季鵬飛， 郭英， 張壘， 孔祥國， 王旭， 周雨璇

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 鄒城 273500；3.貴州黔西能源開發(fā)有限公司 青龍煤礦，貴州 黔西 551500)

0 引言

煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅井下安全生產(chǎn)[1]。煤巷掘進(jìn)工作面煤與瓦斯突出次數(shù)占突出總次數(shù)的66.2%[2]。煤巷條帶瓦斯預(yù)抽是防治掘進(jìn)工作面煤與瓦斯突出的重要措施[3]，許多學(xué)者利用順層鉆孔預(yù)抽技術(shù)開展區(qū)域消突研究。劉明舉等[4]研究了不同孔徑鉆孔的瓦斯抽放效果，利用普通鉆機(jī)施工大孔徑順層長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯，有效消除了煤巷條帶的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。閆衛(wèi)紅[5]采用定向鉆機(jī)施工長距離順層鉆孔，具有鉆進(jìn)速度快、鉆進(jìn)長度長、瓦斯抽采濃度高等特點(diǎn)，有效解決了掘進(jìn)工作面瓦斯超限問題?？讉6]針對傳統(tǒng)煤巷條帶瓦斯治理受限于鉆孔深度淺、軌跡無法控制的問題，采用定向順層長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯，縮短了預(yù)抽時(shí)間，提高了抽采效果。然而，上述研究均采用單一順層普通鉆孔或定向鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯，未考慮普通鉆機(jī)施工長鉆孔易偏離軌跡、定向鉆機(jī)施工成本較高等問題[7-10]。本文以青龍煤礦21601掘進(jìn)工作面為研究背景，利用普通鉆機(jī)施工近程普通鉆孔以降低施工成本，配合定向鉆機(jī)施工遠(yuǎn)程定向鉆孔來保證施工精度，通過普通鉆孔和定向鉆孔聯(lián)合預(yù)抽煤巷條帶瓦斯。

1 礦井概況

青龍煤礦主采16號(hào)煤層，16號(hào)煤層二采區(qū)瓦斯賦存異常，瓦斯涌出量大。21601掘進(jìn)工作面位于二采區(qū)，總體趨勢呈西南高、東北低，傾角為0～6°。該工作面煤巖層結(jié)構(gòu)簡單且性質(zhì)較穩(wěn)定，煤層平均埋深為215 m，平均厚度為2.6 m，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.75。煤層原始瓦斯含量為9.4～12.5 m3/t，透氣性系數(shù)為3.389 4～7.319 4 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.025～0.041/d，屬于可抽采煤層。

2 模型建立

2.1 幾何模型

應(yīng)用COMSOL Multiphysics模擬平臺(tái)建立幾何模型，如圖1所示，其中鉆孔徑向即沿鉆孔直徑方向，鉆孔軸向即沿鉆孔長度方向。模擬采用預(yù)抽地點(diǎn)實(shí)測基礎(chǔ)參數(shù)，見表1。

(a)鉆孔徑向二維模型

表1 基礎(chǔ)參數(shù)

2.2 理論模型

模擬所需基本假設(shè)包括[11-14]：① 煤層瓦斯運(yùn)移符合Darcy定律；② 瓦斯視為可壓縮氣體，不同壓力下瓦斯密度不同；③ 瓦斯運(yùn)移為恒溫過程，不考慮溫度影響；④ 抽采負(fù)壓不隨鉆孔深度改變；⑤ 瓦斯解吸為瞬態(tài)過程；⑥ 煤層均質(zhì)且各向同性，瓦斯壓力不改變煤體孔隙率及滲透率。

基于上述假設(shè)，可得煤層瓦斯運(yùn)移模型：

(1)

式中：t為滲流時(shí)間；ρg為游離瓦斯密度；?為孔隙率；為Hamilton算子；P為瓦斯壓力；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度；M為瓦斯摩爾質(zhì)量；k為滲透率；μ為瓦斯動(dòng)力黏度；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯密度；ρc為煤體密度；VL為Langmuir體積常數(shù)；PL為Langmuir壓力常數(shù)。

