彭業(yè)升宋大釗,何志龍高勤瓊

(1.永城煤電控股集團(tuán)有限公司,河南省永城市,450016; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 3.河南能源化工集團(tuán)貴州興安煤業(yè)有限公司糯東煤礦,貴州省興義市,561904)

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三軟煤層水力沖孔布孔參數(shù)確定及優(yōu)化?

彭業(yè)升1宋大釗1,2何志龍3高勤瓊2

(1.永城煤電控股集團(tuán)有限公司,河南省永城市,450016; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 3.河南能源化工集團(tuán)貴州興安煤業(yè)有限公司糯東煤礦,貴州省興義市,561904)

摘 要為提高“三軟”煤層水力沖孔瓦斯消突效果,采用COMSOL軟件進(jìn)行模擬以確定沖孔有效半徑,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用對(duì)布孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與檢驗(yàn)。結(jié)果表明,沖煤量為0.5 t/m、0.75 t/m、1.0 t/m時(shí),卸壓范圍分別為6.7 m、8.9 m、11.2 m,瓦斯抽采半徑為3.2 m、4.5 m、5.3 m;根據(jù)糯東煤礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化確定水力沖孔孔間距為9 m,區(qū)域效果檢驗(yàn)瓦斯抽采濃度及流量由沖孔前的25％,0.08 m3/min升至沖孔后85％,0.35 m3/ min,確定布孔參數(shù)合理可靠。

關(guān)鍵詞“三軟”煤層 水力沖孔 抽采半徑 卸壓范圍 沖煤量

The parameters determination and optimization of hole arrangement to hydraulic flushing in the three soft coal seam

Peng Yesheng1,Song Dazhao1,2,He Zhilong3,Gao Qinqiong2
(1.Yongcheng Coal and Power Holding Group Co.,Ltd.,Yongcheng,Henan 450016,China; 2.College of Safety Engineering,China University of Mining& Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.Nuodong Coal Mine,Guizhou Xing＇an Coal Industry Co.,Ltd.,Henan Energy& Chemical Group,Xinyi,Guizhou 561904,China)

Abstract In order to increase the effect of hydraulic flushing to eliminate gas outburst in the ＂three soft＂coal seam,the effective radius of hydraulic flushing was determined using the COMSOL software simulation,the parameters of hole arrangement were optimized and tested by combing the field experiments and application.The results show that the parameters of hole arrangement is determined by the analysis of the range of pressure relief and the radius of gas drainage,when the flushed coal quantity is 0.5 t/m,0.75 t/m,1.0 t/m respectively,the range of pressure relief is 6.7 m,8.9 m,11.2 m respectively,and the radius of gas drainage is 3.2 m,4.5 m,5.3 m respectively;According to the optimal results of field experiments,the pitch of holes to hydraulic flushing is 9 m,and the gas concentration and the gas flow rate to area effect testing increases from 25％,0.08 m3/min before hydraulic flushing to 85％,0.35 m3/min after hydraulic flushing respectively,which shows the parameter of hole arrangement is reasonable and reliable.

Key words ＂three soft＂coal seam,hydraulic flushing,the radius of gas drainage,the range of pressure relief,the flushed coal quantity

三軟煤層一般具有低透氣性、易流變、不易抽采的特性,在生產(chǎn)過(guò)程中,容易導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故,瓦斯災(zāi)害威脅嚴(yán)重.水力沖孔技術(shù)對(duì)無(wú)保護(hù)層開采、應(yīng)力高、透氣性差的高瓦斯煤層具有良好的卸壓增透、煤層消突效果,而水力沖孔效果的好壞關(guān)鍵在于沖孔技術(shù)參數(shù)的確定.

