唐安煤礦有效抽采半徑測(cè)定研究

王忠忠 王曉麗 韓恩光

(1.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西省高平市， 048407；2.河南省工業(yè)和信息化高級(jí)技工學(xué)校，河南省新鄭市，451199；3.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454000)

瓦斯抽采是礦井防治瓦斯災(zāi)害的主要手段之一，通過(guò)瓦斯抽采可以降低煤層瓦斯壓力、含量，減少礦井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸、瓦斯突出等災(zāi)害。其中瓦斯抽采量、瓦斯抽采率是衡量瓦斯抽采效果的主要指標(biāo)，是礦井安全生產(chǎn)的警戒線。我國(guó)2012年頒布的《瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行辦法》明確規(guī)定礦井采用瓦斯抽采方法時(shí)應(yīng)達(dá)到的抽采率，以便保證煤礦安全生產(chǎn)。煤層瓦斯抽采半徑與抽采鉆孔設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，若抽采鉆孔間距布置過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)瓦斯抽采空白區(qū)，抽采量不高，影響抽采率，對(duì)安全生產(chǎn)危害巨大，違反國(guó)家相關(guān)規(guī)定；若抽采鉆孔間距過(guò)小，雖然可避免瓦斯抽采空白區(qū)域的出現(xiàn)，但大大地增加了礦井安全投入，是經(jīng)濟(jì)、人力投入的巨大浪費(fèi)，不利于煤礦長(zhǎng)久持續(xù)發(fā)展。因此實(shí)際考察煤層有效抽放半徑對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有較大的實(shí)踐與經(jīng)濟(jì)意義。

1 礦井概況

1.1 礦井概況

唐安礦目前開(kāi)采3#煤層，3#煤層位于山西組下部，煤層厚度3.35～6.76 m，平均厚度6.09 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～2層夾矸，為本井田穩(wěn)定可采煤層。礦井每年進(jìn)行一次瓦斯等級(jí)鑒定，鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井，其中2016年瓦斯等級(jí)鑒定數(shù)據(jù)為礦井相對(duì)涌出量為7.24 m3/t；絕對(duì)瓦斯涌出量為26.77 m3/min；回采工作面最大瓦斯涌出量19.63 m3/min；掘進(jìn)工作面最大瓦斯涌出量為2.55 m3/min。

目前唐安煤礦采用本煤層預(yù)抽鉆孔措施對(duì)回采工作面進(jìn)行瓦斯治理。在回采工作面回風(fēng)巷一側(cè)每隔3 m布置一個(gè)鉆孔，鉆孔深度約為170 m，或在進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)同時(shí)每隔3 m施工一個(gè)鉆孔，鉆孔深度約90 m，鉆孔施工量巨大，施工工期較長(zhǎng)，工作面切眼處抽采期較短，影響采掘接替，急需準(zhǔn)確測(cè)定煤層有效抽采半徑，科學(xué)設(shè)計(jì)抽采鉆孔間距。

1.2 抽采半徑測(cè)定

目前國(guó)內(nèi)抽采半徑測(cè)定方法主要有壓力法、流量法及示蹤氣體法。綜合考慮，唐安煤礦沒(méi)有底板巖巷，不具備壓力法測(cè)定條件，3303掘進(jìn)工作面尚未進(jìn)行瓦斯抽采，設(shè)計(jì)選用流量法測(cè)定唐安煤礦3#煤層鉆孔抽采半徑研究。

流量法測(cè)定抽采影響半徑其原理是：在自然排放情況下，鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間呈指數(shù)形式衰減；而如果測(cè)試鉆孔在抽采鉆孔的抽采影響半徑內(nèi)，測(cè)試鉆孔周?chē)耐咚箷?huì)在抽采鉆孔抽采負(fù)壓的作用下被抽走，測(cè)試鉆孔瓦斯流量就會(huì)在此時(shí)間段發(fā)生突變，根據(jù)測(cè)試孔在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采前后瓦斯流量的突變來(lái)分析確定預(yù)抽瓦斯鉆孔的抽采影響半徑。

測(cè)試地點(diǎn)盡可能布置在煤層賦存穩(wěn)定、頂?shù)装逋暾?、裂隙不發(fā)育的礦井未采區(qū)域，且受采動(dòng)影響較小、未進(jìn)行瓦斯抽采區(qū)域。在3303軌道掘進(jìn)巷道距回風(fēng)口40～70 m范圍內(nèi)，布置1個(gè)預(yù)抽孔和10個(gè)測(cè)試孔，其中6#鉆孔為預(yù)抽孔，其余鉆孔為測(cè)試孔?？组g距1～1.5 m，垂直煤壁鉆進(jìn)，鉆孔長(zhǎng)度均為50 m。

