煤层钻孔瓦斯抽采分析

煤层钻孔瓦斯抽采分析

江坤

摘要：煤层瓦斯压力测定的原理是向煤层打一钻孔，深入煤层内，通过钻孔在煤孔内布置一根瓦斯管与外界沟通，连上瓦斯压力表，封闭钻孔与外界的联系。此时，由于煤孔内的瓦斯已经向外放散，压力较低，随着煤孔周围煤层内瓦斯向煤孔运移，瓦斯压力逐渐增高。因煤孔周围的煤体体积远大于煤孔的空间体积，煤层内的吸附瓦斯量又比游离瓦斯量大得多，故经过一段时间的瓦斯渗流，煤孔内的瓦斯压力逐渐接近煤层的原始瓦斯压力，从外部的压力表上可以读出煤孔内的瓦斯压力值。

关键词：煤层钻孔；影响因素；分析

引言：为研究瓦斯抽采效率的影响因素，考虑吸附瓦斯与游离瓦斯建立了煤层瓦斯流动的流固耦合模型，本文采用ＣＯＭＳＯｌ数值模拟软件，分析了不同初始地应力、初始渗透率以及钻孔直径条件下的瓦斯抽采效果以及抽采有效半径变化情况。研究结果表明：初始地应力、初始渗透率和钻孔直径均会影响瓦斯抽采效果，但其对瓦斯抽采效果的影响程度不同；抽采有效半径对初始渗透率的变化最敏感，钻孔直径次之，对初始地应力的敏感程度最低；在某一钻孔直径范围内，瓦斯抽采效果随钻孔直径的增加变化不明显，而超出此范围后，抽采效果有明显提高，选择合适的钻孔直径对于提高瓦斯抽采效果具有重要作用。

1现场应用

煤层瓦斯压力是煤矿生产过程中一项非常重要的技术指标，其直接关系到煤矿生产的安全性。为保证煤矿的安全生产，含有瓦斯的矿井在进行煤矿开采过程中必须采取有效地技术手段对煤层之中的瓦斯进行检测。现阶段国内外应用较为广泛的瓦斯检测方法有单项指标法、地质资料统计法、综合指标法等几种类型。上述方法在实践的过程之中均存在一定的局限性，致使其检测的结果无法有效地满足含水煤层矿井安全生产的实际需要。

1.1简介

淮南某基本建设矿井，按研发方法及技术路线

（一）研究方法

（1）断层附近勘探钻孔在煤层顶底板主要含水层中的漏失量、岩心采取率、岩石破碎情况的统计分析。

（2）野外断层追踪分析，包括断层面、构造岩、断层伴生构造等。

（3）某断层位置的钻探验证。

（4）断层附近掘进巷道开展瞬变电磁勘探研究。

（5）相似水文地质条件下，不同性质、不同落差断层影响带在矿井突水、瓦斯突出、工程地质等实践中的统计分析。

（二）技术路线

（1）以抽水实验、水化学分析、地质勘探、野外观测等为基础，利用水文地质学理论与方法，研究突水含水层的富水性、分布的不均一性、水压等特征，研究突水含水层的补给、径流与排泄、含水层水文地质参数及其水化学特征等。

(2)利用构造地质学、岩体力学的原理与方法，研究某断层的构造特征及力学性质。

（3）根据煤层顶底板岩体结构分析、断层特征及力学性质分析，研究断层在走向和倾向上的导水性。

（4）根据断层两盘富水带的一般特点、结合瞬变电磁勘探、煤层顶底板受影响的含水层富导水性钻探试验等，确定断层位置，定性、定量确定断层富水性。

（5）以某断层富水性研究为基础，分析防水煤柱计算公式的合理性，计算防水煤柱留设宽度。

2瓦斯流动的流固耦合模型

井下施工测压钻孔并封孔后受煤层顶底板含水层或砂岩水的影响，气室内充满积水，无法测定原始瓦斯压力。 主要解决测压期间气室不受水压干扰的影响，保证气室干燥、气密性从而使得瓦斯压力测定结果真实。

