許慎，郭立穩(wěn)，張嘉勇

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

我國是煤礦開采和消費(fèi)大國，然而礦井瓦斯災(zāi)害問題嚴(yán)重制約著我國煤礦安全高效生產(chǎn)。目前，礦井多采用鉆孔瓦斯抽采降低煤體中的瓦斯含量，以減少煤層瓦斯向采掘空間的涌出量，從而達(dá)到防治瓦斯災(zāi)害的目的。煤層瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑是瓦斯抽采關(guān)鍵參數(shù)之一，科學(xué)合理地確定瓦斯有效抽采半徑以及抽采鉆孔間距對防治礦井瓦斯災(zāi)害具有重要的意義[1-3]。目前確定瓦斯抽采半徑主要包括數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試的方法[4-6]，現(xiàn)場測試法主要包括壓力降低法和示蹤氣體法，壓力降低法主要是在抽采孔周圍布置測壓孔，通過抽采孔抽采瓦斯觀察測壓孔的瓦斯壓力變化，進(jìn)而確定出有效抽采半徑[7]；示蹤氣體法主要是監(jiān)測氣體在不同抽采時間下的相關(guān)數(shù)據(jù)，處理分析進(jìn)而得到有效抽采半徑[8]。該項(xiàng)研究采用數(shù)值模擬結(jié)合井下現(xiàn)場實(shí)測的方法，共同確定主采煤層瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑以及鉆孔合理布置間距，為低瓦斯礦井局部高瓦斯煤層瓦斯抽采鉆孔間距的合理快速確定，提供了一種較為簡單可行的方法。

1 有效抽采半徑和鉆孔間距

鉆孔的有效抽采半徑受煤質(zhì)、煤層透氣性系數(shù)、瓦斯壓力和瓦斯含量等多種因素的影響，鉆孔的有效半徑的確定會影響鉆孔的間距分布，一般而言抽采鉆孔越密集，鉆孔間距越小，抽采效果越好。在礦井瓦斯抽采中，盲目增加抽采鉆孔數(shù)量，減小鉆孔間距，會增加施工的工程量和施工成本，確定出合理的鉆孔有效半徑和鉆孔間距，既可以節(jié)約成本又可以取得良好的抽采效果，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)抽采半徑固定時，鉆孔間距之間的關(guān)系可以分為3類，見圖1。

圖1 不同鉆孔間距的抽采效果

從圖1可以看出圖1(a)鉆孔間距過大，留有大量的未抽采區(qū)域，抽采效果不理想；圖1(b)中鉆孔間距剛好為抽采半徑的2倍，抽采效果強(qiáng)于圖1(a)，但在相交的上下處仍留有灰色未抽采區(qū)域；圖1(c)中的2個抽采區(qū)域相互疊加，有效地減少了灰色未抽采的區(qū)域，但同時也減小了鉆孔間距。實(shí)際應(yīng)用中采取圖1(b)還是圖1(c)進(jìn)行瓦斯抽采，要充分結(jié)合礦井的地質(zhì)條件和煤體相關(guān)指標(biāo)來確定。

2 有效抽采半徑確定

2.1 有效抽采半徑測定原理

煤層中瓦斯壓力由于受抽采鉆孔負(fù)壓的影響，鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸降低，距離抽采鉆孔越遠(yuǎn)，瓦斯壓力下降越少，每個抽采鉆孔都有極限影響區(qū)域，即為抽采鉆孔有效半徑?！睹旱V安全規(guī)程》明確規(guī)定[9]：預(yù)抽煤層瓦斯后，必須對預(yù)抽瓦斯防治突出效果進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)的指標(biāo)之一是煤層瓦斯預(yù)抽率大于30%，即抽采后的瓦斯含量小于抽采前的30%以上。在保證工業(yè)應(yīng)用誤差允許前提下，瓦斯壓力和瓦斯含量存在著一個拋物線關(guān)系。用拋物線方程來近似取代煤層瓦斯含量曲線，即：

(1)

式中：X—煤層瓦斯含量，m3/t；

α—煤層瓦斯含量系數(shù)，m3·t-1·MPa-0.5；

P—煤層瓦斯壓力，MPa。

因此，以滿足煤層預(yù)抽率30%為基礎(chǔ)，原始瓦斯壓力應(yīng)下降量為51%，即瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑為瓦斯壓力值下降51%的區(qū)域。綜上所述可知，數(shù)值模擬過程中，以原始煤層瓦斯壓力值的49%為模擬瓦斯壓力目標(biāo)。

承德平安礦位于承德興隆縣，屬于改造托管型礦井，生產(chǎn)能力為每年60萬噸，井田內(nèi)2#、4#煤層為礦井主采煤層。礦井總體瓦斯涌出量較小，由于煤層地質(zhì)條件較為復(fù)雜，在2#、4#煤層局部區(qū)域瓦斯?jié)舛容^大，對礦井安全生產(chǎn)造成一定影響。該礦主采煤層的相關(guān)瓦斯參數(shù)見下表1。

表1 該礦主采煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

2.2 數(shù)值建模

數(shù)值模擬采用RFPA2D-GasFlow軟件進(jìn)行，模型中煤層大小為10 m×10 m，單元格劃分200×200，上下設(shè)置各煤層對應(yīng)的應(yīng)力邊界條件，左右設(shè)置位移邊界條件，設(shè)置值為0。如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型

