顺层钻孔瓦斯抽采半径及布孔间距研究吴纯浩

顺层钻孔瓦斯抽采半径及布孔间距研究吴纯浩

吴纯浩

中煤新集能源股份有限公司新集二矿安徽省淮南市232180

摘要：瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理和资源利用的根本性措施之一，而钻孔布置是瓦斯抽采的首要工作。对于顺层钻孔而言，瓦斯抽采半径是确定钻孔布置间距的基础参数和重要依据，其准确测定对于节省钻孔施工工程量、提高瓦斯抽采效率乃至最终实现瓦斯抽采达标至关重要。多年来，众多研究者围绕有效半径的定义、理论求解方法、现场测试技术等焦点问题，开展了大量卓有成效的研究工作，取得一系列成果。但是，现场实践表明，理论研究成果与现场实际情况仍存在一定偏差。本文分析了顺层钻孔瓦斯抽采半径及布孔间距

关键词：顺层钻孔瓦斯；抽采半径；布孔间距；

煤矿瓦斯抽采是降低矿井瓦斯涌出量、降低煤层瓦斯压力以及防止煤与瓦斯突出灾害的重要技术措施。其中，合理布置抽采钻孔间距是保证抽采效果的重要因素：钻孔间距过大，在抽采范围内易形成抽采盲区；钻孔间距过小，会造成人力、物力的浪费。所以，瓦斯抽采钻孔的设计应以钻孔的有效抽采半径为依据。

一、概述

1.抽采半径的定义。抽采半径按用途可分为:抽采影响半径和有效影响半径。抽采影响半径是指在规定的时间内原始瓦斯压力开始下降的测试点到抽采钻孔中心的距离。有效抽采半径是指在规定时间内以抽采钻孔为中心，该半径范围内的瓦斯压力或含量降到安全容许值的范围。钻孔的有效抽采半径是抽采时间、瓦斯压力、煤层透气性系数的函数，另外还与煤层原始瓦斯压力、吸附性能、抽采负压有关。目前，界定瓦斯有效抽采半径常用瓦斯压力和瓦斯含量两项指标，达到安全允许值的压力和含量分别为0.74MPa和8m3/t，因此，抽采范围内最大压力(0.74MPa)和最大含量(8m3/t)点到抽采钻孔中心的距离可确定为有效抽采半径。瓦斯含量测试误差较大，且容易受取样孔瓦斯排放的影响，而瓦斯压力易于观察，且较为直观，因此，本文采用残余瓦斯压力(0.74MPa)来标定有效抽采半径。

2.理论模型的建立。一是钻孔抽采瓦斯渗流场控制方程。钻孔预抽瓦斯时，煤层中瓦斯由煤体裂隙流向外部空间基本符合渗流定律，由煤体微孔隙流向外裂隙符合扩散定律。若视瓦斯为理想气体，其在煤层中的渗流过程为等温过程，由于含瓦斯煤层渗透系数较小，在钻孔抽采过程中瓦斯压力变化剧烈，则可不考虑瓦斯解吸过程，因此单位体积煤中瓦斯含量由游离瓦斯和吸附瓦斯两部分组成。

二是钻孔抽采过程中煤层变形场控制方程。煤体是由分子尺度的颗粒组成的骨架及颗粒间裂隙共同组成的孔隙介质。理论研究表明，地下煤体的变形可视为是煤体的压缩变形，其变形的几何方程满足柯西方程，据弹性力学理论可确定煤岩体本构方程。随着抽采钻孔不间断抽采煤层瓦斯，钻孔周围煤层瓦斯压力逐渐减小，在钻孔负压作用下形成的瓦斯流场范围逐渐增大。钻孔周围较小范围内瓦斯压力下降较快，瓦斯压力梯度较大，随着抽采时间的增加，瓦斯压力梯度逐渐减小。这是由于在钻孔施工过程中，钻孔周围较小范围内煤体产生卸压和应力集中现象，卸压煤体渗透率增加，应力集中煤体渗透率减小，因此在抽采初期瓦斯压力梯度较大；随着抽采时间的增加，钻孔周围煤体内游离瓦斯被抽出，煤体内游离瓦斯压力逐渐减小，煤体发生变形，孔隙率和渗透率逐渐增加，瓦斯压力梯度逐渐减小。

