金元甲,馬 凱,張亞洲,馬錢(qián)錢(qián)

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048021; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037;3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037)

隨著煤礦瓦斯治理技術(shù)的不斷進(jìn)步,定向鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)日趨成熟。由于定向鉆孔具有鉆進(jìn)較深、鉆孔軌跡可控等優(yōu)勢(shì),定向鉆進(jìn)工藝在各大煤礦已成為預(yù)抽鉆孔施工首選方式。近年來(lái),許多學(xué)者針對(duì)鉆具優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆孔施工工藝改進(jìn)、鉆孔抽采工藝參數(shù)及抽采效果等方面進(jìn)行了諸多研究[1-9]。溫英明等開(kāi)展了中深孔定向鉆進(jìn)技術(shù)及分支孔應(yīng)用研究,綜合考察了定向鉆孔保直性、糾偏能力、開(kāi)分支能力等相關(guān)指標(biāo),確定了頂板高位鉆孔開(kāi)分支實(shí)現(xiàn)“以孔代巷”治理采空區(qū)瓦斯的方案[10];李炎濤等利用COMOSOL數(shù)值模擬軟件開(kāi)展了定向長(zhǎng)鉆孔合理布置間距的研究,對(duì)不同抽采負(fù)壓下的鉆孔間距進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并確定了合理的布孔間距和負(fù)壓[11];許超等開(kāi)展了煤礦井下大盤(pán)區(qū)瓦斯抽采定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備研究,提出了以順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔組覆蓋整個(gè)工作面,對(duì)礦井大盤(pán)區(qū)瓦斯進(jìn)行采前預(yù)抽的區(qū)域瓦斯治理新模式,并介紹了順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔成孔的五大關(guān)鍵技術(shù)[12];馬贊等開(kāi)展了負(fù)角度定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采完孔工藝研究,針對(duì)負(fù)角度(下向孔)長(zhǎng)鉆孔護(hù)孔與未護(hù)孔抽采效果進(jìn)行了考察,結(jié)果表明鉆孔服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),在未及時(shí)排出鉆孔積水的前提下,采取護(hù)孔工藝能夠有效提高下行孔抽采效果[13];董洪波等開(kāi)展了煤礦井下定向鉆進(jìn)防串孔方法及應(yīng)用研究,提出一種基于雙目標(biāo)孿生支持向量機(jī)的煤礦井下定向鉆孔施工防串孔方法,并通過(guò)井下定向鉆孔試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[14];王鮮等開(kāi)展了超長(zhǎng)定向鉆孔滑動(dòng)鉆進(jìn)減阻技術(shù)及其應(yīng)用研究,針對(duì)煤礦井下近水平深孔條件下,滑動(dòng)定向鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)阻力大、鉆進(jìn)效率低、鉆孔深度受限等問(wèn)題,研究形成了滑動(dòng)鉆進(jìn)減阻技術(shù)[15];劉飛等開(kāi)展了順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔鉆壓傳遞規(guī)律研究,結(jié)果表明滑動(dòng)定向鉆進(jìn)給進(jìn)壓力隨鉆孔深度呈指數(shù)增加關(guān)系,鉆孔排渣效率、鉆具摩擦阻力等與泥漿泵壓、泵量呈正相關(guān)關(guān)系[16]。與普通鉆孔相比較,目前關(guān)于定向鉆孔布孔參數(shù)與抽采特性關(guān)系的研究相對(duì)較少。但對(duì)于煤層瓦斯抽采效果而言,定向鉆孔抽采特性是保障鉆孔設(shè)計(jì)和抽采效果的基礎(chǔ)[17-18],因此,進(jìn)行定向孔抽采特性對(duì)布孔參數(shù)響應(yīng)變化規(guī)律研究是不可或缺的,可以為后期鉆孔設(shè)計(jì)提供依據(jù),為保障抽采效果奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 數(shù)值計(jì)算控制方程

