多手段测定煤层钻孔抽采有效半径技术研究

吕 闫 孙 亮

(1.山西华晋焦煤沙曲二矿;2.煤科集团沈阳研究院有限公司)

多手段测定煤层钻孔抽采有效半径技术研究

吕 闫1孙 亮2

(1.山西华晋焦煤沙曲二矿;2.煤科集团沈阳研究院有限公司)

为准确测定某矿8208综采工作面本煤层瓦斯抽采半径，提出采用基于相对压力法和数值模拟相结合的多手段综合测定技术。通过分析抽采半径测定的原理，运用计算流体力学COMSOL软件，分析了钻孔内瓦斯流动方程，进行抽采钻孔施工及压力观测，结果表明：当抽采15 d时，距离抽采孔1 m远的压力观测孔瓦斯压力下降到51%压力观测指标线之下，数值模拟结果与观测结果基本吻合，结果准确可靠，可以指导现场实践。

综采工作面 瓦斯抽采半径 相对压力法 数值模拟 COMSOL 压力观测指标

顺层瓦斯预抽钻孔是治理采煤工作面本煤层预先抽采瓦斯的重要手段[1-3]，而准确测定本煤层抽采钻孔的抽采半径，对于工作面本煤层的瓦斯治理尤为关键，尤其在施工本煤层预抽钻孔的间距上[4]。科学合理地寻找最佳抽采半径和布置钻孔，才能得到最佳的抽采效率和抽采效果[5]。为此，研究人员提出了多种测定抽采半径的理论与方法[6-9]，如文献[6]中提出基于压降法的不等距布置抽采孔与测压孔的“一抽一测法”，此方法施工简单，可以通过较少的测点准确测定抽采半径。但煤层抽采半径的测定工作影响因素多，现场施工受到抽采负压、封孔效果、封孔质量等因素制约，采用单一的观测压力的方法，测定效果不是十分理想。因此，结合计算流体力学，应用数值模拟手段，采用COMSOL模拟软件，与现场观测相结合，综合测定钻孔抽采半径，并结合某矿8028综采工作面实践，得出抽采半径测定结果，为工作面瓦斯治理提供理论依据。

1 煤层抽采半径测试理论

1.1 测试原理

采用相对压力法进行抽采半径测试，其原理是煤层预抽后，预抽率应大于30%且在没有考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量或压力，必须将煤层瓦斯含量降到8 m3/t以下，由煤层瓦斯含量与压力关系式(1)及其简化式(2)可知，当煤层预抽率为30%，即残余瓦斯含量为原始瓦斯70%，则此时残余瓦斯压力为原始瓦斯压力的49%，瓦斯压力下降量为51%，此即为抽采半径考察的标准[10]。

(1)

(2)

式中，Wcy为残余瓦斯含量，m3/t；a,b为吸附常数；Pcy为煤层残余相对瓦斯压力，MPa；Pa为标准大气压力，0.101 325 MPa；Ad为煤的灰分，%；Mad为煤的水分，%；π为煤的孔隙率，m3/m3；γ为煤的视密度，t/m3;X为煤层瓦斯含量，m3/t；α为煤层瓦斯含量系数，m3/(tMPa0.5)；P为煤层绝对瓦斯压力，MPa。

1.2 测试方法

如图1所示，首先在煤层施工一排测压孔，每个测压孔装上压力表，记录每个测压孔的原始压力P1，P2，P3，…，Pn,然后进行抽采。观察各个测压孔瓦斯变化情况，将瓦斯压力下降到稳定压力(钻孔封孔以及压力表安装完毕后，初始压力读数稳定)10%以上的钻孔视为抽采影响范围内钻孔，将抽采钻孔到距其最远的一个抽采影响范围内钻孔的距离视为影响抽采半径。

图1 测试钻孔布置示意

2 煤层抽采半径数值模拟

2.1 数学模型

(1)连续方程。Δt时间瓦斯在煤层中流动符合质量守恒定律[11]，即

(3)

式中,ρ为流体密度，kg/m3；q为比流量矢量，m3/(m2·d)；N为孔隙率，%；Sw为饱和度，%；M为该体积内单位时间由源或汇产生或吸收的质量，kg/(m2·d)；t为时间，s。

(2)达西定律。瓦斯在煤层中的流动符合达西定律[12]，即

(4)

