煤礦采動影響下地面井群瓦斯抽采范圍研究

孫海濤，付軍輝， 張志剛， 胡 君

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引 言

隨著我國煤礦開采強度的日益提高，礦井回采空間瓦斯涌出量大幅增加，即使低瓦斯礦井也有瓦斯“爆涌”問題顯現(xiàn)。 而既有井下通風及常規(guī)瓦斯抽采措施在解決工作面瓦斯超限的問題上也出現(xiàn)了治理能力不足、影響采掘接替等困境［1］。 采動區(qū)瓦斯地面井抽采技術(shù)充分利用了煤層回采時的采動卸壓效應，利用地面井大量抽采卸壓瓦斯，減少回采工作面瓦斯的超限，抽采的瓦斯還可以作為能源加以利用，因此，地面井抽采技術(shù)是國內(nèi)各大高校和煤炭企業(yè)的研究熱點，但如何進行大范圍、區(qū)域化的連續(xù)抽采，形成對回采空間涌出瓦斯的低成本長效控制，依然是目前面臨的重要難題［2-4］。 采動區(qū)瓦斯抽采地面井網(wǎng)布置方法多采用直線式布置在回風巷一側(cè)，由于鉆井施工成本較高，在取得預計抽采效果的同時應盡量減少鉆井數(shù)量，地面井的布井間距是決定鉆井施工成本的重要因素；同時，由于采動區(qū)地面井（群）抽采的瓦斯總流量波動范圍大，而瓦斯利用終端需要持續(xù)穩(wěn)定的輸氣量，計算采動影響下單井的抽采范圍和抽采流量變化規(guī)律，確定合理井間距，可為瓦斯開發(fā)中的井網(wǎng)布置提供科學的決策依據(jù)。國內(nèi)學者對相關(guān)技術(shù)難題進行了眾多研究，文獻［3］建立了評估采動穩(wěn)定區(qū)瓦斯可采資源量的“直接加法”和“間接減法”；文獻［5-6］指出，將地面井終孔位置布置在垮落帶上方1/3 裂隙帶高度處，地面井抽采瓦斯的流量和濃度都能夠維持在較高水平；文獻［7-12］考慮到鉆井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受煤層回采后頂板巖層移動和變形破壞的影響，提出在沿工作面傾向上應該將地面井布置在工作面中部靠近回風巷一側(cè)；公衍偉等［13］采用煤層殘余瓦斯含量、回風巷中的瓦斯?jié)舛?、鉆屑瓦斯解吸指標、最大鉆屑量、工作面涌出瓦斯抽采率作為評估指標對林華煤礦本煤層瓦斯抽采效果進行評估；降文萍［14］考慮到瓦斯儲層特征和地面井實際抽采能力，采用儲層模擬方法確定了能有效評估地面井抽采效果的指標。

為了更好地發(fā)揮采動區(qū)地面井（群）的抽采效能，筆者將對采動區(qū)地面井（群）的合理間距、采動區(qū)瓦斯抽采率等進行系統(tǒng)分析，并通過數(shù)值分析和現(xiàn)場抽采工程進行試驗驗證。

1 采動區(qū)地面井（群）間距的確定

采動裂隙場孔、裂隙系統(tǒng)由巖層中的層理、節(jié)理、裂隙等構(gòu)成，按形成過程可分為原始空隙、裂隙和次生采動裂隙。 原始孔隙的大小只與其特定地質(zhì)環(huán)境下的煤巖體性質(zhì)和原始應力等因素有關(guān)，可供瓦斯流通的孔隙通道在尺寸上要比采動裂隙小好幾個數(shù)量級；采動裂隙的尺寸受工作面的采高、煤巖層巖性、二次應力分布等因素的影響，其尺寸和滲透率都相當大，是采動裂隙場中瓦斯運移的主要通道。由于頂板覆巖裂隙場內(nèi)孔、裂隙度較大，多孔介質(zhì)中瓦斯的流動屬于非線性滲流。 Brinkman 方程滿足流體從多孔介質(zhì)區(qū)域向鉆孔中流動邊界上的無滑移條件，適用于描述受采動影響范圍內(nèi)的瓦斯在地面井抽采影響下的流動。