二、有效半径确定方法及存在问题

1.理论分析法。基于煤层瓦斯流动状态，以雷诺数为标准，分别采用达西定律及储层压力、启动压力梯度指标，得出了线性渗流区、低速非线性渗流区的抽采半径并进行了实例验证，理论计算结果与现场实测结果一致。该方法取决于煤层瓦斯流动状态的准确判识及煤储层启动压力梯度的准确获取，但由于上述两方面研究仍存在技术瓶颈，该方法的准确性仍需进一步验证。确定了理想煤层条件和理想抽采条件下本煤层瓦斯流动方程及其边界条件，基于实测瓦斯基础参数，运用软件模拟计算出煤层不同抽采时间对应的有效半径，并通过现场实测，验证了理论计算方法的可行性。提出了利用吨煤瓦斯抽采量计算钻孔瓦斯有效抽采半径的测定方法。其基本思路:基于瓦斯钻孔衰减负指数规律，建立钻孔瓦斯抽采模型，解算出吨煤瓦斯抽采量，并与其煤层原始瓦斯含量对比，得出煤层残存瓦斯含量和抽采率，以此判断钻孔瓦斯有效抽采半径，只有同时满足≥30%才为钻孔瓦斯有效抽采半径。综上所述，理论分析法具有方便、快捷等优点，但由于理论模型与现场实际存在一定偏差、且基本假设过于理想化，无法完全表征抽采钻孔周围煤体与瓦斯的流固耦合作用过程，致使有效半径理论分析结果存在较大误差，甚至存在与实际瓦斯抽采情况迥然不同的现象。

2.现场测定法。

（1）瓦斯压力指标法。瓦斯压力指标法又称为压降法，根据煤层瓦斯压力的降低确定有效半径。传统压降法的基本测试步骤:一是在选定区域煤层同一高度，依次间隔不同距离施工一组测压钻孔。二是封孔测压，待各个测压钻孔压力稳定后，在2号钻孔左侧施工1号钻孔，并联结抽采管路，进行抽采。三是连续观测各个测压钻孔的压力变化，若任一测压钻孔及其左侧的所有测压钻孔的瓦斯压力均降低至规定值，则该孔与1号钻孔的间距即为有效半径。该方法仅布置一个抽采钻孔，测试范围小、易受外在因素干扰。针对传统压降法的缺点问题，该方法在煤层同一水平高度，分组布置间距不等的测压孔与抽采孔，通过观测各组钻孔瓦斯压力变化情况确定有效半径。与传统压降法相比，该方法增加了抽采钻孔、增大了测试范围、减少了外在因素的干扰，但也存在一些问题:一是钻孔数量的增多，人为使煤层得以卸压、增透，有效半径测试结果与煤层真实情况存在偏差;二是若两组测试孔的间距小于2倍的有效半径，其抽采将相互影响，致使有效半径测值失真。综上所述，瓦斯压力指标法测值的准确性取决于煤层瓦斯压力测试，而瓦斯压力测试存在问题:一是施工钻孔较多，工程量较大，观测时间较长;二是受煤体软硬程度、钻孔漏气、钻孔涌水等因素制约，测试难度较大，很难在煤层巷道中测试到真实的瓦斯压力。

（2）瓦斯含量指标法。瓦斯含量指标法的布孔方式及测试方法与传统压降法相同，采用直接法或间接法测定各个测试孔的瓦斯含量，若任一测试孔及其左侧的所有测试孔的瓦斯含量均降低至规定值，则该孔与1号钻孔的间距即为有效半径。采用可解吸瓦斯含量降低法测定有效半径，其基本原理:一是根据所要考察的煤层瓦斯赋存特征，布置几组不同间距的瓦斯预抽钻孔，在施工钻孔的同时，测定煤层原始可解吸瓦斯含量Qky，作为组内所在范围的原始可解吸瓦斯含量;二是对每组钻孔进行封孔联抽，同时进行瓦斯抽采计量;三是经过一定预抽时间后，采用直接法测定组内的残余可解吸瓦斯含量Qkc，当Qkc达到消突及抽采要求时，则认为该组钻孔间距的一半为该直径钻孔在这一抽采时间内的有效抽采半径。综上所述，瓦斯含量指标法测值的准确性取决于煤层瓦斯含量测试，而瓦斯含量测试存在一些问题:一是若采用间接法，则取决于瓦斯压力测值的准确性;二是若采用直接法，因采样过程中损失瓦斯量的确定仍存在技术瓶颈，致使煤层瓦斯含量以及可解吸瓦斯含量的测值不准确。