2.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

模型邊界條件：煤層邊界瓦斯壓力恒為1.62 MPa；鉆孔抽采負(fù)壓恒為24 kPa。采用自由三角形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對鉆孔周圍的網(wǎng)格做加密處理，如圖2所示。

(a)鉆孔徑向

3 單鉆孔預(yù)抽瓦斯數(shù)值模擬

不同抽采時(shí)間下鉆孔軸向瓦斯壓力分布如圖3所示。從圖3(a)可看出，抽采初期(0～10 d)，鉆孔終孔位置處瓦斯壓力等值線呈“V”形，隨著抽采時(shí)間延長，瓦斯壓力“V”形分布逐漸平滑。從圖3(b)可看出，隨著抽采時(shí)間延長，瓦斯壓力逐漸下降，且距離鉆孔終孔位置越近，瓦斯壓力下降速率越快，下降幅度也越大。這是由于受抽采負(fù)壓影響，鉆孔終孔位置附近的瓦斯壓力與抽采負(fù)壓形成的壓差超過了滲流啟動(dòng)壓力，該位置處瓦斯首先被抽采。

不同抽采時(shí)間下鉆孔徑向瓦斯壓力分布如圖4所示。從圖4(a)可看出，不同抽采時(shí)間下鉆孔徑向瓦斯壓力均以鉆孔為中心呈環(huán)狀依次向外遞增；隨著抽采時(shí)間延長，鉆孔附近瓦斯壓力逐漸降低。從圖4(b)可看出，整個(gè)抽采過程中，瓦斯壓力以鉆孔中心為軸，呈左右對稱分布，預(yù)抽達(dá)標(biāo)(根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中消突指標(biāo)的規(guī)定，瓦斯壓力小于0.74 MPa[3])區(qū)域隨抽采時(shí)間延長逐漸擴(kuò)大。

(a)瓦斯壓力分布云圖

不同抽采時(shí)間下單鉆孔有效抽采半徑見表2，可看出隨著抽采時(shí)間延長，有效抽采半徑逐漸增大。

表2 不同抽采時(shí)間下有效抽采半徑

4 多鉆孔預(yù)抽瓦斯數(shù)值模擬

為實(shí)現(xiàn)21601掘進(jìn)工作面安全掘進(jìn)，避免采掘接續(xù)緊張，采用普通鉆孔和定向鉆孔聯(lián)合抽采方式作為區(qū)域防突措施?；诠ぷ髅鎸?shí)際采掘進(jìn)度，計(jì)劃預(yù)抽93 d，有效抽采半徑為3.80 m。鉆孔分布如圖5所示。其中，1—12號(hào)為普通鉆孔，開孔間距0.5 m，預(yù)抽煤巷兩幫15 m范圍內(nèi)瓦斯；13—17號(hào)為定向鉆孔(16號(hào)鉆孔為15號(hào)鉆孔的分支孔)，預(yù)抽掘進(jìn)工作面前方200 m范圍內(nèi)瓦斯。鉆孔參數(shù)見表3。

圖5 鉆孔分布

表3 鉆孔參數(shù)

為研究普通鉆孔對煤巷兩幫瓦斯的預(yù)抽效果，選擇距開孔位置29.8，48.0，62.9 m處煤層作為研究對象。不同抽采時(shí)間下，各煤層瓦斯壓力分布如圖6所示?？煽闯龀椴蓵r(shí)間小于21 d時(shí)，煤層瓦斯壓力下降較明顯，相鄰鉆孔中間存在1個(gè)壓力峰值；抽采時(shí)間大于21 d時(shí)，煤層瓦斯壓力下降速率減緩，這是由于隨著抽采時(shí)間延長，煤層瓦斯壓力逐漸降低，瓦斯壓力與抽采負(fù)壓形成的壓差逐漸減小，瓦斯?jié)B流速度有所下降；抽采時(shí)間為93 d時(shí)，距開孔位置29.8，48.0，62.9 m處煤層瓦斯壓力降至0.74 MPa以下的抽采達(dá)標(biāo)范圍分別為21.95，22.85，22.35 m。