考虑有效应力平衡方程以及本构方程可以得到煤体的变形控制方程见式（１）。

式中：Ｇ为剪切模量；ｕｉ，ｋｋ为ｘ方向上的位移分量；ｕｋ，ｉｉ为ｙ方向上的位移分量；ｖ为泊松比；α为Ｂｉｏｔ数；ｐ，ｉ为孔隙压力；Ｋ为体积模量；εＬ为Ｌａｎｇｍｕｉｒ体积应变；ＰＬ为Ｌａｎｇｍｕｉｒ压力常数；ｆ，ｉ为体力。考虑吸附瓦斯与游离瓦斯，结合达西定律以及气体质量平衡方程得到瓦斯流动控制方程见式（２）。

式中：ｐ为瓦斯压力；ｔ为时间；ρｃ为煤体密度；ｋ为渗透率；μ为瓦斯动力黏度。忽略煤层内瓦斯压力变化而引起的煤固体颗粒的体积变化，煤层渗透率以及煤层孔隙率见式（３）。

式中：φ０为初始孔隙率；εｖ为煤基质的体积应变。式（３）与式（４）为耦合项，联立式（１）～式（４），即可得到考虑煤体变形与瓦斯流动的流固耦合模型。

式中，ｋ０为初始渗透率。

3数值模型

采用ＣＯＭＳＯＬ数值模拟软件，选取偏微分方程、多孔介质模块以及固体力学模块，按照式（１）～式（４）定义所需参数，即可将瓦斯流动的流固耦合模型应用到模拟计算中，分析不同初始条件下瓦斯抽采效果，数值模拟区域尺寸为长度为３０ｍ×５ｍ，钻孔位于模型中央位置。模型的瓦斯渗流场边界条件设定为：瓦斯压力２ＭＰａ，模型上下边界、左右边界均为无流动边界，钻孔内边界为自由边界。模型的应力场边界为垂直方向上受到上覆岩层的应力，垂直方向下侧以及左右两侧均设置为无位移边界。为保证模拟结果的可靠性，结合煤矿现场煤层条件。

4模拟结果分析

4.1初始地应力对瓦斯抽采的影响

不同初始地应力瓦斯抽采效果。在同一时间，随着初始地应力的减小，瓦斯抽采速率与累积瓦斯抽采量均随之增大。抽采到第４００ｄ时，初始地应力１０ＭＰａ的累计抽采量为１６５４５ｍ３，而初始地应力２ＭＰａ的累计抽采量为１８６５８ｍ３，比前者提高了１２．７７％，这是因为减小煤层所受的地应力，可以使煤层中的孔隙率更加趋于开放，增大渗透率，使瓦斯的运移速度发生改变，从而提高瓦斯抽采速率以及累积瓦斯抽采量

为不同初始地应力条件下抽采有效半径随抽采时间的变化曲线。在不同初始地应力下，钻孔抽采的有效半径随抽采时间的增加逐渐变大。在抽采初始阶段，不同地应力下的抽采有效半径差别不大，但是随着抽采时间的增加，初始地应力对抽采半径的影响越来越大。在第４００ｄ时，初始地应力１０ＭＰａ抽采有效半径为３．６５８ｍ，初始地应力２ＭＰａ的抽采有效半径为４．３２２ｍ，比前者增大了１８．１５％。

a)钻孔间距1m时的百米瓦斯流量衰减趋势图

(b)钻孔间距2m时的百米瓦斯流量衰减趋势图

(c)钻孔间距3m时的百米瓦斯流量衰减趋势图

根据公式（1）、（2）、（3）可以得到不同钻孔间距下百米钻孔流量、抽采总量、瓦斯抽采率与抽采时间的关系式，如表1所示。

表1不同钻孔间距下百米钻孔流量、抽采总量、瓦斯抽采率与抽采时间的关系式

表2采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量应达到的指标

4.2初始渗透率对瓦斯抽采的影响

不同初始渗透率条件下瓦斯抽采效果。初始渗透率较小时，瓦斯抽采速率较低，且随着抽采时间的推移基本保持不变，累计瓦斯抽采量增长缓慢。这表明渗透率较低时，瓦斯难以抽采；初始渗透率较大时，瓦斯抽采速率显著增大。抽采总量随抽采时间的推移增加明显，这是因为煤层的渗透率越大，瓦斯能更好地从较远位置渗流到钻孔周围，从而提高抽采速率以及抽采量。

