司马煤矿3号煤层瓦斯抽采半径优化与实践

牛金明,李金华

(山西潞安集团 司马煤业公司,山西 长治 047105)

瓦斯抽采技术在我国历经几十年发展,煤矿瓦斯灾害防治方面具有举足轻重的作用[1-2]。瓦斯灾害严重威胁煤矿安全生产,目前多采用瓦斯抽采的方法从根本上对瓦斯灾害进行治理[3-4]。其中,钻孔抽采是最常用的抽采技术措施[5-6],钻孔间距是影响瓦斯抽采效果的重要参数,合理的钻孔间距布置既可以避免抽采空白区,又可以有效降低抽采成本[7-8]。基于此,Wu Bing等[9]利用FLAC3D软件,进行了井下瓦斯抽采模拟,并通过现场试验进行验证,发现模拟结果与测试结果基本一致。王兆丰等[10]通过数值模拟的方法计算了瓦斯抽采钻孔的合理抽采负压和有效抽采半径。Liu等[11]分析瓦斯抽采过程中多个钻孔的叠加效应,发现多个钻孔同时抽采会影响单个钻孔的抽采效率和影响范围。陈月霞等[12]以有效抽采半径、叠加效应、三维瓦斯压力等压面的形状及有效抽采区域体积大小为指标的钻孔间距数值计算考察方法,为煤矿井下钻孔间距优化布置提供参考。综上所述,瓦斯抽采钻孔的布置应基于其有效抽采半径,并兼顾瓦斯抽采效果和工程成本[13]。

司马煤业由于煤层地质构造复杂、透气性差,是低瓦斯难抽采煤层的典型代表[14-15]。由于缺乏理论以及实践支撑,导致矿井的瓦斯抽采效果达不到预期,影响煤矿的安全开采。因此本文依据实测储层参数,采用了COMSOL Multiphysics数值模拟软件对司马煤业3号瓦斯有效抽采半径进行模拟优化,并通过瓦斯压力降低法,在1208运巷610～710 m处展开试验,得到该3号煤层的瓦斯抽采有效半径,对模拟优化结果进行了验证,为司马煤业3号煤层瓦斯抽采方案设计提供借鉴。

1 瓦斯地质特征

1.1 构造特征

司马煤业位于山西省东南部,沁水煤田的东部,长治以南4 km,井田位于晋(城)～获(鹿)褶断带南段的主要构造形迹长治大断裂的西侧,西接武～阳凹褶带,构造形迹呈“多”字型排列规律。井田总体呈一走向NNE,倾向NW,倾角4°的单斜构造,并伴有宽缓褶曲和少量断裂构造,无岩浆岩侵入[16]。

1.2 煤层及瓦斯

3号煤层位于山西组中下部,为当前主采煤层[17],煤层平均埋深440 m,煤层厚5.47～7.80 m,平均6.62 m.3号煤最大镜质组反射率为1.67%～1.83%,属贫煤-贫瘦煤;煤体结构以碎裂煤为主,实测煤体坚固性系数为0.60～0.68,瓦斯放散初速度为12.8～16.0;3号煤层瓦斯吸附常数a介于34.15～38.36 m3/t,b介于0.58～0.68 MPa-1.矿井在3号煤层1208运输巷和1303回风巷实测瓦斯含量4.38～6.02 m3/t,实测瓦斯压力0.20～0.43 MPa.

2 瓦斯抽采半径数值模拟优化

2.1 物理模型建立

本文主要利用了COMSOL Multiphysics数值模拟软件对瓦斯抽采半径模拟优化,通过建立模型,对实测参数进行数值模拟计算,并根据数值模拟计算的结果进行分析,确定合适的钻孔间距以及抽采时间。模型模型长×高为20 m×6 m,孔径深度和直径分别为120 m和94 mm,煤层埋深440 m,垂直方向承载上覆岩层的重力作用于图中AB面,为10 MPa,两侧边界AC面、BD面受侧压力影响,为2.5 MPa,煤层初始瓦斯压力赋值0.51 MPa,煤层瓦斯含量6.02 m3/t.