(a)距開孔位置29.8 m

為研究定向鉆孔對煤巷掘進(jìn)工作面前方瓦斯的預(yù)抽效果，選擇距開孔位置163.0，195.0 m處煤層作為研究對象。不同抽采時(shí)間下，各煤層瓦斯壓力分布如圖7所示?？煽闯龀椴蓵r(shí)間為21 d時(shí)，距開孔位置163.0 m處煤層鉆孔間瓦斯壓力降至0.74 MPa以下；抽采時(shí)間為35 d時(shí)，距開孔位置195.0 m處煤層鉆孔間瓦斯壓力降至0.74 MPa以下；抽采時(shí)間為93 d時(shí)，距開孔位置163.0，195.0 m處煤層鉆孔間瓦斯壓力降至0.74 MPa以下的抽采達(dá)標(biāo)范圍分別為47.1，47.7 m；與普通鉆孔預(yù)抽效果相比，定向鉆孔抽采后期相鄰鉆孔間瓦斯壓力較高，這是由于定向鉆孔數(shù)量少、間距大，重疊抽采區(qū)域的面積小，大部分煤層位于單鉆孔有效抽采范圍內(nèi)，抽采效果相對較差。

(a)距開孔位置163.0 m

預(yù)抽93 d時(shí)掘進(jìn)工作面煤層瓦斯壓力分布云圖如圖8所示?？煽闯雒合飪蓭?5 m范圍內(nèi)瓦斯壓力均降至0.74 MPa以下，且煤巷兩幫抽采達(dá)標(biāo)范圍遠(yuǎn)大于預(yù)期；掘進(jìn)工作面前方200 m范圍內(nèi)瓦斯壓力也降至0.74 MPa以下，預(yù)抽效果較好。

圖8 預(yù)抽93 d時(shí)掘進(jìn)工作面瓦斯壓力分布云圖

5 現(xiàn)場應(yīng)用

將數(shù)值模擬中布孔方案應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)際抽采工作，抽采效果如圖9所示。可看出各監(jiān)測時(shí)段的瓦斯抽采總量較穩(wěn)定，平均值為19.86×103m3；瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和混合流量的變化范圍分別為51.5%～56.4%,3.62～3.76 m3/min，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均值為53.5%,混合流量平均值為3.68 m3/min；瓦斯抽采純流量在抽采前期波動(dòng)幅度較大，抽采中期較為穩(wěn)定，抽采后期有所下降，純流量平均值為1.97 m3/min。

圖9 現(xiàn)場實(shí)際瓦斯抽采效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證布孔方案的合理性，在開孔位置進(jìn)行打孔取樣，并計(jì)算各測點(diǎn)殘余瓦斯含量，結(jié)果見表4?？煽闯鰵堄嗤咚购啃∮? m3/t，達(dá)到抽采標(biāo)準(zhǔn)。

表4 各測點(diǎn)殘余瓦斯含量

6 結(jié)論

(1)單鉆孔預(yù)抽瓦斯時(shí)，抽采初期鉆孔終孔位置處鉆孔軸向瓦斯壓力等值線呈“V”形分布，隨著抽采時(shí)間延長，瓦斯壓力“V”形分布逐漸平滑；鉆孔徑向瓦斯壓力以鉆孔為中心呈環(huán)狀依次向外遞增；預(yù)抽93 d時(shí)的有效抽采半徑為3.80 m。

(2)利用普通鉆孔預(yù)抽煤巷兩幫15 m范圍內(nèi)瓦斯，利用定向鉆孔預(yù)抽煤巷掘進(jìn)工作面前方200 m范圍內(nèi)瓦斯，預(yù)抽93 d時(shí)達(dá)到抽采標(biāo)準(zhǔn)。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，普通鉆孔和定向鉆孔聯(lián)合預(yù)抽煤巷條帶瓦斯時(shí)，瓦斯抽采總量平均值為19.86×103m3，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均值為53.5%，瓦斯抽采純流量平均值為1.97 m3/min，瓦斯抽采混合流量平均值為3.68 m3/min，殘余瓦斯含量小于8 m3/t，瓦斯抽采效果良好。