目前,我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)煤層水力沖孔技術(shù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了大量研究并取得了一定的研究成果.魏建平等應(yīng)用壓力法與流量法相結(jié)合的技術(shù),分析了水力沖孔的有效影響半徑和水力沖孔鉆孔周圍的卸壓范圍的大小,并對(duì)沖孔鉆孔進(jìn)行了優(yōu)化.楊云峰等通過(guò)研究水力沖孔措施在突出煤層中的應(yīng)用,優(yōu)化沖孔參數(shù)使該措施可以有效提高抽采量、快速消除高瓦斯突出煤層掘進(jìn)或回采過(guò)程中的突出危險(xiǎn)性.郝福昌等采用COMSOL模擬軟件對(duì)建立的不同沖煤量鉆孔煤層的滲透率動(dòng)態(tài)變化及吸附特征流固耦合模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,研究不同沖煤量的鉆孔的抽采半徑,優(yōu)化煤層抽采鉆孔的布置.劉振英等應(yīng)用數(shù)字模擬與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)合的方法,研究了地應(yīng)力對(duì)抽采鉆孔間距的影響,確定鉆孔布孔參數(shù).以上各位學(xué)者是基于實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)模擬提出的各種結(jié)論,而實(shí)際的煤層由于受周圍各種環(huán)境因素的影響,在水力沖孔過(guò)程中煤層呈現(xiàn)不同的響應(yīng)效果.研究表明,水力沖孔有效半徑的確定必須分析瓦斯的運(yùn)移規(guī)律,而瓦斯的運(yùn)移規(guī)律受應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)的影響.因此,筆者考慮以計(jì)算機(jī)模擬為基礎(chǔ),研究了應(yīng)力場(chǎng)與瓦斯抽采過(guò)程壓力變化范圍,確定孔間距,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加以優(yōu)化完善,研究結(jié)果為確定孔間距及相關(guān)參數(shù)提供依據(jù).

1　試驗(yàn)區(qū)域煤層概況

糯東煤礦位于貴州省普安縣南部,礦井井田面積為66.2961 km2,主要可采17＃、19＃、20＃、26＃煤層,經(jīng)鑒定各煤層均為突出煤層.井田大部分地區(qū)煤層厚度在3.5 m以上,東部、北部及13線附近厚度稍薄.

試驗(yàn)區(qū)域17＃煤層位于龍?zhí)督M中段,上距B2灰?guī)r22 m左右,上距B3泥質(zhì)灰?guī)r0.5 m左右,煤層厚0.65～8.99 m,平均4.16 m.煤層含夾矸0～3層,一般1層,夾矸厚度0.05～0.54 m;煤層厚度呈中部厚,外圍稍薄的趨勢(shì).煤層直接頂板多為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,局部為泥質(zhì)灰?guī)r(B3);底板多為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖.煤層原始瓦斯壓力平均為1.03 MPa,原始瓦斯含量平均為15.37 m3/t,百米鉆孔初始瓦斯流量為0.429～0.733 m3/min,鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1433～0.7108 d－1,透氣性系數(shù)為0.016429～0.021527 m/ (MPa2·d),瓦斯放散初速度為18～28 m L/s,煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.16～0.30.

17＃煤層頂?shù)装鍘r體與主采煤層強(qiáng)度以及煤層的滲透率較低,屬于標(biāo)準(zhǔn)的三軟低透氣性煤層.本礦前期采用底板穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)進(jìn)行礦井煤層區(qū)域性防突,但由于三軟煤層具有透氣性差、煤質(zhì)松軟易流變的特征,單個(gè)鉆孔瓦斯抽采率低.因此,需要應(yīng)用底板水力沖孔技術(shù)提高煤層瓦斯透氣性,改變煤層流變性,用以提高鉆孔瓦斯抽采率;為了更好地達(dá)到卸壓增透的效果,需對(duì)水力沖孔的各技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

2　不同沖煤量沖孔參數(shù)模擬

2.1煤體力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)選擇具有指導(dǎo)作用,因此,本文應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件,以糯東煤礦17＃煤層力學(xué)參數(shù)建立模型,模擬水力沖孔過(guò)程鉆孔卸壓范圍及瓦斯抽采半徑.已知隨著沖煤量的增大,沖孔孔徑隨之增大,卸壓增透效果越好.但是,受到現(xiàn)有設(shè)備及技術(shù)的限制和防止沖孔后孔洞難以閉合的現(xiàn)象,要求單孔沖煤量不能過(guò)大.糯東煤礦煤層密度為1.5 t/m3,初始鉆孔孔徑為94 mm,沖出煤量為0.5 t/m、0.75 t/m、1 t/m時(shí),分別對(duì)應(yīng)的孔洞半徑為0.35 m、0.42 m、0.49 m.通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、瓦斯資料的收集和整理及實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測(cè)定得出含瓦斯煤層特性參數(shù),彈性模量1.2 GPa,內(nèi)聚力1.5 MPa,內(nèi)摩擦角26°,泊松比0.46,初始孔隙率2.94×10－2％,煤層對(duì)瓦斯的初始滲透率2.176×10－16md,原始瓦斯壓力2 MPa,瓦斯的動(dòng)力粘度1.08×10－6Pa·s,煤的水分0.78％,煤的灰分5.23％,埋藏深度350 m.

