張飛燕，韓穎，呂帥，劉德寶，程虹銘

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；4.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；5.深井巖層控制與瓦斯抽采國(guó)家安監(jiān)局科技支撐平臺(tái)，河南 焦作 454000；6.山西大同大學(xué) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)中心，山西 大同 037003)

0 引 言

對(duì)于順層鉆孔而言，瓦斯抽采有效半徑是確定鉆孔布置間距的基礎(chǔ)參數(shù)和重要依據(jù)，其主要受煤層瓦斯壓力、煤層透氣性系數(shù)、地應(yīng)力、抽采時(shí)間等因素影響。目前，有效半徑確定方法主要分為3類[1]：(1)理論分析法。如楊相玉等[2]確定了理想煤層抽采條件下瓦斯流動(dòng)方程及邊界條件，運(yùn)用MATLAB軟件模擬計(jì)算煤層不同抽采時(shí)間對(duì)應(yīng)的有效半徑；魏國(guó)營(yíng)等[3]基于瓦斯抽采鉆孔衰減的負(fù)指數(shù)規(guī)律，提出利用噸煤瓦斯抽采量計(jì)算有效半徑的測(cè)定方法；余陶等[4]以抽采鉆孔影響范圍內(nèi)殘余瓦斯壓力<0.74 MPa且預(yù)抽率>30%為指標(biāo)，基于抽采鉆孔瓦斯流量的負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律，推導(dǎo)出有效半徑計(jì)算公式。(2)數(shù)值模擬法。該法主要基于抽采鉆孔周圍(以下簡(jiǎn)稱“孔周”)瓦斯流動(dòng)模型，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法，分析孔周瓦斯流動(dòng)規(guī)律，從而確定抽采有效半徑。如許克南等[5]構(gòu)建了動(dòng)態(tài)流固耦合模型并運(yùn)用COMSOL解算，對(duì)有效半徑和合理鉆孔間距進(jìn)行了研究；郝富昌等[6]建立了蠕變-滲流耦合作用下的瓦斯運(yùn)移模型，確定了不同埋深鉆孔瓦斯抽采的有效半徑。(3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法。該法主要采用瓦斯壓力指標(biāo)法、瓦斯含量指標(biāo)法和示蹤氣體測(cè)定法等測(cè)定。如梁冰等[7]提出分組測(cè)壓法，即在同一水平高度分組布置間距不等的測(cè)壓孔和抽采孔，通過(guò)觀測(cè)各組鉆孔的瓦斯壓力變化情況確定有效半徑；呂貴春[8]通過(guò)考察鉆孔預(yù)抽一段時(shí)間后的殘余可解吸瓦斯含量是否達(dá)到消突和抽采要求，以此確定有效半徑；郝天軒等[9]采用數(shù)值模擬結(jié)合SF6示蹤法確定瓦斯抽采的有效半徑。近年來(lái)，少數(shù)學(xué)者提出若干新方法確定抽采有效半徑。如梁文勖[10]提出基于達(dá)標(biāo)抽采量的有效半徑確定方法，認(rèn)為該方法簡(jiǎn)單易行，并可將防治煤與瓦斯突出和瓦斯抽采達(dá)標(biāo)工作有機(jī)結(jié)合起來(lái)；舒龍勇等[11]提出瓦斯儲(chǔ)量法確定有效半徑并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，認(rèn)為該方法能夠真實(shí)反映礦井瓦斯抽采狀況，測(cè)定結(jié)果可靠。

上述3類方法中，瓦斯含量指標(biāo)法因其測(cè)試簡(jiǎn)單和結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可靠而得到了廣泛應(yīng)用。因此，本文基于長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，以瓦斯抽采相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范為準(zhǔn)繩，以突出煤層采煤工作面瓦斯含量臨界值、采煤工作面回采前煤體可解吸瓦斯含量、采煤工作面瓦斯抽采率和預(yù)抽率作為抽采達(dá)標(biāo)的4項(xiàng)基本指標(biāo)，選取依據(jù)4項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算得出的煤層殘余瓦斯含量(以下簡(jiǎn)稱“殘余瓦斯含量”)最小值作為考察指標(biāo)，對(duì)順層鉆孔抽采有效半徑測(cè)定新技術(shù)進(jìn)行探索。