因此，基于Brinkman 方程對穩(wěn)態(tài)滲流的瓦斯?jié)B流的數(shù)學描述，對于近似穩(wěn)態(tài)滲流條件下的采動區(qū)地面井抽采［15-16］，設(shè)定采場覆巖滲透性系數(shù)為k，未抽采時采動孔裂隙中氣體壓力為P0（通常根據(jù)采場通風壓力確定），地面井內(nèi)抽采負壓為P1，地面井套管半徑為r1，采場覆巖裂隙場中氣體壓力為P0點到地面井軸線的距離為r0，則可求得采場上覆巖層任意位置瓦斯壓力P為

式中：r為距地面井中心的距離，m。

式中：?P為氣體壓力衰減梯度。

對式（2）進行求導計算，可獲得采動區(qū)地面井抽采條件下地面井周圍采動影響范圍內(nèi)的氣體壓力衰減梯度速率為

由于采動裂隙場內(nèi)壓力梯度是進行地面井抽采的動力源，壓力梯度快速衰減的轉(zhuǎn)折點可以視為抽采動力急劇衰減的轉(zhuǎn)折點，該抽采影響范圍內(nèi)也是地面井抽采瓦斯的高效區(qū)域，因此以式（2）代表的采動裂隙場內(nèi)氣體壓力衰減梯度曲線為基本依據(jù)，選擇梯度衰減的拐點位置作為采動區(qū)地面井抽采的有效控制范圍（圖1），可以滿足工程經(jīng)濟性和抽采效率的雙重要求，由此可以確定采動區(qū)瓦斯地面井（群）的合理布井間距。

煤礦采動區(qū)瓦斯地面井（群）的抽采特點決定了地面井布井位置的最優(yōu)區(qū)域［17］為“優(yōu)先布設(shè)在回風巷側(cè)0.15～0.30 倍工作面長度的區(qū)域?！?/p>

圖1 采動裂隙場內(nèi)氣體壓力衰減梯度規(guī)律及拐點Fig.1 Attenuation law and inflection point of gas pressure gradient in mining fracture field

因此，沿采煤工作面走向，采動區(qū)地面井（群）布置間距為m，沿采煤工作面傾向采動區(qū)地面井（群）布置間距n通常為工作面寬度（一般200 ～300 m），如圖2 所示。

2 采動區(qū)地面井（群）抽采效果評估方法

采動區(qū)地面井布井間距越小，采動區(qū)瓦斯的綜合抽采效果就越好，但也會造成工程成本越高，式（3）確定的地面井布井間距為工程應用中的擇優(yōu)選擇，為采動區(qū)地面井的施工布井提供了基礎(chǔ)依據(jù)。但是，為了達到不同的抽采需求，應該動態(tài)調(diào)整地面井（群）的布井間距，故需要對采動區(qū)地面井（群）的抽采效果進行評估。 因此，建立采動區(qū)瓦斯地面井抽采率指標，表征采動區(qū)涌出瓦斯中地面井抽采量的比例。

計算采動區(qū)地面井抽采率涉及到評估單元的劃分，將某一工作面所構(gòu)成的矩形幾何范圍視為評估該工作面對應采動區(qū)地面井抽采效果的評估單元。采場涌出瓦斯的來源主要有工作面回采空間、采空區(qū)以及鄰近層等，采場涌出瓦斯主要通過礦井通風、井下抽采瓦斯（頂板鉆孔、頂板高抽巷、采空區(qū)埋管等）、采動區(qū)地面井抽采瓦斯等3 種方式進行治理，建立采動區(qū)地面井（群）抽采率的計算模型如下：

式中：Q為地面井抽采瓦斯量，m3；Q0為采場絕對瓦斯涌出量，m3/min；Qw為工作面通風量，m3/min；Qu為井下抽采涌出瓦斯量，m3；t為地面井抽采時長，取回采工作面推過地面井井間距需要的開采時長，min；c為地面井抽采期限內(nèi)回風巷中的瓦斯平均體積分數(shù)，%。

