張春華，張子健，年 軍，焦登銘

大直徑雙鉆孔強化抽采瓦斯效應及效果分析

張春華1，張子健1，年 軍2，焦登銘1

(1. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030000)

為探討大直徑雙鉆孔強化抽采瓦斯效應，以山西石泉煤礦30110回采工作面為對象，利用RFPA2D-Gas建立不同直徑單孔和雙?350 mm鉆孔的數(shù)值模型，分析了鉆孔周圍煤體的應力分布、損傷破裂、透氣性演化及瓦斯運移規(guī)律，并對雙?350 mm鉆孔抽采效果進行了考察驗證。模擬結果表明：?100、?250、?350和雙?350 mm鉆孔卸壓半徑分別為0.25、0.9、1.2、2.2 m；?250、?350和雙?350 mm鉆孔周邊煤體損傷破壞以蝴蝶展翅形態(tài)向鉆孔上方兩側延展；雙?350 mm鉆孔上方1.5 m處煤體透氣性系數(shù)可由0.25 m2/(MPa2·d)增至240 m2/(MPa2·d)；瓦斯運移速率隨鉆孔直徑增加而增大，在抽采過程中逐漸降低，當煤體破裂時會有一定幅度增加?，F(xiàn)場考察結果顯示雙?350 mm鉆孔可利用鉆孔塌裂強化抽采效果，抽采半徑為2 m，流量可達?100 mm鉆孔的21倍，抽采總量為?100 mm鉆孔的10倍以上，甚至可達到40倍。

大直徑雙鉆孔；雙?350 mm鉆孔；強化抽采；抽采半徑；瓦斯防治；山西石泉煤礦

我國煤礦地質和開采條件十分復雜，煤層瓦斯含量高、透氣性差，抽采難度大，給采掘工作面安全帶來極大威脅[1-4]。瓦斯抽采是預防瓦斯災害和保證安全生產的有效措施[5]。近年來，我國煤礦瓦斯抽采技術及裝備得到大幅度優(yōu)化與創(chuàng)新，其中大直徑長鉆孔抽采技術也得到應用推廣[6-7]。

煤層中瓦斯的運移流動是在應力場、滲流場等多物理場耦合作用下進行的[8-10]。劉佳佳等[11]在考慮Klinkenberg效應、有效應力和解吸收縮影響的作用下，研究了不同直徑鉆孔周圍煤體滲透率的變化。規(guī)律。宋浩然等[12]考慮煤體的各向異性和非均質性以及煤體應力變形場和瓦斯?jié)B流場的交叉耦合作用，研究了煤層抽采鉆孔周圍瓦斯壓力以及滲透率變化的規(guī)律。丁厚成等[13]分析了應力場和滲流場對瓦斯運移的影響，建立了鉆孔抽采瓦斯的數(shù)學模型。梁冰等[14]在考慮煤體骨架的基礎上，依據(jù)煤層瓦斯?jié)B流特性建立了耦合滲流模型，并應用于瓦斯抽采分析。賈秉義等[15]針對碎軟煤層鉆孔施工困難，抽采效果差，無法實現(xiàn)大面積區(qū)域預抽的問題，提出了頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂技術并進行現(xiàn)場試驗，試驗表明該技術的瓦斯抽采純量是水力割縫鉆孔的1.2倍，是本煤層順層鉆孔的4.0倍。郭海軍等[16]建立含瓦斯煤雙孔結構數(shù)值模型，研究了兩個順層鉆孔抽采過程中煤體瓦斯壓力和滲透率的變化規(guī)律，確定了抽采鉆孔的合理布置間距。王鮮等[17]研究大直徑鉆孔成孔工藝和配套裝備，并完成了孔深75 m、?650 mm的煤層鉆孔，推動了煤礦井下大直徑鉆孔技術裝備的發(fā)展應用。陳久福等[18]在石壕煤礦南四區(qū)回風巷試驗研究了?115 mm大直徑鉆孔聯(lián)合孔內套管護孔的增透抽采技術。李飛等[19]在王坡煤礦3310工作面區(qū)段煤柱施工了?550 mm大直徑鉆孔，鉆孔抽采濃度提高了1.2倍，有效解決了上隅角瓦斯超限問題。姚向榮等[20]針對煤巖長鉆孔過復雜結構難以成孔問題，以FLAC3D模擬鉆孔的圍巖破裂過程，解算出鉆孔的應力場、位移場和塑性破壞區(qū)的規(guī)律，得到的鉆孔圍巖二次應力彈、塑性分布特征，并在丁集煤礦1412(1)工作面抽采鉆孔圍巖弱結構進行注漿固化試驗。馬贊等[21]針對負角度長鉆孔積水問題，提出負角度定向長鉆孔篩管護孔工藝技術，并以貴州龍鳳煤礦9號中硬煤層下向長鉆孔為對象進行研究，結果表明：護孔工藝定向長鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)是未護孔的61.54%；采取篩管護孔工藝鉆場抽采達標時間比未護孔鉆場縮短了157 d。