1 有效半徑考察指標(biāo)選取

《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ1026-2006)對(duì)瓦斯抽采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)[12]規(guī)定如下：

(1)突出煤層工作面采掘作業(yè)前必須將控制范圍內(nèi)煤層的瓦斯含量降到煤層始突深度的瓦斯含量以下，或?qū)⑼咚箟毫档矫簩邮纪簧疃鹊拿簩油咚箟毫σ韵?。若沒(méi)能考察出煤層始突深度的煤層瓦斯含量或壓力，則必須將煤層瓦斯含量降到8 m3/t以下，或?qū)⒚簩油咚箟毫档?.74 MPa(表壓)以下。

若以抽采后的殘余瓦斯含量Wc作為考察指標(biāo)，應(yīng)滿足

Wc1≤8 m3/t，

(1)

式中，Wc1為各種規(guī)定條件下的殘余瓦斯含量，m3/t。

(2)瓦斯涌出量主要來(lái)自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，瓦斯抽采率應(yīng)滿足表1的規(guī)定。

表1 采煤工作面瓦斯抽采率指標(biāo)

因η與Wc存在如下關(guān)系[4]，

(2)

式中：η為采煤工作面瓦斯抽采率，%，可根據(jù)表1選??；W為原始煤層瓦斯含量，m3/t。

故Wc應(yīng)滿足

(3)

(3)瓦斯涌出量主要來(lái)自于開(kāi)采層的采煤工作面前方20 m以外煤體，可解吸瓦斯含量應(yīng)滿足表2規(guī)定。

表2 采煤工作面回采前煤體可解吸瓦斯含量指標(biāo)

則Wc應(yīng)滿足

Wc3≤Wj+Wb,

(4)

式中：Wj為煤體可解吸瓦斯含量，m3/t；Wb為煤在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的殘存瓦斯含量，m3/t，按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：a為吸附常數(shù)，試驗(yàn)溫度下的極限吸附量，m3/t；b為吸附常數(shù)，MPa-1；Aad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；K為煤的孔隙率，%；ρ為煤的密度，kg/m3。

(4)《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》(AQ1027-2006)規(guī)定[13]，預(yù)抽煤層瓦斯的礦井，回采工作面抽出率應(yīng)不小于25%，則Wc應(yīng)滿足

Wc4≤0.75W，

(6)

為確保瓦斯抽采達(dá)標(biāo)且留有一定富裕系數(shù)，Wc需同時(shí)滿足上述4條規(guī)定，并取其中的最小值作為有效半徑考察指標(biāo)，即

Wc=min(Wc1,Wc2,Wc3,Wc4)。

(7)

2 基于殘余瓦斯含量的有效半徑階梯式測(cè)定方法

階梯式測(cè)定法適用于硬煤層和無(wú)突出危險(xiǎn)煤層。在上述煤層中，鉆孔鉆進(jìn)深度較長(zhǎng)，一個(gè)鉆孔可測(cè)定多組殘余瓦斯含量，因此可以大大減少考察鉆孔工程量。

階梯式測(cè)定法鉆孔布置示意圖如圖1所示，具體實(shí)施步驟如下[14]。

圖1 階梯式測(cè)定法鉆孔布置示意

(1)選取煤層賦存穩(wěn)定、構(gòu)造簡(jiǎn)單、尚未實(shí)施預(yù)抽的區(qū)域，按照《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》[15]規(guī)定，垂直煤壁施工直徑42 mm的瓦斯含量測(cè)定鉆孔A；為避開(kāi)鉆孔施工地點(diǎn)巷道卸壓圈影響，在鉆孔A鉆進(jìn)15 m后，每隔2～3 m取樣測(cè)定1次瓦斯含量，至少連續(xù)測(cè)定3次，取其平均值作為預(yù)抽前煤層瓦斯含量W。

