三元煤矿煤层瓦斯抽采技术研究_刘飞.pdf

942023 年第 2 期三元煤矿煤层瓦斯抽采技术研究刘 飞1，2（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）摘 要 为提高煤层瓦斯抽采效率，以三元煤矿 4306 工作面为研究对象，利用 COMSOL 软件建立了煤层单孔瓦斯抽采模型，分析了钻孔孔径、抽采周期、抽采负压对有效抽采半径的影响；同时建立了双孔瓦斯预抽模型，分析双孔预抽瓦斯的叠加效应对煤层抽采的影响。模拟结果表明：抽期周期为180 d，抽采半径可达1.49 m；孔径选取为 94 mm 较为合理；抽采负压对瓦斯抽采半径的影响微弱，故选取抽采负压 18 kPa；最佳布孔间距为 3.6 m。经现场验证，模拟结果具有较好的吻合性。关键词 瓦斯抽采；数值模拟；抽采半径；预抽参数；抽采效率中图分类号 TD712+.6 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.034Study on Gas Drainage Technology of Coal Seam in Sanyuan Coal MineLiu Fei1,2(1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,Liaoning Shenyang 110000;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Liaoning Fushun 113122)Abstract:In order to improve the efficiency of coal seam gas drainage,taking the 4306 working face of Sanyuan Coal Mine as the research object,the single-hole gas drainage model of coal seam is established by using COMSOL software,and the influence of hole diameter,drainage period and negative pressure on the effective extraction radius is analyzed,and the double-hole gas pre-drainage model is established to analyze the influence of the superposition effect of double-hole gas pre-drainage on coal seam extraction.The simulation results show that the extraction period is 180 days,the extraction radius is 1.49 m,the hole diameter of 94 mm is reasonable,and the influence of drainage negative pressure on gas drainage radius is weak,therefore,the negative pressure of extraction is 18 kPa,the optimum hole spacing is 3.6 m,the field verification shows that the simulation results are in good agreement.Key words:gas extraction;numerical simulation;extraction radius;pre-pumping parameter;extraction efficiency收稿日期 2022-08-06作者简介 刘飞（1987），男，辽宁本溪人，2013 年毕业于东北大学矿业工程专业，硕士研究生，工程师，担任中煤科工集团沈阳研究院有限公司山西分院副所长，长期从事煤矿一通三防工作，研究方向：瓦斯灾害治理。刘 飞：三元煤矿煤层瓦斯抽采技术研究刘 飞：三元煤矿煤层瓦斯抽采技术研究瓦斯抽采技术是防治煤与瓦斯突出以及减小煤层瓦斯压力的有效措施，该技术根据钻孔抽采位置的不同可以分为本煤层瓦斯预抽、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采。本煤层瓦斯预抽是在瓦斯涌出源头上治理瓦斯，多数矿井瓦斯来源主要以开采层瓦斯涌出为主，因此本煤层瓦斯预抽是减小瓦斯涌出量的有效措施。瓦斯抽采技术包括诸多关键抽采参数，主要有钻孔直径、钻孔深度、钻孔间距、封孔深度、抽采负压、抽采周期和抽采半径等。抽采半径作为确定钻孔布局的关键参数，对降低瓦斯初始压力、消突、降低瓦斯涌出量有最直接的影响，如何设计出科学、精准、合理的抽采半径对于瓦斯抽采工作极为重要1-6。本文采用数值模拟与现场试验相结合的方法，不仅可以提高作业效率，还能将数值模拟的结果在现场试验中得到检验，提高抽采参数的准确性。1 瓦斯抽采数值模拟1.1 物理模型及网格划分为研究单钻孔预抽采瓦斯效果，选取三元煤矿4306 工作面回风顺槽作为研究区域，建立 3D 模型，尺寸为 30 m1.0 m5.32 m，在煤体模型中心位置打一个半径为 r0的钻孔。