抽采煤層瓦斯關鍵要保證瓦斯快速持續(xù)地解吸釋放，保證瓦斯有效抽采[22]。目前煤層瓦斯高效抽采仍然面臨一些難題，如煤層大直徑鉆孔易失穩(wěn)堵塞，長孔鉆進受復雜地質影響偏離軌跡?；诖斯P者開展大直徑雙鉆孔抽采瓦斯研究，大直徑雙鉆孔抽采瓦斯技術可保證大直徑鉆孔穩(wěn)定鉆進，利用雙孔保持鉆孔按照預定軌跡鉆進，消除鉆孔塌孔的影響，并可利用塌孔增大煤體透氣性強化抽采。筆者以高瓦斯礦井山西石泉煤礦30110回采工作面為例，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場考察，對大直徑雙鉆孔強化抽采瓦斯效應和效果進行研究。

1 大直徑雙鉆孔強化抽采模擬分析

1.1 本構方程

RFPA2D-GAS軟件固–氣耦合本構方程主要包括：瓦斯?jié)B流場方程、煤巖體固體變形場方程和因煤巖體損傷引起透氣系數(shù)變化的透氣性系數(shù)–應力耦合方程三部分[23-25]。

根據(jù)質量守恒定律，煤巖體中瓦斯?jié)B流場方程為：

當考慮孔隙瓦斯壓力時，以位移表示的煤巖體變形場方程為：

在剪切模量和拉梅常數(shù)中涉及的材料力學參數(shù)(如強度、彈性模量等)服從Weibull統(tǒng)計分布。

考慮到煤巖體變形和瓦斯?jié)B流的相互作用和影響可引起透氣性系數(shù)的變化，引入透氣性系數(shù)-應力耦合關系方程來反映煤巖體變形過程中透氣性系數(shù)的演化情況。

式中：0為初始透氣性系數(shù)；為孔隙壓力，MPa；為透氣性增大倍率；耦合系數(shù)(應力對孔隙壓力的影響系數(shù))。

1.2 數(shù)值模型

以山西石泉煤礦30110回采工作面地質開采條件建立各鉆孔抽采數(shù)值模型，如圖1所示。模型尺寸8 m×6 m，共劃分320×240個網格。各鉆孔距煤層底板1.2 m處，直徑分別為100 、250 、350 mm和雙?350 mm(間距50 mm)。載荷邊界：考慮煤層埋深462.50 m，模型頂部施加4 MPa的均布載荷，兩端水平約束，底端固定約束。滲透邊界：模型四周設置不透氣，即流量為零。模型媒體力學和滲流參數(shù)見表1。

圖1 鉆孔布置方案

表1 模型煤體力學和滲流參數(shù)