井下鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯時(shí),假設(shè)煤層中瓦斯從煤層裂隙流向鉆孔空間符合達(dá)西滲流定律,瓦斯從煤體孔隙中解吸再向裂隙擴(kuò)散過(guò)程符合菲克擴(kuò)散定律。因此,根據(jù)達(dá)西滲流定律和菲克擴(kuò)散定律,考慮煤層瓦斯壓力及煤巖體應(yīng)力變化對(duì)煤體孔隙率的影響,同時(shí)考慮Klikenberg效應(yīng),得到如下耦合控制方程[19-20]。其中,式(1)為本煤層鉆孔抽采瓦斯?jié)B流場(chǎng)方程,式(2)、式(3)為鉆孔預(yù)抽瓦斯過(guò)程中滲透率和孔隙率耦合方程,式(4)為井下鉆孔預(yù)抽過(guò)程中煤層變形場(chǎng)控制方程。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:a為煤體吸附飽和狀態(tài)最大吸附量,m3/kg;p為瓦斯壓力,MPa;εV為體積應(yīng)變;b為煤體吸附常數(shù),MPa-1;c為煤體校正參數(shù),kg/m3;pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,Pa;φ為煤體孔隙率;ks為煤體骨架模量;k為煤層滲透率,m2;μ為煤層瓦斯動(dòng)力黏度系數(shù),Pa·s;m為Klikenberg系數(shù),Pa;Δp為壓差,Pa;k0為煤層原始滲透率,m2;φ0為煤體初始孔隙率;ν為煤體泊松比;λ、G為拉梅常數(shù);Fi為體積力,N。

1.2 幾何模型

根據(jù)上述控制方程和山西王坡煤礦實(shí)際條件,確定幾何計(jì)算模型,計(jì)算區(qū)域煤體尺寸參數(shù)(煤層厚度×走向長(zhǎng)度×傾向長(zhǎng)度)為5.5 m×100 m×400 m。數(shù)值計(jì)算鉆孔類(lèi)型為本煤層定向長(zhǎng)鉆孔,主要考察定向鉆孔找平段深度為250 m瓦斯擴(kuò)散—滲流規(guī)律,分3種類(lèi)型,分別為1個(gè)分支孔、2個(gè)分支孔及3個(gè)分支孔類(lèi)型;數(shù)值計(jì)算抽采時(shí)間按照12個(gè)月考慮,抽采負(fù)壓為13 kPa。計(jì)算模型基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型基本參數(shù)

1.3 初始條件和邊界條件

2)應(yīng)力邊界條件:煤層頂部邊界承受上覆巖層的應(yīng)力為15 MPa。

3)位移邊界條件:煤層下部邊界及兩側(cè)邊界為固定約束條件。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

1個(gè)分支孔、2個(gè)分支孔及3個(gè)分支孔抽采12個(gè)月煤體瓦斯含量分布如圖1～3所示,煤體不同位置瓦斯含量變化規(guī)律如圖4～6所示。

圖1 1個(gè)分支孔抽采12個(gè)月瓦斯含量分布云圖

圖2 2個(gè)分支孔抽采12個(gè)月瓦斯含量分布云圖

圖3 3個(gè)分支孔抽采12個(gè)月瓦斯含量分布云圖

圖4 1個(gè)分支孔抽采12個(gè)月煤體不同位置

由圖1～3可知,定向長(zhǎng)鉆孔抽采過(guò)程中對(duì)煤體影響范圍呈圓臺(tái)狀,隨定向鉆孔分支數(shù)量增多,鉆孔孔底段影響范圍依次增大。由圖4～6可知,鉆孔間距控制在5 m時(shí),在鉆孔軸向200 m范圍(鉆孔深度方向)、鉆孔徑向2.5 m范圍(煤體距孔壁方向)內(nèi)基本均可保證鉆孔覆蓋區(qū)域殘余瓦斯含量在8 m3/t以下。由圖5和6可知,相鄰兩鉆孔中間區(qū)域殘余瓦斯含量不超過(guò)5 m3/t。綜上分析可知,抽采時(shí)間為12個(gè)月時(shí),井下工業(yè)性試驗(yàn)鉆孔間距應(yīng)控制在5 m。

圖5 2個(gè)分支孔抽采12個(gè)月煤體不同位置

圖6 3個(gè)分支孔抽采12個(gè)月煤體不同位置瓦斯含量變化規(guī)律

3 鉆孔控制區(qū)域瓦斯含量變化耦合模型

圖7為抽采時(shí)間12個(gè)月時(shí)殘余瓦斯含量沿鉆孔軸向、徑向分布三維圖。結(jié)合圖1～3相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)圖7進(jìn)行分析可知,定向鉆孔抽采過(guò)程中煤體殘余瓦斯含量沿鉆孔有效影響空間呈對(duì)稱(chēng)式分布規(guī)律。具體為徑向任一截面沿中心點(diǎn)向外呈線性衰減,軸向任一截面沿中心向外呈線性衰減。