模型上下方为顶底板，且952023 年第 2 期刘 飞：三元煤矿煤层瓦斯抽采技术研究刘 飞：三元煤矿煤层瓦斯抽采技术研究假设为密闭不透风，中心钻孔为出口，整个模型设为多孔基体属性。为使模型结果误差更小，模型为自定义划分网格，最大单元大小为 0.2 m，最小单元大小为 0.1 m，最大单元增长率为 1.2，曲率因子为 0.6。几何模型如图 1。图 1 单孔瓦斯抽采模型1.2 抽采周期对有效抽采半径的影响研究选取孔径为 94 mm，抽采负压为 18 kPa，渗透率为 3.6710-17 m2，设定瞬态求解器，抽采周期分别为 30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d。瓦斯压力分布模拟结果如图 2。模拟结果表明：随着预抽周期的增长，抽采效果影响范围逐渐扩大，抽采周期越长，残余瓦斯压力越小。采用相对瓦斯压力法测定抽采半径，煤层原始瓦斯压力为 0.24 MPa，经预抽后的残余瓦斯压力为 138 456 Pa，即煤层残余瓦斯压力小于 138 456 Pa 所构成的抽采区域即为有效瓦斯抽采半径。不同抽采周期对应的有效抽采半径见表 1。图 2 不同抽采周期的瓦斯压力分布云图从表 1 可以看出，随着预抽周期的增加，抽采半径逐渐增加。预抽周期超过 180 d 后，抽采半径增长率变小，预抽周期从 30 d 到 180 d，抽采半径从 0.910 m 增大到 1.480 m。其他相关因素不变的条件下，预抽周期为 180 d 更为合理，与之对应的抽采半径为 1.480 m。1.3 钻孔直径对有效抽采半径的影响研究设置预抽周期为 180 d，步长为 30 d，抽采负压为 18 kPa，其他边界条件不变，模拟孔径为 76 mm、94 mm、113 mm、150 mm 的钻孔，研究其对有效抽采半径的影响，得到不同孔径下的煤层瓦斯压力分布云图如图 3。表 1 预抽周期与抽采半径预抽周期/d306090120150180190200抽采半径/m0.9100.9951.1001.2051.3201.4801.4851.498增长值/m-0.0850.1050.1050.1150.1600.0350.013 图 3 不同孔径下瓦斯压力分布云图从图 3 瓦斯压力云图中可得到：钻孔周围瓦斯压力随着孔径的增大而减小。表 2 给出抽采周期为180 d 时不同孔径的有效抽采半径参数表。从表 2可看出，直径 76 mm 的钻孔抽采 180 d 抽采半径为1.355 m；直径 94 mm 的钻孔抽采 180 d 抽采半径为1.480 m；直径 113 mm 钻孔抽采 180 d 抽采半径为1.540 m；直径 150 mm 钻孔抽采 180 d 抽采半径为1.590 m。由此得出：预抽周期一定的情况下，孔径越大抽采半径越大。不同孔径的钻孔，抽采半径增长率不同，如孔径 113150 mm，抽采半径仅增长0.050 m。虽然孔径越大，抽采半径的增量越小，抽采半径也随着变大，但孔径的增大给施工、封孔及施工设备提出更高要求，导致成孔率低，容易出现塌孔现象，所以结合上述原因及上表数据得出孔径为 94 mm 的钻孔更为合理。表 2 有效抽采半径参数表钻孔直径/mm有效抽采半径/m钻孔直径/mm有效抽采半径/m761.3551131.540941.4801501.5901.4 合理布孔间距的确定进行抽采时，相邻钻孔之间的煤体瓦斯受到左右两钻孔的抽采影响，因此这部分煤层瓦斯压降取决于钻孔间距。在实际布孔时，钻孔间距的确定不仅要考虑模拟计算得到的有效抽采半径，还考虑多孔预抽瓦斯的叠加效应对煤层抽采的影响。为计算出合理布孔间距，选择孔径 94 mm，抽采负压18 kPa，抽采周期为180 d，模拟布孔间距2.4 m、3.0 m、3.6 m、4.0 m 的情况下的瓦斯压力分布情况，得到不同间距的瓦斯压力等值线图如图 4。962023 年第 2 期 图 4 不同孔间距抽采 180 d 的瓦斯压力分布通过图 4 得到，预抽周期相同的条件下，孔距越大，相邻钻孔间残余瓦斯压力越大。对比单孔瓦斯抽采时的瓦斯压力分布云图可得，双钻孔抽采作业时，瓦斯预抽效果产生叠加效应，所以钻孔之间瓦斯压降幅度变大，该区域瓦斯沿煤层裂隙向左右钻孔运移，这直接增加瓦斯运移通道的数目，让瓦斯较快地由煤层进入钻孔中，达到较大瓦斯压降的结果。采用相对瓦斯压力法测定抽采半径，瓦斯压降为 42.31%即为达标；当布孔间距为 2.4 m 时，钻孔间瓦斯压降为 51%，说明孔距还可以继续扩大；当布孔间距为 3.0 m（2 倍有效抽采半径）时，钻孔间瓦斯压降为 46.9%，表明孔距还可以继续增大；孔间距为 3.6 m 时，钻孔间瓦斯压降为 43.9%，表明孔间距还可以继续增大；当孔间距为 4.0 m时，钻孔间瓦斯压降为 40.3%，此时瓦斯压降小于42.31%，说明孔距不得大于 4.0 m，因此合理布孔间距为 3.6 m。2 现场测试测试原理为用相对瓦斯压力指标法测定有效抽采半径，计算得到瓦斯压力下降 42.31%的区域即为瓦斯有效抽采半径。将试验区选在三元煤矿 4306工作面的回风顺槽。施工5个孔径为94 mm的钻孔，其中中间为瓦斯抽采钻孔，两侧孔为测压孔，钻孔参数表见表 3。抽采半径测试试验于 2020 年 1 月初开始，待测压力值稳定后，将试验钻孔与抽采系统连接，记录各测压孔的压力值，测量时间长度为 1 月初至 1月中旬共计 15 d。根据预抽时间记录各测压孔瓦斯压力变化，绘制瓦斯压力变化曲线，进行数据分析，如图 5。