XX礦區(qū)鉆孔抽采半徑測定研究報告..XX礦區(qū)鉆孔抽采半徑測定研究報告中國礦業(yè)大學安全工程學院二○一二年八月..目錄1前言12鉆孔周圍煤體中瓦斯流動理論及影響因素32.1瓦斯在煤層中的流動狀態(tài)32.2抽排鉆孔瓦斯徑向流動模型42.3瓦斯抽采效果影響因素62.3.1抽采時間72.3.2抽采負壓72.3.3鉆孔直徑72.3.4鉆孔施工及封孔質(zhì)量82.3.5煤體滲透特性82.3.6地應力92.3.7瓦斯壓力102.3.8煤體吸附特性113抽采鉆孔瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬分析123.1數(shù)值模型建立123.1.1數(shù)值模擬軟件簡介123.1.2鉆孔瓦斯?jié)B流模型的建立133.2模擬參數(shù)設置143.2.1模型基礎參數(shù)設置143.2.2模型邊界設置153.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析153.3.1抽采時間的影響153.3.2抽采負壓的影響203.3.3煤層滲透率的影響213.3.4鉆孔孔徑的影響234瓦斯抽排半徑測定方法264.1穿層鉆孔抽采半徑測試方法264.1.1平行鉆孔布置法264.1.2終孔圓周布置法274.2順層鉆孔抽采半徑測試方法284.2.1測試原理284.2.2測試方法294.3煤巷掘進工作面淺孔排放半徑測試方法305瓦斯抽排半徑現(xiàn)場測試及結(jié)果分析325.1蘆嶺礦穿層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析325.1.1測試地點概況325.1.2鉆孔施工參數(shù)及鉆孔間距的確定335.1.3有效抽采半徑確定依據(jù)345.1.4測試結(jié)果及分析355.1.5抽采后煤層消突效果425.2楊柳礦穿層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析445.2.1測試地點概況445.2.2鉆孔設計及施工參數(shù)455.2.3測試結(jié)果及分析455.3祁南礦順層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析495.3.1測試地點概況495.3.2鉆孔設計及施工參數(shù)495.3.3測試結(jié)果及分析505.4祁南煤礦穿層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析545.4.1鉆孔設計及施工參數(shù)545.4.2測試結(jié)果及分析555.5祁南煤礦掘進工作面鉆孔排放半徑測定及結(jié)果分析585.5.1鉆孔設計及施工參數(shù)585.5.2測試結(jié)果及分析586瓦斯抽采半徑預測程序設計616.1鉆孔瓦斯抽采半徑程序解算模型及算法616.2程序設計流程圖626.3程序界面及算例637總結(jié)66.PAGE66.1前言XX礦區(qū)隨著開采深度的增加,煤層瓦斯壓力、含量相對增加,采掘工作面瓦斯涌出量也逐漸增加,嚴重制約著礦井的安全生產(chǎn)。預抽煤層瓦斯是大多數(shù)突出礦井采取的防突措施。目前XX礦區(qū)瓦斯治理多采用穿層鉆孔及順層鉆孔預抽煤層瓦斯措施以降低煤層瓦斯含量進而降低工作面瓦斯涌出量,達到治理瓦斯的目的。其中,有效抽采半徑是該措施的一個重要參數(shù),直接關(guān)系到預抽鉆孔間距的設計,影響瓦斯抽采的效果。若抽采鉆孔間距較大,易出現(xiàn)抽采盲區(qū),達不到抽采效果,留下安全隱患；若抽采鉆孔間距較小,則容易造成工期延長及工程量浪費。所以,比較準確地測定抽采鉆孔的抽采半徑,可避免設計及施工的盲目性,提高抽采效果及施工進度。對抽采瓦斯防治突出及瓦斯超限具有十分重要的意義。目前國內(nèi)應用的鉆孔瓦斯抽采半徑的測試方法主要有鉆孔測試法和計算機模擬法及二者相結(jié)合的方法。在有效性指標的確定上,鉆孔測試法國內(nèi)外采用的指標主要有以下三種：瓦斯壓力指標、瓦斯含量指標、相對瓦斯壓力指標。計算機模擬法主要應用的指標有含量指標和壓力指標。國內(nèi)大多數(shù)礦區(qū)抽采鉆孔抽采半徑為2.5-4m,多數(shù)礦井抽采半徑根據(jù)經(jīng)驗得到,并沒有進行現(xiàn)場實測,造成了抽采鉆孔設計及施工的盲目性。因此,XX礦區(qū)有必要現(xiàn)場考察抽采鉆孔的抽采半徑,為礦區(qū)抽采鉆孔設計提供科學依據(jù)。受XX礦業(yè)股份通防處委托,中國礦業(yè)大學結(jié)合XX礦區(qū)煤層瓦斯賦存狀況,開展了XX礦區(qū)鉆孔抽采半徑測定的研究。