圖7 抽采時(shí)間12個(gè)月時(shí)殘余瓦斯含量沿鉆孔軸向、徑向分布三維圖

將殘余瓦斯含量沿鉆孔軸向、徑向變化整體考慮,從而得到鉆孔抽采12個(gè)月時(shí)控制區(qū)域煤體殘余瓦斯含量隨鉆孔軸向、徑向耦合變化計(jì)算模型(見(jiàn)式(5))。將該模型進(jìn)一步推論可得不同抽采時(shí)間鉆孔控制區(qū)域殘余瓦斯含量與有效影響范圍內(nèi)空間位置耦合模型(見(jiàn)式(6))。利用式(6)在選定2個(gè)軸向位置分別測(cè)定2個(gè)徑向位置瓦斯含量(4個(gè)已知條件),即可獲得對(duì)應(yīng)抽采時(shí)間下鉆孔控制區(qū)域瓦斯含量計(jì)算模型。

WCY=0.44e-0.005LR+4.16e0.003L,

R≥1 m,L≥20 m

(5)

WCY=α1e-β1LR+α2eβ2L,

R≥1 m,L≥20 m

(6)

式中:WCY為殘余瓦斯含量,m3/t;R為鉆孔徑向影響長(zhǎng)度,m;L為鉆孔軸向影響長(zhǎng)度,m;α1、α2、β1、β2為不同抽采參數(shù)下的影響因子。

上述4個(gè)已知條件具體獲取方式:在鉆孔軸向位置L1=X1處,分別測(cè)定對(duì)應(yīng)徑向位置RL1-1=R1處殘余瓦斯含量WCY1=w1及RL1-2=R2處殘余瓦斯含量WCY2=w2;在鉆孔軸向位置L2=X2處,分別測(cè)定對(duì)應(yīng)徑向位置RL2-3=R3處殘余瓦斯含量WCY3=w3及RL2-4=R4處殘余瓦斯含量WCY4=w4。最終可得(L1,RL1-1,WCY1)、(L1,RL1-2,WCY2)、(L2,RL2-3,WCY3)及(L2,RL2-4,WCY4)4個(gè)已知條件。

4 井下工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

井下工業(yè)性試驗(yàn)在王坡煤礦3304工作面開(kāi)展,試驗(yàn)區(qū)域煤層平均厚度為5.5 m,煤層傾角2°～10°,平均傾角6°,煤層連續(xù)性較好,無(wú)明顯地質(zhì)構(gòu)造,原煤瓦斯含量為10～12 m3/t。

4.2 抽采數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)擬合

結(jié)合數(shù)值計(jì)算確定的相關(guān)參數(shù),在井下施工不同布置方式鉆孔對(duì)抽采瓦斯量進(jìn)行考察。鉆孔深度為250 m,不同布置方式鉆孔終孔間距均為5 m。1個(gè)分支孔、2個(gè)分支孔及3個(gè)分支孔瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及擬合曲線如圖8～10所示;不同布孔方式下擬合結(jié)果參數(shù)見(jiàn)表2。

圖9 2個(gè)分支孔抽采瓦斯量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和擬合曲線

圖10 3個(gè)分支孔抽采瓦斯量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和擬合曲線

表2 不同布孔方式下擬合結(jié)果參數(shù)

4.3 不同布孔方式抽采瓦斯量計(jì)算

利用式(6)及式(7)對(duì)不同布孔方式抽采效果進(jìn)行計(jì)算,分別得到預(yù)抽時(shí)間內(nèi)抽采瓦斯總量和殘余瓦斯含量。不同布孔方式下的抽采瓦斯量計(jì)算結(jié)果及鉆孔控制范圍瓦斯含量見(jiàn)表3。

表3 抽采瓦斯量計(jì)算結(jié)果及鉆孔控制范圍的瓦斯含量

(7)

由井下試驗(yàn)結(jié)果可知:數(shù)值計(jì)算規(guī)律基本與井下試驗(yàn)結(jié)果相印證。鉆孔布置方式是影響抽采效果的基本因素。鉆孔抽采效果與開(kāi)分支情況直接相關(guān),抽采時(shí)間相同時(shí),單孔抽采瓦斯量隨分支數(shù)量增加而減少。在抽采負(fù)壓一定情況下,定向鉆孔開(kāi)2個(gè)分支孔抽采效果較好,控制范圍內(nèi)瓦斯含量降幅最大。通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)瓦斯含量和模型計(jì)算瓦斯含量可知,計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合度較高。

5 結(jié)論

1)鉆孔抽采瓦斯量沿孔軸線方向非均勻分布。定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果沿孔軸線方向呈遞減趨勢(shì),整體影響范圍呈圓臺(tái)狀。

2)分支孔數(shù)量與鉆孔瓦斯抽采效果直接相關(guān)。抽采負(fù)壓一定情況下,定向鉆孔開(kāi)2個(gè)分支孔抽采效果較好,控制范圍內(nèi)瓦斯含量降幅最大。

3)建立了鉆孔控制區(qū)域殘余瓦斯含量與鉆孔軸向、徑向變化耦合模型,模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合度較高。