在地面井（群）工程部署設(shè)計階段進行井群抽采效果預評估時，采場絕對瓦斯涌出量、工作面通風量、井下抽采涌出瓦斯量和回風巷中瓦斯平均濃度等參數(shù)可以采區(qū)回采的年度平均數(shù)據(jù)為依據(jù)。

根據(jù)式（4）計算獲得的采動區(qū)地面井（群）抽采率，當需要提高地面井（群）的抽采率時應縮小井間距，當需要適當降低井群抽采率以降低工程成本時應增加井間距。

3 采動區(qū)地面井（群）抽采效果數(shù)值分析

3.1 模型構(gòu)建

為了對理論模型建立的分析方法進行驗證，采用COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬軟件建立了用于計算采動區(qū)地面井（群）瓦斯抽采的三維數(shù)值模型。數(shù)值模型參照岳城礦1304 工作面部署，在不影響規(guī)律分析的前提下選取走向長度為400 m、地面井半徑0.1 m，模型尺寸為長400 m×寬200 m×高60 m，巷道尺寸為長200 m×寬5 m×高5 m，模型如圖3 所示，坐標原點o位于進風巷與工作面交匯處的巷道底部，沿工作面推進方向為x軸、傾向為y軸、高度方向為z軸，煤層厚度為10 m，采空區(qū)及覆巖尺寸為長400 m×寬200 m×高50 m。 地面井布置在工作面傾向上距回風巷40 m 處，終孔點位于煤層上方1 m；地面井（群）中1 號地面井終孔點坐標為（0，160，11）、2 號地面井終孔點坐標為（-40，160，11）、3 號地面井終孔點坐標為（-80，160，11）。 由于計算能力的限制，采用等效相似歸一化原理的方式進行數(shù)值模擬分析。

以Brinkman 方程對穩(wěn)態(tài)滲流的數(shù)學描述為物理模型基礎(chǔ)進行數(shù)學建模，數(shù)值模擬中不考慮采空區(qū)與覆巖的孔隙率在煤層傾向和垂向上的變化，僅考慮了煤層走向上體現(xiàn)各區(qū)域孔隙率的差異性。 采空區(qū)及覆巖層中的孔隙率與礦壓分布和巖石的巖性有關(guān)，在工作面回采過程中上覆巖裂隙發(fā)育經(jīng)歷了3 個階段：快速增大階段、緩慢減小階段、穩(wěn)定階段。孔隙率ε與地面井中心至工作面距離x的關(guān)系［17］如下：

其他物性參數(shù)及模型參數(shù)如下：

煤巖初始孔隙率 0.05

粒徑/m 約0.03

瓦斯動力黏度/（ Pa·s） 1.789 4×10-5

瓦斯密度/（kg·m-3） 0.716 8

空氣動力黏度/（Pa·s） 1.79×10-5

巷道風速/（m·s-1） 0.5

工作面采用U 型通風方式，巷道中初始瓦斯體積分數(shù)為0，平均風速為0.5 m/s，進風口壓力設(shè)置為標準大氣壓，與工作面交界處的空氣和瓦斯可自由流通，其余邊界為無通量邊界。

回采空間煤壁視為瓦斯涌出源，單位體積每秒涌出瓦斯量為8.1×10-5kg，初始瓦斯體積分數(shù)為0；采空區(qū)視為瓦斯涌出源，單位體積每秒涌出瓦斯量為5.8×10-6kg，初始瓦斯體積分數(shù)為0。 工作面各區(qū)域涌出瓦斯視為均勻分布，即單位時間、單位體積內(nèi)涌出的瓦斯量可作為該區(qū)域的瓦斯源項。 數(shù)值分析過程不考慮井下瓦斯抽采情況，僅考慮巷道風速作用下的風排瓦斯量，由于瓦斯通過煤壁和采煤區(qū)遺煤不斷地從地面井出來，且受計算模型限制，井口初始負壓設(shè)定為0.1×10-3Pa。