兩年來具體研究工作如下：①理論分析了影響瓦斯抽采鉆孔抽采效果的因素,建立了鉆孔瓦斯抽采流動模型；②運用流體力學軟件Fluent對瓦斯抽采鉆孔在非穩(wěn)態(tài)、單一抽采因素下的抽采流場規(guī)律進行了模擬研究,找出鉆孔抽采影響因素對抽采半徑及瓦斯抽采量的影響關(guān)系；③根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的穿層及順層鉆孔抽采半徑測試方法,結(jié)合XX礦區(qū)實際情況,優(yōu)選出穿層及順層鉆孔抽采半徑最佳測試方法,即:針對穿層鉆孔抽采半徑傳統(tǒng)測試方法中存在的缺陷,制定出以相對瓦斯壓力為觀測指標,以實際煤層賦存狀況進行三維制圖的圓周布孔法來測定穿層鉆孔抽采半徑；采用流量法測試順層鉆孔瓦斯抽采半徑。④現(xiàn)場對XX礦區(qū)三個典型突出礦井蘆嶺礦、祁南礦和楊柳礦穿〔順層抽采半徑進行了測定,對已有測定方法的缺陷進行了改進,優(yōu)化了鉆孔設計,用于指導現(xiàn)場抽采鉆孔的設計及施工。⑤根據(jù)瓦斯流動連續(xù)性、瓦斯運動方程、煤層瓦斯含量方程及瓦斯狀態(tài)方程,結(jié)合一維徑向流場瓦斯流動初始及邊界條件,采用VB編程,運用迭代算法解算瓦斯壓力梯度微分方程,得出瓦斯抽采影響半徑及有效半徑。對比程序解算結(jié)果及現(xiàn)場實測結(jié)果,吻合度較高,并對解算程序進行了修正與完善,最終開發(fā)出適用與XX礦區(qū)瓦斯抽采半徑解算的應用程序。通過以上的研究工作,能夠比較準確地測定與解算XX礦區(qū)瓦斯抽采鉆孔的抽采半徑,可避免鉆孔設計及施工的盲目性,提高瓦斯抽采效果及鉆孔施工進度。對預抽煤層瓦斯防治突出具有十分重要的意義。..2鉆孔周圍煤體中瓦斯流動理論及影響因素2.1瓦斯在煤層中的流動狀態(tài)瓦斯在煤層中的流動是一個十分復雜的運移過程,主要取決于煤層介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)和瓦斯在煤層中的賦存狀態(tài)。煤是一種多孔的微裂隙發(fā)育的介質(zhì),微裂隙間含有孔隙和大部份與微裂隙相連的毛細管通路,而孔隙和毛細管通路的數(shù)目是變化的,它們之間或多或少互有聯(lián)系,其直徑由幾um,變化到幾mm不等。瓦斯在煤層中主要是以吸附和游離狀態(tài)賦存在煤體中,其中呈游離狀態(tài)壓縮在微裂隙和大孔隙中的較少,大部份為吸附在煤體中。根據(jù)煤體中的孔隙分布和煤層中的裂隙系統(tǒng)可知：瓦斯在煤層中的流動主要是層流滲透運動和擴散運動,其中前者基本上服從Darcy滲透定律,且主要發(fā)生在煤體大孔和微裂隙中,后者則基本上服從Fick擴散定律,且主要發(fā)生在煤體微孔隙之中。因此,瓦斯在煤體中的運動可以認為是一個擴散滲透的過程。瓦斯抽排過程中,鉆孔周圍煤體中瓦斯壓力分布不均勻,在煤層中就會形成一定的瓦斯流動范圍,這一范圍通常被稱為流場。瓦斯流場按空間流向可以劃分為三種形式：即球向流動、單向和徑向流動。瓦斯在煤層由高瓦斯區(qū)域向低瓦斯區(qū)域運移,流向、流速和瓦斯壓力梯度及瓦斯?jié)舛榷紝儆谕咚沟牧鲃訝顟B(tài)。〔1單向流動在三維空間內(nèi),只存在一個方向的流速,其余2個方向流速均為0。在礦井掘進過程中如沿煤層開掘巷道,平巷全部開切煤層,且巷道高度大于煤層厚度,則巷道兩翼的瓦斯流動都沿著垂直于巷道的開掘方向,形成相互平行、且方向相同的流場,如圖2-1〔a所示稱為瓦斯單向流動。a.單向流b.徑向流圖2-1瓦斯流動示意圖〔1.流向、2.等壓線、3.巷道〔2徑向流動在三維空間的2個方向存在分速度,另一個方向的分速度為0。比如礦井中的豎井、石門、及鉆孔垂直穿透煤層時,煤壁內(nèi)的瓦斯流動都屬于徑向流動,形成的流場為徑向流場。如圖2-1〔b所示為瓦斯徑向流動。一般情況下,其等壓力線與煤壁平行且呈近似同心圓形?！?球向流場在三維空間內(nèi)3個方向都存在分速度,例如在厚煤層礦井中,掘進煤巷的工作面煤壁內(nèi),石門或鉆孔即將進入煤層時從中涌出的瓦斯流動基本上都屬于球向流動。球向流動的特點在于：在煤體中形成類似同心球狀的瓦斯壓力等值線,流線則一般呈放射網(wǎng)狀。2.2抽排鉆孔瓦斯徑向流動模型當鉆孔垂直貫穿煤層時,煤層中將會形成同心圓狀的瓦斯壓力等值線,瓦斯將向鉆孔流動,符合徑向流理論。一般情況下,徑向流動屬于平面流動,其特征是在三維空間中有二向流動。由于煤層本身介質(zhì)性質(zhì)的變化不均,以及受礦井周圍條件的影響,瓦斯在煤層中的流動也存在均質(zhì)與非均質(zhì)、穩(wěn)定與非穩(wěn)定的徑向流。但從宏觀上看,在一個較大的區(qū)域內(nèi),除斷層、褶皺、煤層變厚變薄等地質(zhì)構(gòu)造帶外,可以看作是均質(zhì)的：煤層內(nèi)的原始瓦斯壓力在一定的區(qū)域內(nèi)也可以看作是均勻的。