图1 垂直于钻孔的煤体几何模型

依据实验室测试以及现场实测数据确定数值计算的关键参数如表1所示。

表1 3号煤层基本参数

2.2 数值模拟结果分析

本次建立孔群抽采的数值模型,分析不同钻孔间距(4 m、5 m、6 m)条件下的钻孔周边煤层瓦斯压力实时数据。图2为抽采过程中1 d、15 d、30 d和90 d时,不同间距抽采下垂向煤层瓦斯压力分布云图。

图2 不同孔距垂向钻孔瓦斯抽采压力分布

不同孔距抽采瓦斯监测点瓦斯压力变化曲线如图3所示。由图可知:

图3 不同孔距抽采瓦斯监测点瓦斯压力变化曲线

1) 测试点的瓦斯压力随抽采时间的增大而降低,且瓦斯压力的降低速率整体上随时间的增大而减小,即呈现出减速降低的趋势。

2) 抽采前7 d瓦斯压力降低的趋势较为明显,当超过30 d后,瓦斯压力降低的速率变化较小,基本呈现出线性减低的趋势。

3) 不同钻孔间距情况下,瓦斯压力降低基本呈现出相同的降低趋势。钻孔间距越小,瓦斯压力越小,即增加抽采孔的密度可有效减低瓦斯压力。

不同孔距抽采瓦斯压力随时间变化曲线如图4所示,由图可知:

图4 不同孔距抽采瓦斯压力随时间变化曲线

1) 煤层内的瓦斯残存压力随钻孔间距的增大而增大,并随抽采时间的增大而减小;

2) 相比于抽采30～60 d,抽采60～90 d的煤层残存压力变化较小,这表明在抽采60 d后煤层残存压力趋向于稳定;

3) 《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》要求抽采后的瓦斯压力应降低至原煤层瓦斯压力的60%以下,在抽采60 d后,孔距为4 m、5 m和6 m的情况下,瓦斯压力分别降低至初始值的47%、53%和63%.

3 瓦斯抽采半径测试

采用有效抽采半径的方法对司马煤矿3号煤层二采区1208运巷进行模拟研究。

3.1 测试方法

可以按照不同矿井的实际条件选择合适的瓦斯抽采半径测试方法,目前对钻孔瓦斯抽采有效半径的测定应用主要为现场测试法,但考虑到司马煤业的现场实际操作条件复杂,选用钻孔瓦斯压力下降法对3号煤层的瓦斯抽采半径进行考察,选用抛物线方程来近似取代煤层瓦斯含量曲线:

(1)

式中:X为瓦斯含量,kg/m3;a为煤层瓦斯含量系数;P为瓦斯压力,MPa.

按照《煤矿安全规程》、《煤矿瓦斯抽采基本指标》等要求煤层瓦斯预抽率要大于30%.瓦斯压力代入瓦斯含量可得,当瓦斯预抽率为30%以上时,抽采后的残余瓦斯压力应小于原始瓦斯压力49%.即瓦斯压力下降量应大于原始瓦斯压力的51%,基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术依据该原理来得出。

3.2 施工方案

根据司马煤业实际生产情况进行抽采钻孔设计,钻孔布置如图5所示。测试地点位于二采区在1208运巷610～710 m处,共布置15个钻孔,其中抽采孔10个,测压孔5个(分别为1～5号孔)。各组测压孔与抽采孔间距依次取1.5 m、2 m、2.5 m、3 m和3.5 m,每组间隔25 m,抽采孔和测压孔倾角均为5°,方位垂直于煤壁,封孔长度均为50 m,孔深均为65 m,开孔高度1.7 m,钻孔直径94 mm.