表 3 钻孔参数表编号类型与巷道夹角/（）倾角/（）孔径/mm终孔长度/m封孔长度/m与抽采孔距离/m0#抽采孔90594401501#测压孔9059440151.02#测压孔9059440151.53#测压孔9059440152.04#测压孔9059440152.5图 5 距抽采孔 1.5 m 钻孔观测孔压力变化曲线图从图 5 可得，测压孔瓦斯压力随预抽时间的推进而越小。现场测试区瓦斯有效抽采半径为 1.5 m，这与数值模拟得出的有效抽采半径 1.48 m 相印证，证明了数值模拟的可靠性。3 结论（1）从单孔瓦斯预抽数值模拟可知，三元煤矿4306 工作面最佳预抽期为 180 d，孔径为 94 mm，抽采负压 18 kPa。（2）从双孔瓦斯预抽数值模拟得到，双孔抽采效果存在叠加效应，布孔间距越大，钻孔周围瓦斯压降幅度越小，最终确定布孔间距为 3.6 m，钻孔间瓦斯压降超过 42.31%，符合预抽达标要求。（3）通过现场测试得到有效抽采半径为1.50 m，这与数值模拟获得的有效抽采半径 1.48 m 相印证，证明了数值模拟的可靠性。【参考文献】1 I.L.ttinger.Swelling stress in the gas-coal system as an energy source in the development of gas burstsJ.（下转第 99 页）992023 年第 2 期徐 涛：以孔代巷联合抽采在高瓦斯煤层群的应用徐 涛：以孔代巷联合抽采在高瓦斯煤层群的应用根 DN150 mm 的抽采软管，埋管深度 35 m，其进气侧位于回风隅角煤袋墙内 15 m 范围内。每次移架时，煤袋墙和插管随之外移，4 根 DN150 mm 软管与回风巷 450 mm 低负压抽采管路相连接，抽采回风隅角内瓦斯。图 5 半封闭插管抽采上隅角瓦斯示意图4 实施效果赤峪煤矿在中央采区 C1204 工作面采用了以孔代巷瓦斯治理试验，并取得了良好的效果。以目前C1204 工作面瓦斯治理效果为例，经过对区域煤层瓦斯预抽后，对该区煤层进行了抽采达标评判，回采工作面 2 号煤层最大残余瓦斯含量 Wc=3.91 m3/t，平均残余瓦斯含量 Wc=2.48 m3/t。以孔代巷联合抽采实现了回风流中的瓦斯浓度、煤层的瓦斯含量、瓦斯压力的降低，提升了瓦斯抽采量，为矿井正常回采奠定了基础，其主要效果体现在：（1）改变下邻近煤层卸压瓦斯的拦截方式，底板拦截钻孔代替底抽巷穿层钻孔，缩短了底抽巷服务年限，降低了底抽巷维护成本。（2）充分利用千米定向钻机，钻场间距由 50 m 扩大到 350 m 以上，钻孔总工程量约 3 万余米，瓦斯抽采量更加稳定。（3）抽采形成了负压区，减少了采空区向回风隅角涌出瓦斯。通过开启低负压双泵并联运行，泵站运行工况流量由之前的 270 m3/min 提高到 420 m3/min，工作面上隅角插管半封闭抽采量由之前的130 m3/min 提高到 180 m3/min。5 结语C1204 工作面通过实施千米定向钻机施工顶板高位走向钻孔、底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯、半封闭插管抽采上隅角瓦斯等瓦斯治理措施，通过依据科学理论计算、反复观察验证分析，提高了工作面瓦斯治理效果，实现本煤层、邻近层瓦斯的拦截、预抽，解决了矿井瓦斯治理难题，为赤峪矿实现安全生产提供可靠的技术保障。【参考文献】1 谢和平，高峰，鞠杨，等深部开采的定量界定与分析 J煤炭学报，2015，40（1）：1-10.2 蓝航，陈东科，毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析 J.煤炭科学技术，2016，44（01）：39-46.3 张东明，白鑫，尹光志，等.低渗煤层液态 CO2相变定向射孔致裂增透技术及应用J.煤炭学报，2018，43（07）：1938-19504 杜瀚林，于贵生.高瓦斯易自燃煤层高抽巷瓦斯抽采与浮煤自燃耦合研究 J.煤矿安全，2019，50（12）：163-169.5 唐明云，郑鹏先，戴广龙，等.花眼护孔管对顺层钻孔瓦斯抽采效果的影响研究 J.中国安全科学学报，2019，29（07）：90-966 卢平，袁亮，程桦，等.低透气性煤层群高瓦斯采煤工作面强化抽采卸压瓦斯机理及试验 J.煤炭学报，2010，35（04）：580-5857赵建国，赵江鹏，许超，等.顶煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用 J.煤田地质与勘探，2018，46（04）：202-206.Soviet Mining Science,1979,15(05):494-501.2 Borisenko A A.Effect of gas pressure on stress in coal strateJ.Soviet Mining Science,1985(01):88-91.3 Harpalani,S.Gas flow through stressed coalD.Berkeley:Univ.of California,1985.4 Enever J,Henning A.The relationship between permeability and effective stress for Australian coal（上接第 96 页）and its implications withrespect to coalbed methane 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