2 不同方案鉆孔抽采效應分析

利用RFPA2D-Gas軟件對上述不同鉆孔布置方案進行模擬計算，計算結束步數(shù)分別為：第89大步第1小步(?100 mm鉆孔)，第80大步第59小步(?250 mm鉆孔)，第75大步第17小步(?350 mm鉆孔)，第53大步第36小步(雙?350 mm鉆孔)，依據(jù)各方案最終計算步結果進行分析。

2.1 煤體應力分布特性

鉆孔后周圍煤體原有的應力平衡打破和重新分布，各直徑單鉆孔及雙?350 mm鉆孔煤體應力分布如圖2、圖3所示。

注：應力單位：MPa

圖3 不同鉆孔煤體主應力分布曲線

比較各鉆孔煤應力分布圖可以看出，由于?100 mm鉆孔擾動范圍較小，應力集中于鉆孔周邊，煤體的卸壓效果不明顯，卸壓半徑僅為0.25 m。?250、?350鉆孔和雙?350 mm鉆孔周邊煤體卸壓區(qū)域主要分布在鉆孔的上方兩側，與鉆孔呈V形張開，各鉆孔的卸壓半徑分別為0.9、1.2和2.2 m。

2.2 煤體損傷特性

鉆孔后，在應力作用下周圍煤體出現(xiàn)不同程度和范圍的損傷破壞，圖4顯示了用聲發(fā)射表示的不同直徑鉆孔及雙鉆孔損傷破壞情況?？梢钥闯?，鉆孔直徑越大煤體損傷破壞范圍越大，?100 mm鉆孔損傷破壞主要集中在鉆孔周邊，范圍較小，損傷半徑僅為0.25 m。?250、?350鉆孔和雙?350 mm鉆孔周邊煤體損傷破壞范圍分別為0.9、1.2和2.2 m。同時可以看出，?250、?350鉆孔和雙?350 mm鉆孔煤體損傷破壞逐漸向上方兩側發(fā)展，演化行跡如同蝴蝶展翅。

圖4 不同鉆孔煤體損傷情況

2.3 煤體透氣性變化特性

提取?250 mm、?350 mm鉆孔和雙?350 mm鉆孔上方1.5 m處的透氣性數(shù)據(jù)建立瀑布圖，如圖5所示?？梢钥闯?，?100 mm鉆孔的透氣性并未發(fā)生明顯變化，其余鉆孔透氣性均有不同幅度和范圍的增加。其中雙?350 mm鉆孔煤體透氣性增加最為明顯，距模型左端邊界2～2.75 m和5～6.37 m范圍內，其透氣性系數(shù)由初始數(shù)值0.25 m2/(MPa2·d)增加為240 m2/(MPa2·d)。

2.4 煤體瓦斯運移特性

為對比分析各鉆孔煤體瓦斯運移情況，取模型水平方向3.75 m，距底板距離2.7 m處進行分析。各鉆孔抽采條件下，該位置的瓦斯運移速率變化如圖6所示?？梢钥闯觯?100 mm鉆孔瓦斯初始運移速率最小，僅為0.15 m/s，并呈逐漸減小趨勢，平均速率為0.04 m/s。?250、?350和雙?350 mm鉆孔初始瓦斯運移速率較大，分別為0.5、0.75、0.9 m/s，當煤體損傷破裂時會有一定幅度的增加，整體呈波動減小趨勢，平均速率分別為0.130、0.238、0.427 m/s。

圖5 不同鉆孔煤體透氣性系數(shù)變化

圖6 不同鉆孔煤體瓦斯運移速率變化曲線

3 雙?350mm鉆孔強化抽采效果分析

3.1 工作面概況

山西石泉煤礦為高瓦斯礦井，30110工作面位于301盤區(qū)西北部，東側為30108采空區(qū)，西側為實體煤，南側為301盤區(qū)大巷，北側為303盤區(qū)。工作面高程+400～+320 m，地面標高+892～+990 m。所開采的3號煤層賦存穩(wěn)定，厚度5.8～6.8 m，平均為6.1 m，密度1.42 t/m3，煤層傾角2°～7°，工作面煤層瓦斯基礎參數(shù)見表2。強化鉆孔抽采試驗選擇在工作面的運輸巷道進行。