图5 钻孔布置图

首先施工Φ94 mm的测压钻孔,压力测定采用4分无缝钢管,封孔深度为45 m,采用1.0 MPa标准压力表。测试点钻孔布置如图5所示,每天测试次数不少于1次,观测不少于80 d,抽放期间要保证抽放负压基本维持稳定。

3.3 测试结果

测压钻孔采用被动测压法观测25 d左右,瓦斯压力稳定后,施工抽采孔并接入矿井已有的预抽管路进行瓦斯抽采。由于预抽钻孔的瓦斯抽采半径会受到很多因素的影响,包括煤层瓦斯压力、钻孔直径、抽采时间、抽采负压等因素。因此,本次压力测试过程中的钻孔直径为Φ94 mm,测定煤层相对瓦斯压力介于0.36～0.43 MPa,抽采负压为23 kPa左右,考察抽采时间最大为80 d.同时对司马煤业1208运巷5个测压钻孔压力值数据进行统计,分别对测压钻孔抽采40 d、60 d、80 d的数据进行分析,统计数据如表2所示。

表2 测压钻孔瓦斯压力统计分析

通过数据分析得出:当抽采天数为60 d时,1号和2号压力测试钻孔中瓦斯压力下降幅度均超过51%,抽采半径为1.5 m和2 m均满足瓦斯抽采有效半径的确定指标,因此确定3#煤层抽采半径为2 m;当抽采天数为80 d时,1号、2号、3号和4号压力测试钻孔中瓦斯压力下降幅度均超过51%,抽采半径为1.5 m、2 m、2.5 m和3 m均满足瓦斯抽采有效半径的确定指标,因此确定3号煤层抽采半径为3 m.

综合以上可知,司马煤业3号煤层抽采天数为60 d以下,选择抽采半径为2 m时较为合适;3号煤层抽采天数为60～80 d,选择抽采半径为2～3 m时较为合适;3号煤层抽采天数为80 d以上,选择抽采半径为3 m时较为合适。通过以上对3号煤层瓦斯抽采半径实测数据统计,得到测压钻孔瓦斯压力统计表,见表3.

表3 测压钻孔瓦斯压力统计分析

通过对表3中数据进行线性回归,得到3号煤层瓦斯抽采有效半径与抽采天数的对应关系,对应曲线图如图6所示。根据司马煤业3号煤层瓦斯抽采半径和抽采天数关系图得出回归方程:Y=1.518 4ln(x)-3.491 4,相关性为0.972 4.由于本次瓦斯抽半径现场测定时间为80 d,测定时间较短。矿方在实际生产中,可根据以上公式按照实际抽采天数判定煤层瓦斯抽采半径数值,但3号煤层最大瓦斯抽采半径不超过4.72 m.

图6 3号煤层瓦斯抽采半径与天数关系图

通过现场实测3号煤层瓦斯抽采半径与数值模拟分析结果进行比较,当抽采天数为60 d时,抽采半径为2.5 m时满足瓦斯抽采有效半径的确定指标;当抽采天数达到90 d时,抽采半径为2.5 m和3 m时均满足瓦斯抽采有效半径的确定指标。现场实际测定结果与瓦斯抽采半径数值模拟结果基本相符。

4 结 语

1) 根据模拟结果,司马煤业3号煤层在抽采60 d以后,瓦斯压力的下降幅度趋于缓慢,从经济角度考虑合理抽采时间为60 d.抽采60 d后,在钻孔间距为4 m以及5 m的情况下,瓦斯压力可降至煤层瓦斯原始压力的60%以下,布置4～5 m孔距符合瓦斯抽采标准。

2) 根据实测数据,当抽采天数为60 d时,抽采半径为1.5 m和2 m均满足瓦斯抽采有效半径的确定指标,确定3号煤层抽采半径为2 m;当抽采天数为80 d时,抽采半径3 m可满足瓦斯抽采有效半径的确定指标。

3) 模拟结果与实测数据基本吻合,可确定为司马煤业3号煤层最佳抽采天数为60～80 d,同时选择抽采半径为2～3 m时较为合适;可按照实际抽采天数判定煤层瓦斯抽采半径数值,但3号煤层最大瓦斯抽采半径不超过4.72 m.