1.3 測(cè)定數(shù)據(jù)及分析

順層鉆孔抽采影響半徑測(cè)定過(guò)程中，預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采前后各測(cè)試孔瓦斯流量如圖1、2所示。

圖1 1#5#鉆孔流量變化曲線

圖2 7#11#鉆孔流量變化曲線

根據(jù)抽采時(shí)間與距抽采鉆孔距離的不同散點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得知鉆孔抽采影響半徑隨著抽采時(shí)間的增加不斷變大直至穩(wěn)定于一個(gè)數(shù)值；趨勢(shì)來(lái)看，前期增加較為迅速，后期增加緩慢。抽采鉆孔影響半徑與抽采時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系式為：

(1)

式中：R——抽采影響半徑，m；

t——抽采時(shí)間，d。

由式(1)可以計(jì)算出預(yù)抽時(shí)間分別為30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d和210 d時(shí)的預(yù)抽鉆孔抽采影響半徑為3.11 m、3.55 m、3.73 m、3.83 m、3.89 m、3.93 m、3.96 m。

2 有效抽采半徑測(cè)定

2.1 有效抽采半徑與抽采影響半徑的區(qū)別

根據(jù)流量法測(cè)定煤層抽采影響半徑方法可知，抽采影響半徑指抽采鉆孔在一定的抽采負(fù)壓條件下抽采某個(gè)時(shí)間所能影響到周邊煤體的區(qū)域半徑，影響區(qū)域隨時(shí)間的推移會(huì)逐漸增大至穩(wěn)定到一個(gè)數(shù)值。有效抽采半徑指抽采鉆孔在一定的抽采負(fù)壓條件下抽采某個(gè)時(shí)間時(shí)，達(dá)到消突效果或抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域的半徑長(zhǎng)度。從煤礦安全管理角度來(lái)講，有效抽采半徑數(shù)值對(duì)安全生產(chǎn)、鉆孔布置等更具實(shí)際操作意義。

根據(jù)我國(guó)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》的規(guī)定，突出煤層工作面采掘進(jìn)作業(yè)前必須將控制范圍內(nèi)煤層的瓦斯含量降到始突深度的瓦斯含量以下或煤層的瓦斯壓力降到始突深度的瓦斯壓力以下。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；對(duì)于瓦斯涌出量主要來(lái)自于開(kāi)采層的采煤工作面還應(yīng)以可解吸瓦斯含量為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判別抽采達(dá)標(biāo)。

2.2 有效抽采半徑設(shè)計(jì)

根據(jù)有效抽采半徑的定義及含義可知，理論上可以通過(guò)測(cè)試抽采鉆孔周邊不同距離的煤體原始瓦斯含量，再結(jié)合抽采時(shí)間不同，測(cè)試不同地點(diǎn)殘余瓦斯含量，最后通過(guò)與原始瓦斯含量進(jìn)行對(duì)比分析，循環(huán)測(cè)試多組后，可得出抽采鉆孔有效抽采半徑。但現(xiàn)場(chǎng)施工卻很難滿足條件，一方面煤體瓦斯賦存并不穩(wěn)定，含量分布規(guī)律有差別，細(xì)小的含量差距有可能不受抽采鉆孔的影響，而是煤體自身或測(cè)試過(guò)程的誤差所至；另一方面，若要準(zhǔn)確測(cè)定抽采鉆孔有效抽采半徑，需要在抽采鉆孔周邊布置多組測(cè)試數(shù)據(jù)，不但工程量巨大，且施工測(cè)試鉆孔過(guò)程中也改變了煤體裂隙分布，會(huì)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果失真。因此，解決現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程的弊端，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究鉆孔有效抽采半徑，即現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯含量作為數(shù)值模擬參數(shù)選擇的依據(jù)，對(duì)鉆孔抽采進(jìn)行數(shù)值模擬，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯含量進(jìn)行對(duì)比分析，校正數(shù)值模擬結(jié)果。