(2)按照常規(guī)抽采鉆孔要求，對(duì)鉆孔A進(jìn)行擴(kuò)孔和封孔，并入抽采管網(wǎng)，實(shí)施瓦斯預(yù)抽。

(3)連續(xù)觀測(cè)鉆孔A抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)、流量等參數(shù)，待其抽采30 d后，距鉆孔A水平距離5 m處，施工有效半徑考察鉆孔A′，其與鉆孔A夾角為10°。在鉆孔A′鉆進(jìn)15 m后，每隔2～3 m取樣測(cè)定1次Wc，至少連續(xù)測(cè)定3次，即當(dāng)鉆孔A′與鉆孔A水平距離為3.0，2.6，2.0，1.4，1.0 m時(shí)(圖1)，分別測(cè)定殘余瓦斯含量Wc。

(4)以鉆孔A′與鉆孔A水平距離為橫坐標(biāo)、Wc為縱坐標(biāo)繪圖，可得殘余瓦斯含量隨鉆孔間距的變化規(guī)律，如圖2所示。由圖2可知，與Wcl直線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的鉆孔間距L1即為抽采30 d時(shí)的有效半徑r1，即r1=L1。以此類推，可分別得抽采60，90 d時(shí)的有效半徑r2，r3。

圖2 殘余瓦斯含量隨鉆孔間距的變化規(guī)律

以抽采時(shí)間T為橫坐標(biāo)、有效半徑r為縱坐標(biāo)繪圖，可得有效半徑隨抽采時(shí)間的變化規(guī)律曲線，如圖3所示。根據(jù)礦井采掘接替計(jì)劃確定瓦斯預(yù)抽期后，即可依據(jù)圖3確定預(yù)抽期內(nèi)鉆孔有效半徑，并據(jù)此確定抽采鉆孔布置間距。

圖3 有效半徑隨抽采時(shí)間的變化規(guī)律

3 階梯式測(cè)定法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

3.1 試驗(yàn)礦井概況

山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司主要開(kāi)采3號(hào)煤層，該煤層傾角平均5°，厚度介于4.49～7.17 m間，平均5.65 m，煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類，煤層瓦斯含量為8～10 m3/t。采用順層鉆孔預(yù)抽回采工作面瓦斯，鉆孔直徑為94 mm，孔深100 m，鉆孔布置間距參照鄰近礦井經(jīng)驗(yàn)取3～5 m，抽采效果不佳。

3.2 考察指標(biāo)確定

目前，山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司采用“一井一面”生產(chǎn)模式，工作面日產(chǎn)量9 000 t，涌出瓦斯主要來(lái)自于開(kāi)采煤層的采煤工作面。

(1)以殘余瓦斯含量8 m3/t作為評(píng)判指標(biāo)，根據(jù)式(1)，Wc1=8 m3/t。

(2)由表2可知，日產(chǎn)量8 001～10 000 t的采煤工作面前方20 m以外煤體可解吸瓦斯含量Wj≤4.5 m3/t，根據(jù)式(4)～(5)計(jì)算，可得Wc3=6.8 m3/t。

(3)根據(jù)式(6)，Wc4=7.5 m3/t。

(4)Wc= min(Wc1,Wc3,Wc4)=6.8 m3/t。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定鉆孔布置示意圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定鉆孔布置示意

在3302回風(fēng)平巷選取50 m范圍的試驗(yàn)區(qū)塊，布置3個(gè)常規(guī)抽采鉆孔A，B，C，分別抽采30，60，90 d后，施工考察鉆孔A′，B′，C′，實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量隨鉆孔間距的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量隨鉆孔間距的變化規(guī)律