工作面的推進速度為4 m/d，采煤工作面推過地面井的順序依次為1 號地面井、2 號地面井、3 號地面井。 由于地面井（群）數(shù)量較少，地面井（群）抽采量設(shè)計為3 檔，第1 檔抽采瓦斯純量控制為45 000 m3/d，第2 檔抽采瓦斯純量控制為30 000 m3/d，第3 檔抽采瓦斯純量控制為15 000 m3/d。

3.2 單井有效抽采影響范圍分析

1 號地面井抽采后采場xy平面瓦斯氣體壓力分布如圖4 所示。 由圖4 可得，從工作面向采空區(qū)深部方向，采動裂隙場中氣體壓力總體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，地面井附近煤巖孔裂隙場中氣體壓力大于地面井中心氣體壓力，壓力梯度增大的速率較高，距地面井越遠壓力梯度增大的速率越小。

圖4 瓦斯氣體壓力分布Fig.4 Gas pressure distribution

1 號地面井抽采時，z＝60 m 平面上x軸方向上氣體壓力監(jiān)測值變化情況如圖5a 所示，氣體壓力監(jiān)測點分別取x＝0、1、2、3、4、5、10、20……190、200 m，y＝160 m。 從圖中可以看出，地面井附近5 m 范圍內(nèi)氣體壓力衰減梯度非常大，當x＝0 m 時，氣體壓力為3.61×10-6Pa；當x＝5 m 時，氣體壓力極速增大到1.97×10-3Pa，隨后覆巖中氣體壓力緩慢增加。 當x＝110 m 時計算壓力梯度衰減速率為-0.006 Pa/m。

圖5 瓦斯氣體壓力及壓力衰減梯度變化曲線Fig.5 Variation curve of gas pressure and pressure attenuation gradient

1 號地面井抽采時，距地面井不同距離的氣體壓力衰減梯度變化情況如圖5b 所示，其擬合曲線符合式（2）和式（3）的規(guī)律。 根據(jù)氣體壓力衰減梯度?P值，氣體壓力梯度衰減速率?P′ 取-0.006 Pa/m，?P和?P′滿足趨近于0 且變化緩慢的判定標準，此時監(jiān)測點到地面井中心的距離130 m 為該地面井的有效抽采影響半徑，即理論上采動區(qū)地面井間距應約為260 m。

3.3 采動區(qū)地面井（群）抽采效果分析

采動區(qū)地面井（群）抽采數(shù)值試驗中工作面布置有3 口地面井，圖6 反映了工作面分別推過1、2、3 號地面井之后各井在遠離工作面的過程中瓦斯抽采純流量變化情況。

圖6 采動區(qū)地面井（群）抽采瓦斯純流量Fig.6 Gas drainage volume of surface wells in mining area

模擬試驗發(fā)現(xiàn)地面井（群）抽采中各地面井產(chǎn)氣量存在著相互影響的情況。 在2、3 號地面井抽采影響下，1 號地面井產(chǎn)氣量下降。 反之，1 號地面井的抽采也會對2、3 號地面井產(chǎn)生一定的影響，在2、3 號地面井分別開始抽采后，1 號地面井的產(chǎn)氣量有所降低，特別是1 號地面井位于裂隙最為發(fā)育的區(qū)域時，1 號地面井的產(chǎn)氣量下降幅度最大。 地面井（群）抽采時，1 號井平均抽采量為7.33 m3/min，總產(chǎn)氣量為211.10 萬m3，2 號井平均抽采量為5.98 m3/min，總產(chǎn)氣量為137.78 萬m3，3 號井平均抽采量為5.33 m3/min，總產(chǎn)氣量為92.10 萬m3。

根據(jù)數(shù)值分析獲得的抽采數(shù)據(jù)，應用建立的采動區(qū)地面井抽采率計算公式，分別計算單井和井群的抽采率。 單井抽采時，回風巷中平均瓦斯體積分數(shù)為1.21%，風排瓦斯量為9.08 m3/min。 井群抽采時，回風巷中平均瓦斯體積分數(shù)為0.96%，風排瓦斯量為7.20 m3/min。 計算結(jié)果表明，在工作面到采空區(qū)200 m 范圍內(nèi)，單井抽采時的抽采率為73.77%，井群抽采時抽采率為95.10%。