（3）示踪气体测定法。示踪气体多选用SF6，其测定步骤:一是施工注气孔、测试孔，封孔后关闭各自阀门;二是将测试孔与抽采系统联结，保持阀门的关闭状态;三是将SF6注入注气孔中，关闭其阀门;四是打开测试孔阀门，联结抽采系统进行抽采;五是每隔一定时间，采集测试孔气样，测定分析SF6，直至每个测试孔都检测出SF6为止;六是根据上述测试结果，对测试孔距注气孔的距离与相应抽采时间的对应关系进行回归分析，求出不同抽采时间对应的影响半径。示踪气体测定法具有工程量小、易于检测等优点，但存在问题:一是测定结果仅为处于某个区间的影响半径值，无法确定有效半径;二是忽略了煤体变形及温度对SF6运移的影响;三是若某一测试孔左右两侧皆有注气孔，可能会造成该孔中SF6体积分数叠加，致使影响半径测值偏大。

（4）钻屑指标法。因受钻孔深度影响，该方法测值偏差较大、精度较小。2．3数值模拟法数值模拟法主要基于瓦斯渗流理论与岩石力学理论，构建抽采钻孔周围瓦斯流动模型，采用数值模拟与现场实践相结合的方法，分析孔周瓦斯流动规律，从而确定有效半径。建立了考虑煤的流变特性、渗透率动态变化及吸附特征的耦合模型，采用COMSOL软件模拟研究了抽采过程中渗透率的动态演化过程，确定了抽采负压、抽采时间与有效半径的关系，确定了有效半径。存在问题:一是以往普遍将煤体视为弹性体和弹塑性体进行数值模拟研究，未考虑煤壁在成孔初期已经破坏，煤体内部出现裂隙，呈不连续状态，无法用传统弹塑性力学解释，特别是在高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层中，此种现象尤为明显。二是众所周知，煤层瓦斯流动过程中，煤(岩)体应力场与瓦斯渗流场相互耦合作用。但是，以往研究主要考虑了瓦斯渗流场的演化规律，而应力场的动态演化规律研究较少。

三、顺层钻孔瓦斯抽采半径及布孔间距

1.试验区概况。试验区选定煤层的掘进工作面，煤层瓦斯压力0.6～1.1MPa;试验区为煤巷掘进巷道，煤层平均厚度为6.1m，煤层倾角8°～13°，巷道坡度0°～－10°，地质构造简单，整体呈单斜构造，局部煤底板有起伏现象。

2.压降法测定原理。压降法测定原理是根据钻孔预抽煤层瓦斯时，在煤层内瓦斯压力和钻孔抽采负压的共同影响下，钻孔周围煤层内瓦斯不断流入抽采钻孔，导致煤层瓦斯压力降低，形成以钻孔为中心的类似于圆形的抽采影响区域，抽采影响区域半径称为钻孔抽采影响半径;在规定时间内，煤层残余瓦斯压力降低至抽采指标范围内最远位置处距钻孔中心的距离称为钻孔抽采有效半径。随抽采时间的增加，钻孔抽采影响半径、钻孔抽采有效半径会逐渐扩大，直到煤层内瓦斯压力与钻孔抽采负压之差不足以克服深部煤层内瓦斯运移到钻孔的阻力时为止。按照《防治煤与瓦斯突出规定》《煤矿安全规程》等相关规定，以及国内判定钻孔抽采半径的通用指标:确定钻孔抽采有效半径和抽采影响半径的依据为煤层瓦斯抽采率分别达到30%和10%;根据周世宁提出的煤层瓦斯压力与瓦斯含量之间存在抛物线型关系，可知其对应煤层瓦斯压力分别下降51%和19%。

3.钻孔抽采有效半径测定。根据压降法原理，在试验区掘进工作面附近选一煤层稳定、无地质构造区域作为试验地点，垂直于煤壁方向分别施工2个测压孔(1、2号)，两测压孔间距1.5m，采用主动测压方式进行瓦斯压力测定，经过15d的测试，待1、2号测压孔所测瓦斯压力最终稳定在0.95MPa和1.1MPa后，在两测压孔之间预留位置处施工3号抽采孔，3号抽采孔距1、2号测压孔间距分别为0.5、1m，待将3号抽采孔施工完毕后接入抽采系统，进行瓦斯抽采，抽采负压为13kPa;3个钻孔沿同一水平布置，孔径为94mm，测试期间记录测压孔和测压孔的瓦斯压力变化示数。