2.3 模擬參數(shù)確定

數(shù)值模擬采用COMSOL Multiphysics軟件完成。根據(jù)煤礦及礦區(qū)相同煤層實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)、煤巖力學(xué)參數(shù)及其他物理參數(shù)，確定模型參數(shù)：吸附常數(shù)a為38.5529 m3/t，吸附常數(shù)b為1.3784 MPa-1，水分1.14%，灰分12. 87%，揮發(fā)分8.38%，孔隙率4.73%，大氣壓0.101325 MPa，抽采負(fù)壓20 kPa，原始瓦斯壓力0.38 MPa，滲透性系數(shù)0.01 mD，氣體普適系數(shù)8.314 mol·K，克林伯格系數(shù) 0.35 MPa，彈性模量3.0 GPa，泊松比0.38，最大吸附體積膨脹量3%，動(dòng)力粘度0.0000108 Pa·s。

3 有校抽采半徑測(cè)定結(jié)果

為確定鉆孔有效抽采半徑數(shù)值模擬分析的可行性，需要利用現(xiàn)場(chǎng)流量法測(cè)定煤層抽采影響半徑及殘存瓦斯含量進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。即首先模擬抽采時(shí)間為3 d、6 d、12 d、15 d時(shí)鉆孔周邊瓦斯分布情況，如圖3所示。由圖3可以看出，隨著抽采時(shí)間增加，鉆孔周邊瓦斯含量不斷降低，抽采影響范圍不斷擴(kuò)大。

煤層原始瓦斯壓力為0.38 MPa(表壓0.28 MPa)，與抽采半徑流量測(cè)試法一致，取煤層瓦斯變化10%(表壓降低0.3 MPa)作為抽采影響范圍。則抽采影響邊界處瓦斯壓力為0.35 MPa，根據(jù)間接法瓦斯含量方程可得此時(shí)瓦斯含量為8.1 m3/t。提取鉆孔周邊觀察線上瓦斯含量，如圖4所示，則在抽采時(shí)間為3 d、6 d、12 d、15 d時(shí)，瓦斯含量為8.1 m3/t分別距鉆孔0.95 m、1.34 m、1.94 m、2.16 m，與流量法實(shí)測(cè)抽采影響半徑相近，抽采影響半徑對(duì)比如圖5所示。

圖3 不同抽采時(shí)刻鉆孔周邊瓦斯分布

圖4 鉆孔周邊瓦斯含量分布

圖5 抽采影響半徑對(duì)比

瓦斯抽采1個(gè)月后，在距鉆孔0.7 m、1.2 m處分別采集煤樣測(cè)得煤層殘余瓦斯含量為6.14 m3/t、7.48 m3/t。與模擬時(shí)間為1個(gè)月時(shí)抽采結(jié)果對(duì)比可知，實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量與抽采模擬結(jié)果相近，即模型與實(shí)際情況相符，該模型模擬可作為實(shí)踐設(shè)計(jì)依據(jù)。

利用以上模型模擬抽采時(shí)間為3 d、6 d、12 d、15 d、30 d、90 d、120 d、150 d、180 d、210 d時(shí)煤層瓦斯含量分布，如圖6所示。由圖6可以看到，隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔兩邊瓦斯含量不斷降低，且降低趨勢(shì)隨時(shí)間變緩。利用langmuir方程進(jìn)行模擬，擬合結(jié)果如圖7所示，R2為0.99，可得有效抽采半徑與抽采時(shí)間之間關(guān)系為：

(2)

式中：r有——有效抽采半徑，m；

t——抽采時(shí)間，d。

圖6 抽采不同時(shí)期鉆孔兩邊瓦斯含量分布

圖7 有效抽采半徑與抽采時(shí)間關(guān)系

由式(2)可以計(jì)算出抽采天數(shù)為30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d、210 d時(shí)，鉆孔有效抽采半徑距離分別為2.33 m、2.79 m、2.99 m、3.10 m、3.17 m、3.22 m和3.26 m。

4 結(jié)論

有效抽采半徑的測(cè)定是瓦斯抽采設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，是日常防突管理必要參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)定礦井開(kāi)采煤層有效抽采半徑，不僅可以避免抽采空白帶的出現(xiàn)，保證礦井安全生產(chǎn)，還可以降低經(jīng)濟(jì)投入。結(jié)合唐安煤礦的煤層賦存、試驗(yàn)地點(diǎn)特點(diǎn)，測(cè)定了煤層有效抽采半徑，得出以下幾個(gè)結(jié)論。

(1)抽采影響半徑較有效抽采半徑較大，隨抽采時(shí)間的延長(zhǎng)均達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值。

(2)利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相接合的方法可測(cè)得煤層有效抽采半徑，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的吻合性。

(3)不足之處在于數(shù)學(xué)模型的建立需要根據(jù)每個(gè)煤礦具體條件進(jìn)行調(diào)整分析，應(yīng)用的普遍性不足，模型計(jì)算較為繁瑣。