因此,為使問題簡化,按下列假設來建立抽排鉆孔瓦斯徑向流動模型?！?煤層頂?shù)装逋笟庑员让簩右〉枚?因此,可以將煤層頂?shù)装逡暈椴煌笟鈳r層；〔2煤層各向同性,透氣系數(shù)及孔隙率不受煤層中瓦斯壓力變化的影響,但在巷道及鉆孔周圍的卸壓范圍內(nèi)增大；〔3瓦斯可視為理想氣體,瓦斯?jié)B流過程按等溫過程來處理；〔4吸附瓦斯符合朗格繆爾方程,煤層中瓦斯解析在瞬間完成；〔5瓦斯為理想氣體,瓦斯在煤層中流動為層流滲透,且服從達西定律。根據(jù)以上假設,徑向流場的瓦斯在煤層中流動的微分方程以遵循流體在多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒定律和達西定律為基礎。根據(jù)多孔介質(zhì)動力學、煤層瓦斯吸附理論可以推出如下方程：〔2-1上式分別是：瓦斯流動連續(xù)性方程、瓦斯運動方程、煤層瓦斯含量方程和瓦斯狀態(tài)方程。式中：——瓦斯質(zhì)量轉(zhuǎn)移矢的散度；——瓦斯壓力時的瓦斯密度；——瓦斯壓力時的瓦斯密度；——煤層瓦斯壓力Pa；——1個標準大氣壓,Pa；——煤層內(nèi)瓦斯流動速度矢；——瓦斯源的質(zhì)量強度；t——時間變量,s；——瓦斯壓力梯度；——煤的滲透率；——瓦斯的絕對粘度；——煤體吸附瓦斯的最大值,；——煤體吸附瓦斯的常數(shù),；——單位體積煤所含的游離瓦斯量,,〔或者為煤體的孔隙率；——煤質(zhì)參數(shù),c=1——；——煤的灰份；——煤的水份。結(jié)合一維徑向流場瓦斯流動的初值條件和邊界條件,當t=0時,煤層瓦斯壓力等于原始瓦斯壓力；當r=,即抽采鉆孔孔徑處的瓦斯壓力等于鉆孔抽采壓力。根據(jù)上述2-1式,可得煤層瓦斯流場內(nèi)瓦斯壓力函數(shù)隨時空變化的控制微分方程：〔2-2〔2-3式中：——煤層原始瓦斯壓力,Pa；——煤層鉆孔的抽采壓力,Pa；——煤層透氣性系數(shù),；與滲透率的關(guān)系如下式：——徑向流場的半徑變量,m；——抽采鉆孔半徑,m；R——徑向流場的影響半徑,m。式〔2-2中的瓦斯流動方程是非線性的二階偏微分方程,求解是極其困難的,可通過計算機數(shù)值算法求出在給定條件下鉆孔周圍瓦斯壓力隨抽采時間增加的變化,得出近似解,來研究煤層鉆孔周圍的瓦斯壓力分布規(guī)律及其在煤層抽排瓦斯中的應用。2.3瓦斯抽采效果影響因素瓦斯抽采效果受多種因素影響,分析各影響因素對瓦斯抽采效果的影響機制,找出主要影響因素,有針對性的采取措施,可顯著提高瓦斯抽采效果。瓦斯抽采效果的影響因素主要包括主觀因素和客觀因素兩個方面,主觀因素主要是指抽采參數(shù)及鉆孔施工封孔質(zhì)量等對抽采效果的影響因素,主要包括：抽采時間、抽采負壓、鉆孔直徑、鉆孔的施工及封孔質(zhì)量等；客觀因素主要是煤層的滲透特性對抽采效果的影響,主要包括：煤層瓦斯壓力、地應力、煤體吸附特性等。以下就各因素對瓦斯抽采效果的影響機制進行分析。2.3.1抽采時間隨著抽采時間的增加,鉆孔抽采總量增加,鉆孔周圍煤體瓦斯被不斷抽出,抽采影響區(qū)域范圍增大；大量實驗及現(xiàn)場應用研究表明,抽采初期,鉆孔瓦斯抽采濃度及流量較大；在抽采后期,抽采量不再增加或呈負指數(shù)規(guī)律逐漸減小。該規(guī)律表明,隨著抽采時間的增加,能夠增加瓦斯抽采量,但存在最佳極限抽采時間,超過這個時間,即使延長抽采時間,瓦斯抽采純量增加很少。若延長抽采時間可導致延誤工期,造成抽采工程量浪費。因此礦井應根據(jù)煤層瓦斯賦存情況,結(jié)合抽采半徑測試結(jié)果,在滿足煤層消突及降低瓦斯涌出量的前提下,綜合確定最佳抽采時間。既保障抽采效果,同時降低抽采費用。2.3.2抽采負壓為使煤體瓦斯易于流向鉆孔,傳統(tǒng)的觀點認為提高抽采負壓可相應提高煤體中瓦斯流動的壓力差,從而達到提高煤層瓦斯抽采率的目的。但是,從瓦斯在煤層中的運移情況來看,瓦斯能夠在煤體內(nèi)運移需要兩個條件,即壓力差和移動通道的存在。前者為瓦斯壓力差,構(gòu)成了瓦斯在煤體中運移的動力,后者則為煤體中存在的裂隙,構(gòu)成了瓦斯在煤體中運移的通道。所以要增大瓦斯在煤體中的流量,一方面應加大壓力差,另一方面應增大煤層的透氣性,而提高抽采負壓,對煤層中瓦斯壓力差的增大是有限的〔因為其極限值只能達到0.1Mpa,況且提高抽采負壓對抽采設備的要求也有所提高,因而受到一定限制。相關(guān)研究表明,提高負壓對煤體透氣性的提高也不大。因此,提高抽采負壓對鉆孔瓦斯涌出量影響不大,XX院在XX六礦所做的實驗也證實了這一觀點,即提高抽采負壓對鉆孔瓦斯涌出量影響不大。