2.2不同沖煤量鉆孔卸壓范圍

水力沖孔對(duì)地應(yīng)力具有良好的卸壓效果,而煤體應(yīng)力集中和卸壓情況通?？梢酝ㄟ^(guò)其區(qū)域最大主應(yīng)力分布來(lái)反映.應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)17＃煤層水力沖孔進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,得到?jīng)_煤量為0.5 t/m、0.75 t/m和1 t/m時(shí)在抽采15 d后分別對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力分布曲線,見圖1.

由圖1可以看出,煤層經(jīng)過(guò)水力沖孔后,從鉆孔兩側(cè)向煤體深部橫向最大主應(yīng)力逐漸增大,其分布規(guī)律依次是應(yīng)力卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、原始應(yīng)力區(qū).孔洞周圍形成了不同程度的卸壓,應(yīng)力卸壓區(qū)越靠近鉆孔,應(yīng)力越小,至孔洞處幾乎為0.沖出煤量為0.5 t/m、0.75 t/m、1 t/m的鉆孔分別對(duì)應(yīng)的卸壓區(qū)范圍是6.7 m、8.9 m、11.2 m,應(yīng)力卸壓區(qū)范圍隨沖出煤量的增加而逐漸增大.

圖1　不同沖出煤量最大主應(yīng)力分布

2.3不同沖煤量瓦斯抽采半徑

依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定瓦斯壓力低于0.74 MPa的區(qū)域?yàn)闊o(wú)突出區(qū)域.因此,將瓦斯壓力低于0.74 MPa的區(qū)域視為瓦斯抽采的有效區(qū)域.應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)17＃煤層水力沖孔進(jìn)行模擬求解,得出不同沖煤量情況下瓦斯抽采15 d鉆孔煤層瓦斯壓力分布圖,見圖2.

從圖2可以看出,瓦斯壓力在孔洞邊緣形成以孔洞為中心的同心圓環(huán),由外及內(nèi)逐漸擴(kuò)散,且隨著每米沖出煤量的增加,瓦斯壓力下降范圍逐漸擴(kuò)大,顏色變化范圍越大,表明瓦斯壓力梯度越大.由圖2(a)可以看到在距鉆孔3.2 m處瓦斯壓力降到0.74 MPa以下,因此出煤量為0.5 t/m鉆孔的抽采半徑為3.2 m.同理可得出煤量為0.75 t/m、1 t/m鉆孔的抽采半徑分別為4.5 m、 5.3 m.由此可得隨著每米沖出煤量的增加,瓦斯抽采半徑也隨之增大.

圖2　不同沖煤量煤層瓦斯壓力分布圖

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化及效果考察

3.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

考慮到17＃煤層屬于三軟煤層,地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,為確保一定的安全系數(shù),選擇試驗(yàn)孔間距為6 m.通過(guò)11902工作面上下巷道對(duì)11702工作面上下巷道掘進(jìn)工作面實(shí)施水力沖孔.其中,11702工作面上下巷道屬于17＃煤層掘進(jìn)工作面;11902工作面上下巷道位于19＃煤層,是11702工作面的底抽巷.試驗(yàn)鉆場(chǎng)確定兩組,分別布置在距11702上下巷道煤巷掘進(jìn)頭20 m處,鉆孔間距6 m×6 m,11902上巷道布置5個(gè)試驗(yàn)鉆孔,下巷道布置6個(gè)試驗(yàn)鉆孔,編號(hào)依次為1?！?1＃,沖孔水壓從6 MPa開始,依次沖孔且每個(gè)鉆孔水壓比上一個(gè)鉆孔水壓遞增2 MPa,試驗(yàn)結(jié)果見表1.由表1計(jì)算得出每個(gè)鉆孔沖煤量均超過(guò)0.5 t/m,最大可達(dá)到3.7 t/m,在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水力沖孔過(guò)程中煤層出現(xiàn)流變現(xiàn)象,因此,將卸壓鉆孔間距適當(dāng)調(diào)為9 m,沖孔位置由距離11702上巷道、下巷道與煤巷掘進(jìn)頭間距10 m開始,標(biāo)定第一組鉆場(chǎng)位置開始沖孔,鉆孔間距9 m×9 m,每組鉆孔設(shè)計(jì)5個(gè),詳見水力沖孔鉆孔設(shè)計(jì)圖3.