4.单孔数值模拟结果分析。一是瓦斯压力变化规律。钻孔周围瓦斯压力分布曲线，随抽采时间增加，钻孔周围煤层瓦斯压力不断降低，瓦斯下降率也逐渐减小;同一时刻下，由钻孔中心至煤层边界，瓦斯压力下降率逐渐减小，瓦斯压力恢复至初始状态;这是由于钻孔的施工破坏了原始煤层的应力状态，钻孔周围形成一定范围的卸压区域，此范围内煤层透气性系数增大，在抽采初期阶段高瓦斯压力梯度下，该范围内煤层瓦斯压力下降速率较快;随着时间的推移，煤层瓦斯含量减少、瓦斯压力降低、煤体所受有效应力增大，导致煤体内孔隙、裂隙被压缩，渗透率降低，抽采难度加大，经过一段时间抽采后，瓦斯抽采效果趋于稳定。二是抽采半径变化规律经模拟计算，不同抽采时间下钻孔抽采有效半径、抽采影响半径变化结果可以看出，在抽采初期的0～60天内，钻孔抽采有效半径、抽采影响半径扩大较为显著，随着时间的推移，两者虽持续增大，但增长速率减小，经过一定时间后趋于定值。在抽采时间为34、86天时钻孔抽采有效半径分别达到0.5、1m，抽采120天时钻孔抽采有效半径基本稳定至1.19m;在抽采时间为8、15天时钻孔抽采影响半径分别达到0.5、1m，抽采120天时钻孔抽采影响半径基本稳定在5.43m。

5.顺层瓦斯抽采合理布孔间距。一是抽采叠加效应作用机理。在大量顺层瓦斯抽采实测考察中发现，相邻钻孔之间会发生抽采叠加效应，相对于单个抽采钻孔而言，相邻钻孔之间瓦斯压力下降更为显著。通过对单孔的模拟结果可知:在钻孔抽采有效半径范围内，由于受到钻孔卸压的影响，煤体已发生破坏变形，大量孔隙、裂隙连通，宏观裂隙、煤体渗透性大幅提高，可认为该范围内煤层瓦斯以线性渗流形式流向抽采钻孔，形成渗流开放区;在钻孔抽采有效半径以外至有效影响半径以内，煤体受钻孔影响较小，新生孔隙、裂隙发育不充分，可认为瓦斯以低速非线性渗流为主，形成渗流过渡区;在钻孔抽采影响半径范围以外，煤体基本上未受到钻孔影响，煤体仍处于原岩应力状态;因此，以钻孔为中心随着距孔壁距离的增加可依次分为:渗流开放区、渗流过渡区和未影响区。二是不同布孔间距下瓦斯抽采效果研究。根据上述布孔方式，模拟研究不同布孔间距下的瓦斯抽采效果，以单孔抽采120天时的模拟结果进行数值模拟，对比分析不同布孔间距下顺层钻孔瓦斯抽采效果。在同一布孔间距下，随着抽采时间增加，钻孔周围瓦斯压力将持续降低，抽采初期相邻钻孔之间煤层瓦斯压力下降迅速，随抽采时间推移，相邻钻孔间瓦斯压力降低速率逐渐减小，瓦斯压力下降缓慢，最终瓦斯抽采效果趋于稳定;对比同一时刻、不同布孔间距的瓦斯抽采效果可以看出，钻孔间距越小，相邻钻孔中心位置处瓦斯压力越低、瓦斯压力下降速率越大，抽采叠加效应越为显著，说明抽采叠加效应的强度与布孔间距成反比。

根据对单孔的模拟结果，得到了钻孔周围瓦斯流态的变化规律、分析了抽采叠加效应作用机理，在确定单孔抽采有效半径、抽采影响半径的情况下，得到顺层瓦斯抽采合理的布孔间距。以实例分析通过在该工作面进行单钻孔和多钻孔瓦斯抽采试验，求算并验证了抽采半径及布孔间距与抽采半径关系式的正确性，为现场瓦斯抽采提供科学依据。

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