但在瓦斯抽采過程中,應保障各類鉆孔抽采負壓符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的要求。2.3.3鉆孔直徑鉆孔直徑對瓦斯抽采效果的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是增大鉆孔直徑相應增大了與煤體的接觸面積；二是增大鉆孔直徑導致鉆孔周圍煤體的卸壓圈增大,因而對瓦斯抽采產(chǎn)生一定的影響,如圖2-2所示。但是,這都是有限的。相關(guān)理論研究表明,在鉆孔抽采前期,孔徑大的鉆孔抽采瓦斯流量大；而鉆孔抽采后期,孔徑的大小對瓦斯抽采量影響不大,即可認為,在一定孔徑范圍內(nèi)的鉆孔,經(jīng)過一定抽排時間后,不同孔徑大小鉆孔抽采的瓦斯量基本是相同的。因此,對于短期內(nèi)需要加快抽排瓦斯的煤層,可適當加大鉆孔直徑以加快煤層中瓦斯的釋放；反之對于長期抽采的煤層〔如預抽煤層瓦斯,由于孔徑大小對瓦斯抽采量的影響不大,為了減少工程量,節(jié)省費用和便于封孔,可采用孔徑較小的鉆孔進行抽采。XX院進行的現(xiàn)場預抽試驗研究表明,直徑為300mm的鉆孔與直徑為75mm的鉆孔相比較,在抽采期內(nèi),大直徑鉆孔的瓦斯涌出量高于小直徑鉆孔的瓦斯涌出量；抽采時間相同時,鉆孔直徑越大,抽采率越高,但抽采率的增長幅度遠比直徑的增長幅度小,相反,施工難度卻增加。一般情況下,結(jié)合我國的鉆進技術(shù)及XX礦區(qū)煤層瓦斯賦存情況,孔徑在105~155mm之間較為理想。2.3.4鉆孔施工及封孔質(zhì)量對于順層鉆孔,由于在全煤中施工,很容易造成塌孔、堵孔,因此鉆孔施工情況的好壞直接影響到瓦斯抽采結(jié)果。順層鉆孔應保證鉆孔始終在煤層中,若鉆孔施工質(zhì)量不佳,施工過程中對鉆孔方位和傾角控制不準,由于鉆孔長度大,鉆頭在鉆進過程中,會發(fā)生偏移,鉆孔容易進入煤層頂?shù)装?從而減少鉆孔有效抽采長度,降低抽采效果。封孔質(zhì)量的好壞,直接決定著鉆孔抽采負壓,及抽采流量和濃度。若鉆孔的封孔質(zhì)量不佳,則孔內(nèi)容易漏風,瓦斯抽采濃度降低,抽采純量減少。因此,在保證抽采泵站的負壓穩(wěn)定不變的情況下,盡可能地減少開孔位置處漏風量,提高鉆孔的封孔質(zhì)量,增加單孔抽采瓦斯量。2.3.5煤體滲透特性煤層滲透率主要通過煤層透氣性系數(shù)表達,它對鉆孔抽采半徑及瓦斯抽采量影響較大,是影響瓦斯抽排鉆孔抽排效果最重要的客觀因素之一。往往滲透率大的煤層比滲透率小的煤層瓦斯壓力及瓦斯流量隨抽采時間降低得快?！兜V井瓦斯抽放規(guī)范AQ1027》中以煤層透氣性系數(shù)來評價煤層瓦斯抽采難易程度,從目前的技術(shù)條件來看,只有透氣性好的煤層,其抽采效果才好,而提高煤層瓦斯抽采率的一個最主要的方面就是如何提高煤層的透氣性。實驗表明：煤體透氣性變化的主要影響因素有地應力、瓦斯壓力。2.3.6地應力瓦斯抽采鉆孔施工過程中,鉆孔周圍應力場便會重新分布,煤體向孔洞方向發(fā)生流變、膨脹變形,造成煤體塑性破壞,彈性能得以釋放。鉆孔周圍煤體經(jīng)歷了原始應力、集中應力、峰值應力、殘余應力四個過程。鉆孔未施工至煤層時,煤體處于原巖應力狀態(tài),隨著孔洞逐漸形成,孔洞煤體支承壓力轉(zhuǎn)移至鄰近煤體上,造成鄰近區(qū)域煤體出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,隨著孔洞影響范圍的逐步擴大,鄰近單元體集中應力高于煤體強度后,煤體發(fā)生塑性破壞,不能繼續(xù)承載較大的應力,集中應力峰值向深部煤體轉(zhuǎn)移,煤體承受的應力逐漸減小,最終低于原巖應力,使煤體卸壓。鉆孔孔徑的大小對煤體應力及塑性區(qū)半徑影響較大。圖2-2是基于拉格朗日快速有限差分程序〔FLAC3D進行數(shù)值模擬得出的不同孔徑下鉆孔周圍煤體應力及塑性區(qū)分布云圖。0.2m孔徑應力0.2m孔徑塑性區(qū)0.4m孔徑應力0.4m孔徑塑性區(qū)0.6m孔徑應力0.6m孔徑塑性區(qū)圖2-2不同孔徑下煤體應力分布云圖及塑性區(qū)范圍數(shù)值模擬結(jié)果可知,低于原始應力區(qū)域的邊界至鉆孔中心的徑向位移表示鉆孔卸壓影響范圍,鉆孔周圍應力集中位置隨孔徑增大而遠離鉆孔。鉆孔孔徑增加,應力集中區(qū)遠離鉆孔中心,鉆孔卸壓范圍增加。鉆孔施工使鉆孔周圍煤體卸壓,鉆孔周圍煤體裂隙擴展,同時產(chǎn)生次生裂隙,裂隙相互貫通,提供了瓦斯運移通道,大量吸附瓦斯解吸為游離瓦斯并沿裂隙通道向鉆孔運移,可顯著增加鉆孔抽采效果。以上為鉆孔施工過程中鉆孔周圍煤體的應力變化規(guī)律,但通過現(xiàn)場了解應力變化過程中鉆孔煤體透氣性的變化過程是十分困難的,目前一般通過實驗室的模擬實驗來了解這一變化過程。