根據(jù)山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司瓦斯抽采規(guī)劃及采、掘、抽接替計(jì)劃，3302工作面瓦斯預(yù)抽期為6個(gè)月。由圖6可知，對(duì)應(yīng)的有效半徑為1.52 m，理論鉆孔布置間距為3.04 m，為有效消除相鄰鉆孔之間的抽采空白帶，定為2.50 m。

圖6 實(shí)測(cè)有效半徑隨抽采時(shí)間的變化規(guī)律

4 含瓦斯煤流固耦合動(dòng)態(tài)模型有效 半徑數(shù)值模擬研究

為驗(yàn)證有效半徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果的可靠性，基于含瓦斯煤流固耦合動(dòng)態(tài)模型，采用數(shù)值模擬方法研究殘余瓦斯含量和抽采達(dá)標(biāo)范圍隨時(shí)間的變化規(guī)律。

含瓦斯煤流固耦合動(dòng)態(tài)模型由孔隙率與滲透率動(dòng)態(tài)變化方程、瓦斯?jié)B流場(chǎng)方程、基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的含瓦斯煤變形場(chǎng)方程共同構(gòu)成，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16-17]。

順層抽采鉆孔幾何模型如圖7所示，其尺寸為200 m×50 m×5.65 m，上部施加初始載荷σ0，左右為輥支撐，底部為固定約束，四周為零通量不透氣邊界。抽采鉆孔直徑94 mm，深100 m，封孔深10 m，封孔段設(shè)置為不透氣邊界，封孔段以內(nèi)為負(fù)壓抽采段，巷道煤壁處為井底大氣壓力。

圖7 順層抽采鉆孔幾何模型

模型參數(shù)依據(jù)山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司實(shí)際情況選取，見(jiàn)表3。

表3 模型參數(shù)

圖8為數(shù)值模擬條件下殘余瓦斯含量隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖8可以看出，不同抽采時(shí)間(30，90，150，210 d)對(duì)應(yīng)的有效半徑分別為0.54，1.00，1.40，1.48 m。隨抽采時(shí)間延長(zhǎng)，有效半徑逐漸增大，但超過(guò)一定時(shí)間后，有效半徑增大不明顯，如抽采時(shí)間由150 d延長(zhǎng)至210 d，有效半徑僅增大了0.08 m，換而言之，不能單純依靠延長(zhǎng)抽采時(shí)間提高有效半徑。

圖8 數(shù)值模擬條件下殘余瓦斯含量隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖9為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬條件下有效半徑隨抽采時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)比，兩者吻合度較高，表明階梯式測(cè)定法是切實(shí)可行的。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬均遵循同一規(guī)律，即有效半徑隨抽采時(shí)間延長(zhǎng)而增大，超過(guò)某一時(shí)間后，有效半徑趨于穩(wěn)定。

圖9 實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬條件下抽采有效半徑隨抽采時(shí)間變化規(guī)律對(duì)比

基于含瓦斯煤流固耦合動(dòng)態(tài)模型，取鉆孔間距為2.5 m布置3個(gè)抽采鉆孔，以Wc≤6.8 m3/t為判定標(biāo)準(zhǔn)，模擬抽采達(dá)標(biāo)范圍隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖10所示。由圖10可以看出，抽采達(dá)標(biāo)范圍隨抽采時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷擴(kuò)大，且擴(kuò)大趨勢(shì)逐漸變緩，抽采180 d后可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)。

圖10 抽采達(dá)標(biāo)范圍隨時(shí)間的變化規(guī)律

5 結(jié) 論

(1)基于瓦斯抽采相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范，選取殘余瓦斯含量作為考察指標(biāo)，對(duì)順層鉆孔抽采有效半徑測(cè)定新技術(shù)進(jìn)行探索，提出了階梯式測(cè)定法。

(2)采用階梯式測(cè)定法對(duì)山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司3號(hào)煤層抽采有效半徑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并基于含瓦斯煤流固耦合動(dòng)態(tài)模型對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，兩者吻合度較高，據(jù)此確定該礦鉆孔合理布置間距為2.50 m。