔抽采控制區(qū)域煤層瓦斯抽采量：

(2)

2) 根據(jù)擬合曲線計(jì)算考察鉆孔單孔實(shí)際抽采量：

(3)

3) 抽采鉆孔在控制區(qū)域需布置的數(shù)量：

(4)

4) 可解吸瓦斯含量降至6 m3/t時(shí)，經(jīng)過60 d抽采對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑：

(5)

根據(jù)以上原理，可以依次推算出抽采時(shí)間分別為60 d時(shí)，鉆孔抽采影響半徑為1.95 m；抽采時(shí)間90 d時(shí)，鉆孔抽采影響半徑為2.37 m；抽采時(shí)間180 d時(shí)，鉆孔抽采影響半徑為2.80 m.

3.2 數(shù)值模擬法測定

利用COMSOL軟件數(shù)值模擬單個(gè)鉆孔在不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑，模擬鉆孔周圍各位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)煤層殘存瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化關(guān)系，見圖3.

圖3 不同抽采時(shí)間鉆孔周圍瓦斯壓力分布圖

根據(jù)臨界值分別確定不同抽采時(shí)間對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑，可得到抽采時(shí)間分別為60 d時(shí)，鉆孔有效抽采半徑為1.89 m；抽采時(shí)間90 d時(shí)，鉆孔有效抽采半徑為2.31 m；抽采時(shí)間180 d時(shí)，鉆孔有效抽采半徑為2.72 m.

3.3 瓦斯儲(chǔ)量法與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

本次對(duì)某礦3#煤層鉆孔瓦斯有效抽采半徑的測定采用實(shí)驗(yàn)室數(shù)值模擬法與現(xiàn)場瓦斯儲(chǔ)量法相結(jié)合的方法，以可解吸瓦斯含量降到6 m3/t為例，兩種方法測得的3#煤層的有效抽采半徑結(jié)果對(duì)比見表3.

表3 兩種測定方法的有效抽采半徑測定結(jié)果對(duì)比表

兩種方法的測定結(jié)果具有很好的一致性，根據(jù)現(xiàn)場測定，本次采用瓦斯儲(chǔ)量法的結(jié)果。

4 結(jié)論與展望

1) 通過比較4種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，再根據(jù)某礦3#煤層的實(shí)際情況，采用現(xiàn)場瓦斯儲(chǔ)量法和實(shí)驗(yàn)室數(shù)值模擬法相結(jié)合的方法來測定3#煤層的有效抽采半徑。

2) 通過對(duì)比數(shù)值模擬法和瓦斯儲(chǔ)量法所測有效抽采半徑得出，兩種方法的測定結(jié)果基本相同。本次采用瓦斯儲(chǔ)量法的測定結(jié)果：預(yù)抽60 d，有效抽采半徑為1.95 m；預(yù)抽90 d，有效抽采半徑為2.37 m；預(yù)抽180 d，有效抽采半徑為2.80 m.

[1] 郝富昌,劉明舉,孫麗娟.瓦斯抽采半徑確定方法的比較及存在問題研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012,40(12):55-58.

[2] 曹漢生，岳基偉，羅 鴻.基于壓降法測定瓦斯抽采影響半徑的研究[J].煤，2016(1)：11-12.

[3] 李秀山，葛新玉.運(yùn)用示蹤氣體測量卸壓煤層瓦斯抽采半徑[J].科技論壇,2011(33):42-43.

[4] 王兆豐,周少華,李志強(qiáng).瓦斯抽采鉆孔有效抽采半徑的數(shù)值計(jì)算方法[J].煤炭工程,2011(6):82-84.

Determination of Drilling Effective Drainage Radius Based on Gas Reserves Method

WANG Guofei

In order to extract the gas in No.3 coal seam, it is necessary to arrange the drilling hole reasonably according to the effective extraction radius. By comparing the advantages and disadvantages of the gas pressure reduction method, the tracer gas method, the numerical simulation method and the gas reserve method, the effective extraction radius of the borehole is determined based on the gas reserve method, and the effective extraction radius is calculated by COMSOL Multiphysics. The results show that the two results are almost the same, the effective extraction radius is 1.95 m after pre-pumping for 60 days, 2.37 m for 90 days, 2.80 m for 180 days.

Gas drainage; Effective extraction radius; Numerical simulation; Gas reserve method

2016-06-30

王國飛(1985—)，男，山西定襄人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事瓦斯防治突出管理工作

(E-mail)1902891711@qq.com

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1672-0652(2016)09-0053-04