實驗表明：當瓦斯壓力不變時,隨著圍壓〔模擬地應力的增加,滲透率開始下降很快；但是,當圍壓增至6~7Mpa,滲透率下降非常緩慢。當圍壓大于10Mpa時,煤樣滲透氣體量非常小,說明煤體滲透率對地應力十分敏感,即地應力對煤層的滲透率有著重要的影響。因此,為提高現(xiàn)場煤層滲透率,提高瓦斯抽采效果,采用煤層卸壓是一項重要措施,這也是現(xiàn)行大多數(shù)防治煤與瓦斯突出措施,如預抽煤層瓦斯、開采保護層和水力沖孔等措施中,為提高煤層瓦斯抽采率而廣泛采用的方法。2.3.7瓦斯壓力瓦斯壓力對井下瓦斯在煤層中的運移起著動力源的作用,即在煤體中,只有具備一定壓力差的瓦斯才能在煤層中流動。采用地應力不變情況下模擬井下煤層中瓦斯壓力的變化對煤體滲透率的影響。實驗結(jié)果表明,在圍壓不變時,隨著瓦斯壓力的升高,開始時,煤樣吸附氣體量增多,克林伯格效應〔氣體分子在固體表面上的滑流現(xiàn)象逐漸增強,導致煤樣滲透率的降低；當瓦斯壓力超過一定值時,由于煤樣對氣體的吸附隨瓦斯壓力升高而逐漸達到平衡,克氏效應相對于較大的瓦斯壓力消弱了,因而滲透率又有所回升,最終瓦斯壓力P與煤樣滲透率K間的關(guān)系呈"V"形。實驗表明：克氏效應只發(fā)生在瓦斯壓力小于1MPa范圍內(nèi),因此認為,煤層瓦斯壓力低不利于瓦斯抽采的原因,不僅和瓦斯壓力低造成抽采范圍內(nèi)形成的壓力差小有關(guān),而且還和瓦斯壓力低,克氏效應顯著,從而造成煤層透氣性低有關(guān)。因此在預抽煤層瓦斯中,若原始煤層瓦斯壓力小于1MPa,則可能對煤層瓦斯抽采不利,抽采效果可能不好。2.3.8煤體吸附特性煤體對瓦斯的吸附對煤的滲透性會產(chǎn)生一定的影響。實驗研究表明：對于同一煤樣,在相同的條件下,煤吸附氣體所呈現(xiàn)的吸附性越強,煤樣滲透率越低；而且隨著孔隙壓力的增大,這種關(guān)系越加明顯。主要是因為煤的滲透率同煤的孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙有關(guān),且只和中孔、大孔以及裂隙有關(guān)。由于煤吸附氣體后會發(fā)生膨脹變形,且吸附氣體時的吸附性越強變形量越大,因此,當抽采鉆孔周圍煤體的圍壓保持一定無法沿徑向產(chǎn)生變形時,微孔隙或微裂隙在吸附氣體后所產(chǎn)生的變形必然向內(nèi),從而影響中孔和大孔及裂隙的容積,使?jié)B透容積減??；另外,從煤體骨架所受的力來看,由于煤樣所受的圍壓力等于骨架力、吸附應力、氣體壓力之和,因而在圍壓力和氣體壓力保持不變的情況下,吸附應力越大,則骨架所承受應力就越小,因而在同樣力的作用下其變形值就越大。煤吸附氣體時,氣體分子會占據(jù)孔道面積,從而使構(gòu)成滲透的孔截面減小,因而煤的滲透率就降低。滲透率低,往往能保持高的瓦斯壓力,而高瓦斯壓力低滲透率,會使瓦斯壓力梯度增大,這是突出的直接原因之一。..3抽采鉆孔瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬分析本章運用流體力學軟件FLUENT建立數(shù)值模型,模擬抽采鉆孔周圍煤體中瓦斯壓力分布,研究抽采過程中煤體瓦斯?jié)B流規(guī)律。通過改變模型參數(shù)及邊界條件模擬抽采時間、煤層滲透率、抽采負壓、瓦斯壓力及鉆孔直徑等因素對抽采鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布的影響規(guī)律,得出抽采鉆孔瓦斯?jié)B流規(guī)律及影響因素,為抽采半徑測定提供理論指導。3.1數(shù)值模型建立3.1.1數(shù)值模擬軟件簡介Fluent是目前國際上較領先的CFD軟件之一,在流體建模中有廣泛的應用。用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù),因而達到了最佳的收斂速度和求解精度。Fluent軟件有如下特點：〔1慣性或非慣性坐標系、復數(shù)基準坐標系、滑移網(wǎng)格以及動靜翼相互作用模型化后的接續(xù)界面在Fluent中可以很方便地找到并設置?！?Fluent內(nèi)部集存大量的物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫,里面提供了多種材料屬性參數(shù),此外用戶可以非常便捷地指定自己的材料?！?高效并行計算能力,提供相關(guān)自動/手動分區(qū)算法；內(nèi)設MPI并行機制,大幅提高了并行運算速度。此外,Fluent的動態(tài)負載平衡功能,確保全局高效并行計算。