式中,v为瓦斯流动的速度，m/d；k为煤的渗透率，m2；μ为瓦斯的绝对粘度，MPa·d；P为煤层瓦斯压力，MPa；n为煤层瓦斯的动力粘度，Pa·s。

(3)钻孔周围瓦斯流动方程[13]为

(5)

(6)

式中,P为煤层瓦斯压力,MPa；t为煤层瓦斯流动的

时间，s；r为径向流场的半径，m；P0为原始煤层瓦斯压力，MPa；λ为煤层透气系数，m2/(Pa2·s)；a、b、c为单位换算系数。

2.2 物理模型

数值模拟采用COMSOL软件[14]，测试的钻孔抽采半径物理模型见图2，参数见表1。

图2 抽采半径测定物理模型

煤层厚度/m钻孔孔径/mm钻孔长度/m封孔长度/m吸附常数a/(m3/t)吸附常数b/MPa-1孔隙率/%透气性系数/(m2/(MPa2·d))3.4113402030.3401.2104.861.46

2.3 数值模拟结果

限于篇幅，列出抽采孔连抽9～15 d的钻孔周围瓦斯压力结果(图3)，其中，中间钻孔表示抽采孔，两侧钻孔代表测压孔，2个测压孔距抽采孔均为1 m，实测钻孔未预抽瓦斯之前煤体瓦斯压力为0.48 MPa左右。

图3 抽采半径数值模拟结果

由图3可以看出，距离抽采孔2～5 m的煤体瓦斯压力为0.48 MPa左右。随着抽采天数的增加，抽采孔附近的煤体瓦斯压力在逐渐降低。抽采9 d时，距抽采孔0.5 m的煤体瓦斯压力为0.25 MPa左右；抽采11 d时，距抽采孔0.7 m的煤体瓦斯压力为0.25 MPa左右；抽采13 d时，距抽采孔0.9 m的煤体瓦斯压力为0.25 MPa左右；抽采15 d时，距抽采孔1 m的煤体瓦斯压力为0.25 MPa左右，此时，影响到1 m处的测压孔，测压孔的瓦斯压力下降到初始稳定压力0.48 MPa的51%，即0.25 MPa左右，说明抽采15 d时，抽采半径为1 m。

3 煤层抽采半径现场测定

3.1 测定地点选择

某矿8208综采工作面位于井田2#煤层二采区，井下标高为864～942 m，最大垂深为480 m；回风顺槽高，运输顺槽低，平均落差约26 m；走向长680 m，倾向长180～223 m，面积为121 543 m2。工作面东侧为8206工作面采空区，西侧为实体煤，南侧为实体煤，北侧为82采区3条下山。在8208回风顺槽距巷口30 m处布置测点，通过顺层钻孔考察2#煤抽采半径。

3.2 钻孔设计与施工

结合现场实际，在8208回风顺槽施工一组抽采半径考察测点，共施工5个φ113 mm顺层钻孔。其中，中间为瓦斯抽采钻孔两侧为压力观测钻孔。抽采半径测定钻孔布置见图4，钻孔参数见表2。

图4 抽采半径测定钻孔示意

编号类型与巷道夹角/(°)倾角/(°)孔径/mm孔长/m封孔长/m与抽采孔距离/m0#抽采孔90-12113401501#测压孔90-12113401512#测压孔90-12113401513#测压孔90-12113401524#测压孔90-1211340152

3.3 实测结果

测压钻孔封孔后，待压力稳定，将抽采钻孔连入矿井已有抽采系统，根据抽采时间推移,对各压力孔瓦斯压力值变化情况进行分析，绘制钻孔压力变化曲线，见图5。

从图5中可以看出，各钻孔瓦斯压力随时间变化逐渐降低，观测孔与抽采钻孔的距离越大，下降至有效抽采线所需抽采时间就越长，当抽采时间为15 d 时，有效抽采半径为1 m。

图5 抽采半径观测数据结果

4 结 论

基于相对压力法原理，提出了通过数值模拟和现场实测的多手段综合测试瓦斯抽采半径方法，结合某矿8208工作面本煤层抽采半径测定实践，得出抽采15d时8208本煤层顺层瓦斯抽采钻孔抽采半径为1m。实测结果与数值模拟结果吻合。相比传统单一手段测试抽采半径，现场实测和数值模拟手段相结合的方法可以更加科学可靠地测定出抽采半径，此方法可以更好地指导矿井瓦斯抽采工作。

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2016-08-22)

吕 闫(1983—)，男，副科长，助理工程师，033399 山西省吕梁市柳林县穆村镇沙曲村。