結(jié)合該礦煤層瓦斯抽采鉆孔施工情況，鉆孔直徑選取100 mm，抽采負(fù)壓一般在30 ～40 kPa之間，選取抽采負(fù)壓為0.04 MPa，模擬迭代1步代表1 d，抽采時間為30 d。各煤層數(shù)值模擬的基本主要參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模擬主要參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果主要以抽采鉆孔影響的壓力指紋圖以及抽采鉆孔中心A-A'剖面瓦斯流量統(tǒng)計圖呈現(xiàn)。該礦各煤層的模擬結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 2#煤層抽采鉆孔瓦斯壓力指紋圖 圖4 2#煤層鉆孔瓦斯流量統(tǒng)計圖

圖5 4#煤層抽采鉆孔瓦斯壓力指紋圖 圖6 4#煤層鉆孔瓦斯流量統(tǒng)計圖

根據(jù)瓦斯壓力指紋圖中瓦斯壓力下降區(qū)域占整個模型的尺寸，確定抽采鉆孔有效影響半徑；通過瓦斯抽采鉆孔流量統(tǒng)計圖，尋找鉆孔瓦斯流量與臨界流量的交點(diǎn)，由模型尺寸的劃分可知，圖中橫軸每一小格代表0.05 m，計算鉆孔與交點(diǎn)的距離即可得到抽采有效半徑，例如，根據(jù)2#煤層抽采鉆孔瓦斯壓力指紋圖(見圖3)可得該煤層抽采鉆孔有效半徑為1.6 m；根據(jù)煤層鉆孔瓦斯流量統(tǒng)計圖(見圖4)中孔瓦斯流量與臨界流量的交點(diǎn)為66，交點(diǎn)距鉆孔中心為100-66=34，抽采鉆孔有效半徑即為34×0.05 m=1.7 m。同理可得，4#煤層抽采鉆孔有效影響半徑為2.1 m。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表格如表3所示。

表3 2#和4#煤層瓦斯抽采鉆孔有效半徑模擬結(jié)果

3 現(xiàn)場實(shí)測

為了檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在礦井下合適區(qū)域分別對2#煤層與4#煤層采用壓力指標(biāo)法進(jìn)行井下實(shí)測。測試鉆孔施工如圖7和圖8所示。

圖7 2#煤層測試鉆孔分布示意圖 圖8 4#煤層測試鉆孔分布示意圖

測試鉆孔施工參數(shù)及觀測數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測試鉆孔參數(shù)統(tǒng)計表

在40 kPa穩(wěn)定抽采負(fù)壓作用下，經(jīng)過30 d的持續(xù)抽采，測試鉆孔瓦斯壓力均出現(xiàn)較明顯的下降。其中觀測孔1、觀測孔2、觀測孔4和觀測孔5的瓦斯壓力下降最為明顯，均超過原始瓦斯壓力值的51%以上，觀測孔3和觀測孔6瓦斯壓力值隨有一定下降，但是下降幅度不足50%。由前文所述可知，觀測孔1、觀測孔2、觀測孔4和觀測孔5均在抽采鉆孔有效影響半徑之內(nèi)，觀測孔3和觀測孔6未處于抽采鉆孔有效影響半徑區(qū)域。由以上所述可知，此次抽采鉆孔有效半徑數(shù)值模擬分析結(jié)果與實(shí)際測試相符合，測得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

綜上所述，該礦主采2#、4#煤層瓦斯抽采鉆孔有效半徑分別為1.7 m、2.1 m。

4 抽采鉆孔合理間距

抽采鉆孔間距是影響煤層瓦斯抽采效果與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)之一，如若以抽采鉆孔有效半徑的2倍確定，將會在相鄰抽采鉆孔之間形成瓦斯抽采空白帶，如圖9中CD灰色區(qū)域所示。圖中R代表當(dāng)前抽采鉆孔有效影響半徑，AB代表當(dāng)前鉆孔間距，E為CD中點(diǎn)，AE、BE長度為L。

圖9 合理抽采鉆孔間距

根據(jù)勾股定理可知，在瓦斯抽采過程，施工抽采鉆孔時，應(yīng)避免瓦斯抽采鉆孔區(qū)域形成抽采空白帶。因此，抽采鉆孔合理鉆孔間距應(yīng)把AE的長度L作為抽采鉆孔合理間距。綜上所述，該礦主采2#和4#煤層，瓦斯抽采鉆孔合理間距分別為2.4 m和3.0 m。

5 結(jié)論

(1)瓦斯抽采鉆孔有效半徑和鉆孔間距的關(guān)系可以分為3種情況：相離、相切和相交?？茖W(xué)合理確定瓦斯抽采有效半徑以及抽采鉆孔間距，可以有效地提高煤層瓦斯抽采效率，增加經(jīng)濟(jì)效益，減少瓦斯災(zāi)害發(fā)生，對于礦井瓦斯防治具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

(2)采用RFPA2D-GasFlow軟件分析，依據(jù)煤層抽采鉆孔瓦斯壓力指紋圖和瓦斯流量統(tǒng)計圖，得到該礦出2#和6#煤層的瓦斯抽采有效半徑模擬結(jié)果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬分析結(jié)果的可靠性，采用井下現(xiàn)場實(shí)測，最終確定該礦2#和4#煤層瓦斯抽采有效半徑分別為1.7 m和2.1 m。

(3)通過分析瓦斯抽采有效半徑和鉆孔間距的關(guān)系，為消除瓦斯抽采的空白帶，計算確定該礦2#和4#煤層瓦斯抽采鉆孔合理布置間距分別為2.4 m和3.0 m。