〔4Fluent軟件開發(fā)出便捷的圖形窗口面向廣大用戶,并向用戶提供了二次開發(fā)接口<UDF>?！?Fluent具有后續(xù)數(shù)據(jù)導出功能,可對圖形分析處理后的數(shù)據(jù)進行整理分析,而后創(chuàng)建可視化的圖形并且給出相應的圖表、曲線分析圖等。Fluent計算主要步驟有：〔1繪制幾何模型,生成網(wǎng)格；〔2選擇適當?shù)那蠼馄?；?導入網(wǎng)格文件,檢查網(wǎng)格；〔4選擇計算模型,確定解的基本模型方程：無粘流、層流還是湍流、考慮有無化學反應、考慮傳熱與否、是否使用多孔介質(zhì)模型；〔5確定附加模型,指定材料的物理性質(zhì)；〔6確定邊界條件；〔7調(diào)節(jié)解的控制參數(shù),計算求解。圖3-1為Fluent求解計算的基本程序結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-1基本程序結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2鉆孔瓦斯?jié)B流模型的建立〔1基本假設模擬方案中需要假設的條件包括：①煤層各向同性,煤層中的瓦斯壓力變化不影響其透氣性系數(shù)及孔隙率,但在鉆孔周圍內(nèi)的卸壓范圍內(nèi)增大；②可將瓦斯按理想氣體,瓦斯?jié)B流過程視為等溫過程處理；③煤層中瓦斯解析在瞬間完成；④可以將煤層頂?shù)装逡暈椴煌笟鈳r層；⑤瓦斯在煤層中的流動符合達西定律；⑥煤層中的瓦斯含量滿足以下方程：<3-1>式中,是煤的最大瓦斯吸附量,單位；是煤的吸附常數(shù),單位；是瓦斯壓力,單位；是煤的密度,單位；φ是煤的孔隙體積,單位；是煤的灰分,單位；是煤的水分,單位?！?幾何模型的建立根據(jù)現(xiàn)場實際情況建立了順層抽采鉆孔的二維模型,包括水平與豎直走向的切面模型,并進行網(wǎng)格劃分,水平走向的橫切面模型其中煤儲層沿鉆口方向距離設置為120m,煤儲層寬50m,鉆孔長60m,鉆孔在煤層中間位置,封孔深度為10m,共劃分了14410個網(wǎng)格,其中對鉆孔加密部分5140個網(wǎng)格。煤壁切面的數(shù)值模型的大小為20×3〔長×寬,鉆孔孔徑分別設置為75mm、95mm、110mm,共劃分了2796個網(wǎng)格,其中對鉆孔加密部分為876個網(wǎng)格。通過模型建立與網(wǎng)格劃分后的二維模型圖,如3-2所示。整個模型區(qū)域采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,由于鉆孔周圍壓力梯度比較大,對此處網(wǎng)格進行了加密。圖3-2數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分圖3.2模擬參數(shù)設置3.2.1模型基礎參數(shù)設置根據(jù)實驗要求,將煤層設置為多孔介質(zhì)滲流邊界,模型應用于層流條件下的計算,瓦斯在煤層中的滲流模型選擇多孔介質(zhì),分組進行五種不同條件下的模擬實驗,條件參數(shù)設置如下：抽采時間分別為〔2d、4d、10d、20d、50d鉆孔抽采負壓分別為〔-8KPa、-15KPa、-30KPa煤層滲透率分別為〔、、單位：m2鉆孔直徑分別為〔75mm、95mm、110mm煤層原始瓦斯壓力分別為〔2MPa、2.5MPa、3MPa3.2.2模型邊界設置將上面得到的網(wǎng)格模型〔圖3-2導出,采用FLUENT進行解算。假設氣體為理想氣體,加入能量方程；由于煤層中瓦斯流速很小,設為層流；氣體流動采用標準的模型,煤體采用多孔介質(zhì)模型；由于抽采與時間有關(guān),流體設為非穩(wěn)態(tài)流；通過不同抽采時間、改變煤層抽采負壓、滲透率、鉆孔直徑等參數(shù),來模擬不同參數(shù)下流場抽采規(guī)律,在對進口邊界進行初始化后,進行數(shù)值解算。3.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析3.3.1抽采時間的影響圖3-3～3-7是在煤層滲透率為2.22×10-17m2,鉆孔直徑75mm,瓦斯壓力2MPa及抽采負壓-8KPa情況下,不同抽采時間〔2d、4d、10d、20d、50d階段煤層壓力分布。圖3-3抽采時間為2d時的瓦斯壓力分布圖3-4抽采時間為4d時的瓦斯壓力分布圖3-5抽采時間為10d時的瓦斯壓力分布圖3-6抽采時間為20d時的瓦斯壓力分布圖3-7抽采時間為50d時的瓦斯壓力分布鉆孔抽采瓦斯時,煤體中的某點瓦斯壓力與抽采負壓的壓差超過滲流啟動壓力時,瓦斯開始向鉆孔流動,吸附瓦斯解吸為游離瓦斯補充流走的瓦斯,同時更遠處的瓦斯也緩慢的向該點擴散。從鉆孔邊緣至煤體瓦斯壓力梯度為0處,就是鉆孔抽采瓦斯的影響范圍。影響范圍額定大小主要由煤體透氣性決定,隨抽采時間的延長向外延伸,并存在一個極限影響范圍。