表2 30110工作面瓦斯基礎參數(shù)

3.2 強化抽采效果考察

3.2.1 雙?350 mm鉆孔設備

圖7為雙?350 mm螺旋鉆機和鉆具設計示意圖，鉆頭的間距為50 mm，雙鉆頭同時鉆進割煤，螺旋鉆桿運煤，利用鉆桿間犁板頂推兩鉆孔間隙煤體，落煤通過巷道皮帶運出，最終形成長750 mm、高350 mm近似矩形的“∞”形孔洞。

1—犁板；2—定位器；3—螺旋鉆桿；4—犁板頂頭

在雙螺旋中間隨鉆鋪設護孔篩管，鉆進到預定深度后退鉆，然后打開犁板端頭反向頂推頭，退出鉆桿和犁板，隨后封孔，接入抽采系統(tǒng)管路抽采。護孔篩管與鉆孔孔壁之間存在較大的間距，鉆孔塌孔時煤體會產生大量裂隙，可以提高抽采效果。

3.2.2 強化鉆孔抽采半徑分析

為了確定雙?350 mm鉆孔的抽采半徑，在工作面膠帶巷中布置2組強化抽采考察鉆孔，間隔20 m，利用壓降法進行考察，鉆孔布置如圖8所示。

現(xiàn)場測試表明，強化鉆孔抽采負壓為21 kPa，第15天時抽采半徑達到1.2 m，第25天時抽采半徑達到1.4 m，第40天時抽采半徑達到1.6 m，第90天時抽采影響到2 m鉆孔。待抽采120 d時，2 m之外鉆孔的壓力表值基本未受影響，由此確定強化抽采鉆孔抽采半徑為2 m。與模擬的結果保持一致

3.2.3 強化鉆孔抽采效果分析

為了考察雙?350 mm鉆孔強化抽采效果，在30110工作面膠帶巷中布置雙?350 mm鉆孔和?100 mm鉆孔，均鋪設?75 mm護孔篩管，圖9為抽采純量對比圖?？梢钥闯?，?100 mm鉆孔瓦斯抽采純量初值約為0.05 m3/min，平均抽采純量為0.030 1 m3/min，在第50天時瓦斯抽采純量數(shù)值接近0；而雙?350 mm鉆孔抽采純量初值為1.1 m3/min，平均抽采純量為0.746 8 m3/min，在第60天瓦斯抽采純量數(shù)值仍然保持在0.38 m3/min，雙?350 mm鉆孔的平均瓦斯抽采純量是?100 mm鉆孔的21倍。

圖8 強化鉆孔抽采半徑分析方案

圖9 ?100 mm和雙?350 mm鉆孔抽采純量對比

表3為?100 mm和雙?350 mm鉆孔抽采統(tǒng)計表，可以看出?100 mm鉆孔第1天的抽采總量為78 m3/d，60 d后抽采量減少了91%，變?yōu)? m3/d；而雙?350 mm鉆孔第1天的抽采總量為802 m3/d，60 d后抽采總量減少了66.46%，但仍然可以保持269 m3/d的日抽采總量，保證高效抽采。雙?350 mm鉆孔的抽采總量為?100 mm鉆孔的10倍以上，甚至可達40倍。