表1　沖孔水壓記錄表

3.2區(qū)域效果檢驗(yàn)

通過(guò)在11902工作面上巷道對(duì)11703上巷道掘進(jìn)煤層的兩組鉆孔沖孔前后連續(xù)20 d瓦斯抽采,每隔5 d進(jìn)行一次瓦斯抽采濃度及瓦斯流量統(tǒng)計(jì),取平均值,做出瓦斯抽采濃度變化曲線及瓦斯流量變化曲線見圖4.

通過(guò)圖4可以看出水力沖孔后較沖孔前瓦斯抽采濃度及流量明顯升高,沖孔后的煤體滲透性及流變性得以改善,易于瓦斯抽采.從圖4(a)可以看出,沖孔前第一組剛開始瓦斯抽采濃度為25％,第二組為20％,連續(xù)抽采10 d后,濃度分別連續(xù)衰減至5％、10％;水力沖孔后第一組剛開始抽采濃度為85％,第二組為80％,連續(xù)抽采20 d,第一組在6～10 d內(nèi)瓦斯抽采濃度急劇下降,隨后趨于平穩(wěn)直至60％,第二組瓦斯抽采濃度平穩(wěn)衰減至66％,水力沖孔后比沖孔前瓦斯抽采濃度升高至少3.4倍,大大縮短瓦斯抽采時(shí)間.從圖4(b)可以看出,沖孔前鉆孔第一組剛開始瓦斯抽采流量為0.08 m3/min,第二組為0.1 m3/min,連續(xù)抽采20 d后,流量分別平穩(wěn)連續(xù)衰減至0.02 m3/min、0.05 m3/min;沖孔后鉆孔第一組剛開始抽采瓦斯流量為0.35 m3/min,第二組為0.34 m3/min,連續(xù)抽采20 d,第一組瓦斯流量連續(xù)衰減至0.25 m3/min、第二組在1～10 d內(nèi)瓦斯流量有小幅度上升,隨后連續(xù)衰減至0.3 m3/min,趨于穩(wěn)定,水力沖孔后瓦斯抽采流量是采取措施前的4.4倍.

圖3　11702工作面水力沖孔鉆孔設(shè)計(jì)

4　結(jié)論

(1)依據(jù)糯東煤礦17＃煤層力學(xué)參數(shù)建立模型,模擬沖煤量為0.5 t/m、0.75 t/m、1.0 t/m水力沖孔過(guò)程,得出鉆孔卸壓范圍是6.7 m、8.9 m、11.2 m,瓦斯抽采半徑為3.2 m、4.5 m、5.3 m.

圖4　11902上巷道水力沖孔前后瓦斯抽采變化曲線圖

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化,確定水力沖孔孔間距為9 m,經(jīng)區(qū)域應(yīng)用檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),確定的沖孔布孔參數(shù)合理可靠.

(3)糯東煤礦11702掘進(jìn)工作面瓦斯抽采濃度與抽采流量分別由沖孔前的25％升至沖孔后85％、沖孔前的0.08 m3/min升至沖孔后0.35 m3/min,沖孔20 d后,瓦斯抽采濃度與抽采流量仍能達(dá)到60％及0.25 m3/min,卸壓增透效果明顯.

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(責(zé)任編輯 張艷華)

作者簡(jiǎn)介:彭業(yè)升(1964－),工程師,永城煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司總工程師,主要從事礦山安全技術(shù)及管理方面的研究工作。

基金項(xiàng)目:?中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M541982,2014T70679)

中圖分類號(hào)TD713.34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A