影響范圍內(nèi)達到消除煤與瓦斯突出危險性的區(qū)域認為有效,由此可確定有效抽采半徑。相關(guān)規(guī)定對消突指標的確定不一致,《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》認為殘余瓦斯壓力小于0.74Mpa或殘余瓦斯含量小于8m3/t為突出危險區(qū)?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定以預抽率大于30%為指標。本次數(shù)值模擬選擇抽采率大于30%為評價指標,煤層瓦斯壓力下降30%的等壓線位置距離鉆孔中心線的距離即為鉆孔瓦斯抽采半徑。從圖3-3、3-4、3-5、3-6、3-7可以看出,隨著抽采時間的增加,抽采影響區(qū)域逐漸增加。鉆孔附近的瓦斯壓力衰減范圍逐漸向鉆孔兩幫,煤層深部延伸；沿y軸方向瓦斯壓力則沿垂直煤壁向煤層深部呈逐漸衰減趨勢。圖3-8抽采2d時鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線圖3-9抽采10d時鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線圖3-10抽采50d時鉆孔徑向壓力分布曲線圖3-8至3-10是不同抽采時間下〔2d、10d、50d,不同孔深〔橫坐標分別為x=30m、x=60m、x=80m處鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線。由圖可知,隨著抽采時間延長,鉆孔深部〔x=80m附近煤層瓦斯壓力基本無變化；x=60m與x=30m處鉆孔徑向壓力變化規(guī)律一致,都呈衰減趨勢,且50d時的抽采影響范圍明顯大于抽采2d與10d的范圍。圖3-10可知,當抽采50d后有效抽采半徑為3.8m,抽采影響半徑為19m。圖3-8是煤層滲透率為2.22×10-17m2,抽采負壓-8KPa條件下,抽采2d時,沿y軸方向分別為x=30m、x=60m、x=80m處鉆孔瓦斯壓力分布狀況,從圖中可以明顯看出,在x=80處,由于不在鉆孔的抽采卸壓范圍之內(nèi),瓦斯壓力值等于煤層原始瓦斯壓力。x=60處〔即鉆孔末端位置,瓦斯壓力最低衰減至1.77MPa,相比原始煤層瓦斯壓力衰減了11.5%。x=30m處〔距離鉆孔末端30m位置,瓦斯壓力變化最大,最低衰減至1.55MPa,在原基礎上衰減了22.5%。由此可知,鉆孔周圍瓦斯衰減規(guī)律為：隨著抽采時間的增加,沿鉆孔徑向向鉆孔兩幫深部延伸,且越靠近鉆孔,瓦斯壓力衰減越快,沿煤巷〔鉆口兩側(cè)煤幫,受鉆孔瓦斯徑向滲流作用、鉆孔抽采時間影響,向煤儲層深部延伸,且越靠近鉆孔衰減區(qū)域逐漸擴大,衰減速度越快。圖3-11抽采4d時鉆孔徑向瓦斯壓力分布曲線圖3-11是煤層滲透率為2.22×10-17m2,抽采負壓-8KPa條件下,抽采4d時,沿x方向分別為y=27m、y=30m、y=35m處〔即距鉆孔中線線徑向距離分別為2m、5m、10m瓦斯壓力分布狀況。分析圖可知,徑向距離2m處瓦斯壓力最早出現(xiàn)下降,其次是y=30m與y=35m區(qū)域,且y=27m區(qū)域瓦斯壓力下降幅度大于y=30m、y=35m處區(qū)域。這也符合了鉆孔周圍瓦斯?jié)B流的基本規(guī)律,即在鉆孔周圍卸壓區(qū)內(nèi),由于鉆孔施工,使煤層地應力卸載,煤層透氣性升高,促使瓦斯流動的趨勢加強,但孔周圍瓦斯的流動并不受卸壓半徑的限制,當瓦斯流場到達卸壓區(qū)邊界時會向卸壓區(qū)外擴展,只是在卸壓區(qū)外的流動趨勢和流場的擴展速度大為減弱,減弱的程度與原始煤層瓦斯參數(shù)有關(guān)。3.3.2抽采負壓的影響構(gòu)建了三種抽采負壓下〔-8KPa、-15KPa、-30KPa,鉆孔周圍煤體瓦斯?jié)B流模型,得出不同抽采負壓下鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布見圖3-12~3-14。圖3-12負壓為-8KPa抽采50d時的瓦斯壓力分布圖3-13負壓為-15KP抽采50d時的瓦斯壓力分布圖3-14負壓為-30KPa抽采50d時的瓦斯壓力分布圖3-15是煤層滲透率為2.22×10-17m2時,不同抽采負壓下鉆孔抽采量隨抽采時間變化規(guī)律,可以看出,鉆孔瓦斯抽采量隨抽采時間增加呈下降趨勢,且抽采負壓越大,瓦斯抽出量越大,但抽采流量增幅不高。受管路及鉆孔密封性的影響,且對抽采設備的要求也有所提高,因而現(xiàn)場提高抽采負壓會受到一定限制,想把抽采負壓提高很多是比較困難的。因此應根據(jù)抽采情況選擇合理的抽采負壓,根據(jù)模擬結(jié)果及相關(guān)規(guī)定,鉆孔的抽采負壓應保持在-15~30kPa。