4 岳城礦采動區(qū)地面井（群）抽采應用

岳城礦1301—1311 工作面共布置了13 口地面井，其中YCCD-02、YCCD-06、YCCD-10、YCCD-11、YCCD-12、YCCD-13 等地面井均進入同一個地面井（群）抽采系統(tǒng)，將地面井布置于利于布置集輸管網(wǎng)主干附近，每口地面井安設(shè)控制閥門，根據(jù)需要對地面井瓦斯量進行控制抽采，實現(xiàn)穩(wěn)定供氣。 將這6 口地面井的抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)作為本次評估采動區(qū)地面井（群）抽采效果的數(shù)據(jù)源。 采動區(qū)地面井采用三開井型結(jié)構(gòu)［18］，地面井布置參數(shù)見表1。

表1 地面井布置參數(shù)Table 1 Surface well layout parameters

岳城礦地面井（群）抽采系統(tǒng)連接了YCCD-02、YCCD-06、YCCD-10、YCCD-11 及YCCD-12 及YCCD-13 等地面井，應用瓦斯壓力衰減梯度理論和采動區(qū)地面井抽采率計算方法計算了6 口采動區(qū)地面井抽采效果，見表2。

表2 采動區(qū)地面井（群）抽采效果Table 2 Pumping effect of surface well in mining area

從表2 可知，在采煤工作面瓦斯涌出階段地面井抽采瓦斯純量最高為249.49 萬m3，其地面井抽采率為84.74%，地面井抽采瓦斯純量最低為125.4萬m3，其地面井抽采率為49.2%。 通過對比發(fā)現(xiàn)，YCCD-10 井和YCCD-11 井位于1304 工作面，兩口地面井間距約190 m，根據(jù)計算獲得的采動區(qū)地面井（群）抽采率，應增大采動區(qū)地面井（群）間距至約260 m，從而降低工程成本。 YCCD-12 井抽采率較低，主要原因是地面井在覆巖移動后有一定程度的變形，而YCCD-13 井所在采煤工作面剛回采完，其抽采量還將提高，抽采率預計提高至75%以上。

以YCCD-02 井抽采為例，考察采動區(qū)地面井抽采瓦斯治理效果，地面井實施抽采后，采煤工作面回風巷瓦斯體積分數(shù)下降幅度達到58.75%，上隅角瓦斯體積分數(shù)下降了56%，回風巷平均瓦斯體積分數(shù)僅0.33%。 工作面回風巷和上隅角瓦斯?jié)舛让黠@下降，成功消除了采空區(qū)瓦斯對工作面安全生產(chǎn)的制約。

5 結(jié) 論

1）通過分析采動影響范圍內(nèi)的瓦斯運移規(guī)律，建立了采動裂隙場內(nèi)瓦斯?jié)B流數(shù)學模型，獲得了采動區(qū)地面井抽采條件下地面井周圍采動影響范圍內(nèi)的氣體壓力衰減梯度的數(shù)學模型。

2）建立了基于采場涌出量的采動區(qū)地面井抽采率的計算模型。 確定了采場涌出瓦斯的來源主要有工作面回采空間、采空區(qū)以及鄰近層，采場涌出瓦斯主要通過礦井通風、井下抽采瓦斯、采動區(qū)地面井抽采瓦斯等3 種方式進行治理。

3）在岳城礦進行了6 口采動區(qū)地面井（群）試驗，在采煤工作面瓦斯涌出階段地面井抽采瓦斯純量最高為249.49 萬m3，其地面井抽采率為84.74%，地面井抽采瓦斯純量最低為125.4 萬m3，其地面井抽采率為49.2%。 YCCD-10 井和YCCD-抽采率較低，其井間距應增加至300～350 m。 YCCD-02 地面井實施抽采后，采煤工作面回風巷瓦斯體積分數(shù)下降幅度達到58.75%，回風巷平均瓦斯體積分數(shù)僅0.33%。 工作面回風巷瓦斯?jié)舛蕊@著下降，對煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。