表3 ?100 mm和雙?350 mm鉆孔抽采統(tǒng)計

4 結論

a.鉆孔直徑越大周圍煤體損傷破壞越明顯，?100 mm、?250 mm、?350 mm和雙?350 mm鉆孔的損傷半徑分別為0.25、0.9、1.2和2.2 m。?250 mm、?350 mm和雙?350 mm鉆孔呈現(xiàn)沿鉆孔上部兩側損傷破壞趨勢，形態(tài)如同蝴蝶展翅。

b.隨鉆孔直徑增加周邊煤體透氣性增加越明顯，在各模型鉆孔上方1.5 m煤體處，雙?350 mm鉆孔透氣性增加最為明顯，在距模型左邊界的2～2.75 m和5～6.37 m范圍內煤體透氣性系數(shù)由初始數(shù)值0.25 m2/(MPa2·d)增加為240 m2/(MPa2·d)。

c.煤體瓦斯運移速率隨孔直徑增加而增大，各鉆孔模型的平均瓦斯運移速率分別為0.040、0.130、0.238和0.427 m/s。在抽采過程中?100 mm鉆孔瓦斯運移速率呈逐漸降低趨勢，而?250 mm、?350 mm和雙?350 mm鉆孔瓦斯運移速率在煤體破裂時會有一定幅度的增加。

d.山西石泉煤礦30110工作面強化抽采試驗表明，以壓降法測得的雙?350 mm鉆孔的抽采半徑達到2 m；采用?100 mm鉆孔抽采瓦斯時純流量較小且衰減快，而雙?350 mm鉆孔抽采純量大且持續(xù)時間長，可達?100 mm鉆孔的21倍；雙?350 mm鉆孔的抽采總量為?100 mm鉆孔的10倍以上，甚至可達40倍。

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Mechanism and effect analysis of enhanced gas drainage with large diameter double boreholes

ZHANG Chunhua1, ZHANG Zijian1, NIAN Jun2, JIAO Dengming1

(1. College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. College of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030000, China)

To study the mechanism of enhanced gas drainage with large diameter double boreholes, numerical models of single holes with different diameters and double ?350 mm holes were established by using the RFPA2D-Gas software in working face 30110 of Shiquan Coal Mine, Shanxi Province. Stress distribution, damage and fracture, gas permeability evolution and gas migration law of the coal around the hole were analyzed, and then the extraction effect of double ?350 mm holes was investigated. Simulation results show that the pressure relief radii of the ?100 mm, ?250 mm, ?350 mm and double ?350 mm holes are 0.25 m, 0.9 m, 1.2 m and 2.2 m, respectively. The coal damage extends to the upper left and upper right around the holes of ?250 mm, ?350 mm and double ?350 mm, and the final fracture shape is like spreading wings of a butterfly. The permeability coefficient of the coal at 1.5 m above the double ?350 mm holes can increase from 0.25 m2/(MPa2·d) to 240 m2/(MPa2·d). The gas migration rate increases with the increase of hole diameter, and gradually decreases in the drainage. However, when the coal around the hole is damaged, it will increase to a certain extent. The field investigation results show that the gas extraction effect is enhanced by the collapse of double ?350 mm holes. For the double ?350 mm hole, the drainage radius is 2 m , the gas flow can be 21 times that of the ?100 mm hole, andthe total volume of extraction is more than 10 times and even 40 times of the ?100 mm hole.

large diameter double boreholes; double ?350 mm hole;enhanced gas drainage; drainage radius; gas control; Shiquan Coal Mine

語音講解

TD712.6

A

1001-1986(2021)06-0273-08

2021-09-28；

2021-11-04

國家自然科學基金項目(51974149)

張春華，1980生，男，山東單縣人，博士，教授，博士生導師，從事礦井瓦斯、礦井火災方面的研究. E-mail：zch9820@163.com

張子健，1995生，男，山西朔州人，碩士研究生，從事礦井瓦斯方面的研究. E-mail：854746845@qq.com

張春華，張子健，年軍，等. 大直徑雙鉆孔強化抽采瓦斯效應及效果分析[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：273–280. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.033

ZHANG Chunhua，ZHANG Zijian，NIAN Jun，et al.Mechanism and effect analysis of enhanced gas drainage with large diameter double boreholes[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：273–280. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.06.033

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(責任編輯 郭東瓊)