不同初始渗透率条件下抽采有效半径随抽采时间的变化曲线。随着抽采时间的增大，抽采有效半径随之增大，且初始渗透率越大，抽采有效半径增大的趋势越明显。在抽采第４００ｄ时，初始渗透率为１×１０－１９ｍ２的抽采有效半径为０．２２４ｍ，初始渗透率为１×１０－１６ｍ２的抽采有效半径半径为１３．２９１ｍ，比前者增大了５８３３．４８％。由此可见，初始渗透率对抽采有效半径的影响较大。

4.3钻孔直径对瓦斯抽采的影响

不同钻孔直径条件下瓦斯抽采效果。对比不同的钻孔直径，瓦斯抽采效果变化规律基本相似。当抽采时间超过２００ｄ时，钻孔直径为４２ｍｍ、７６ｍｍ、１０８ｍｍ的瓦斯抽采速率接近，且随着抽采时间的增加始终保持较小差距，而当钻孔直径为１３３ｍｍ时，瓦斯抽采速率明显高于另外三种钻孔直径。此外，钻孔直径为４２ｍｍ、７６ｍｍ、１０８ｍｍ时的累计瓦斯抽采量差距较小，而钻孔直径为１３３ｍｍ时，累计瓦斯抽采量明显高于另外三种钻孔直径，且随着抽采时间的增加，抽采总量差距随之增大。因此，在某一钻孔直径范围内，瓦斯抽采效果随钻孔直径的变化不明显，而超出此范围后，抽采效果有明显提高。因此，选择合适的钻孔直径对于提高瓦斯抽采效果具有重要作用。

不同钻孔直径下抽采有效半径随抽采时间的变化曲线。随着抽采时间的推移，抽采有效半径随之增大。在抽采初始阶段，不同钻孔直径下的抽采有效半径差别不大，但是随着抽采时间的增加，不同钻孔直径下的抽采有效半径差距增大。在抽采到第４００ｄ时，钻孔直径４２ｍｍ时有效半径为３．７６９ｍ，钻孔直径１３３ｍｍ时有效半径为４．９７２ｍ，涨幅为３１．９２％。因此，钻孔直径对抽采有效半径的影响较大。

准确测定其压力对于评估煤层的突出危险程度十分重要。测定煤层瓦斯压力的原理是向煤层打一钻孔，下置一根管子进入煤层中，管子上安装压力表，封闭钻孔内煤层与外部的联系。因打钻扰动，煤体内吸附状态的瓦斯转变为游离状态向外放散，压力降低。钻孔封闭后随着煤内瓦斯逐渐向钻孔处运移、解吸，钻孔内瓦斯压力逐渐增高。煤层瓦斯在经过一段时间的运移、解吸后，钻孔内的瓦斯压力达到一定值，煤层瓦斯不再解吸，产生平衡，从外部的压力表即可以读出近似的煤层瓦斯压力值。

结语

测定煤层瓦斯压力时被动测压法存在两个明显缺点，一是钻孔施工过程中瓦斯解吸释放导致实测值偏低，二是低瓦斯压力煤层测压时间偏长。主动测压法能够很好的解决这两个问题，并在矿井得到了实际应用，取得了明显效果。煤炭资源以１０～２５ｍ／ａ的速度向深部扩展，煤层瓦斯压力和瓦斯含量增高，导致瓦斯灾害风险剧增。钻孔瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的有效手段，但我国瓦斯抽采效率普遍较低，瓦斯抽采效果受多种因素影响。因此，探明不同因素对瓦斯抽采的影响对于保证煤矿安全生产具有现实意义。

参考文献：

【1】张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术【M】.北京：煤炭工业出版社，2001

【2】林柏泉.李树刚.矿井瓦斯防治与利用【M】.徐州：中国矿业大学出版社，2013:1-2