圖3-15抽采負壓對瓦斯抽采量的影響3.3.3煤層滲透率的影響根據(jù)煤層滲透率與垂向應力〔埋深關(guān)系可知,主煤儲層滲透率具有隨埋深加大呈指數(shù)減小、隨煤儲層壓力增大而減小的趨勢。滲透率在相似埋深條件下的變化可高達一個數(shù)量級。因此,本次模擬對煤層滲透率的影響研究根據(jù)礦井實際情況選擇在10-15~10-19數(shù)量級之間。構(gòu)建了三種煤層滲透率條件下,抽采鉆孔周圍煤體瓦斯?jié)B流模型,鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布見圖3-16~3-18。圖3-16煤層滲透率為2.22×10-15m2時瓦斯壓力分布圖3-17煤層滲透率為2.22×10-17m2時瓦斯壓力分布圖3-18煤層滲透率為2.22×10-19m2時瓦斯壓力分布圖3-19抽采10d鉆孔深度30m處不同滲透率條件下鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線圖3-19是抽采10天時在不同滲透率條件下鉆孔深度30m處煤層瓦斯壓力分布圖。從圖中可以看出,當煤層滲透率為2.22×10-15m2時,鉆孔周圍瓦斯壓力下降梯度比較明顯,影響瓦斯壓力下降的區(qū)域較大；當煤層滲透率為2.22×10-17m2時,煤層滲透率較小,負壓帶集中在鉆孔附近,因此,鉆孔附近瓦斯壓力下降幅度最大。由數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論,當抽采率大于30%時,抽采10d時的抽采影響半徑在20m以上,遠遠大于煤層滲透率分別為2.22×10-17與2.22×10-19時的抽采影響半徑。由此可以得到,原始煤層滲透率越大,瓦斯抽采半徑越大,抽采效果越好。3.3.4鉆孔孔徑的影響根據(jù)2.3.3節(jié)的理論分析可知,鉆孔直徑對瓦斯抽采效果的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是增大鉆孔直徑相應增大了與煤體的接觸面積；二是增大鉆孔直徑導致鉆孔周圍煤體的卸壓圈增大,因而對瓦斯抽采產(chǎn)生一定的影響,但影響是有限的。本節(jié)構(gòu)建了三種孔徑條件下〔孔徑分別為75mm、95mm、110mm,抽采鉆孔周圍煤體瓦斯?jié)B流模型,鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布見圖3-20~3-22。圖3-20鉆孔孔徑75mm抽采10d的瓦斯壓力分布圖3-21鉆孔孔徑95mm抽采10d的瓦斯壓力分布圖3-22鉆孔孔徑110mm抽采10d的瓦斯壓力分布由圖3-20~3-22及圖2-2分析可知,鉆孔孔徑對鉆孔瓦斯抽采半徑有影響,當抽采時間一定時,孔徑越大的,鉆孔周圍煤體卸壓越明顯,瓦斯抽采量相對提高,鉆孔周圍煤體瓦斯壓力下降加快,但瓦斯壓力下降幅度遠小于鉆孔孔徑增加幅度。現(xiàn)場實踐表明,鉆孔孔徑也不是越大越好,因受施工難度及封孔質(zhì)量影響,過度增加孔徑會影響瓦斯抽采效果。XX礦區(qū)多年抽采經(jīng)驗表明,選用75mm~110mm的鉆孔孔徑較為合適。..4瓦斯抽排半徑測定方法有效抽排半徑測定方法主要分為理論計算和現(xiàn)場測定兩類。因不同礦區(qū)煤層、地質(zhì)、瓦斯及抽采工藝各異,鉆孔瓦斯抽排半徑不同,理論計算往往需要現(xiàn)場測定諸多煤層及瓦斯參數(shù),受參數(shù)測試準確性影響造成計算結(jié)果偏差較大,無法指導鉆孔設計。而現(xiàn)場直接測定鉆孔瓦斯抽排半徑,測試結(jié)果相對準確可直接指導鉆孔設計。因此,本章主要介紹本次穿層、順層鉆孔抽采半徑和煤巷掘進工作面淺孔排放半徑的測試方法,即：針對傳統(tǒng)方法測試穿層抽采半徑存在的缺陷,制定出以相對瓦斯壓力為觀測指標,以實際煤層賦存狀況進行三維制圖的圓周布孔法來測定穿層鉆孔抽采半徑；采用流量法測試順層鉆孔瓦斯抽采半徑及煤巷掘進工作面淺孔瓦斯排放半徑。4.1穿層鉆孔抽采半徑測試方法采用鉆孔測試法測定穿層鉆孔抽采半徑主要有兩種,都是采用相對瓦斯壓力作為觀測指標,按布孔方式不同分為平行鉆孔布置法和終孔圓周布置法。4.1.1平行鉆孔布置法鉆孔平行布置法具體實施步驟如下：①選擇合適的地點〔在巖石巷道中,煤層為原始狀態(tài),煤層頂?shù)装逋暾蛎簩邮┕ひ慌艤y壓考察鉆孔,如圖4-l所示；②測壓鉆孔施工完畢后,立即封孔測定該地點煤層原始瓦斯壓力；③待各考察孔壓力穩(wěn)定后,在2#考察孔另一側(cè)施工待考察抽采鉆孔,為1號孔。1號孔施工完畢后,封孔進行抽采。④以負壓抽采第一天作為觀測第一天,每天觀察記錄各考察孔的瓦斯壓力值。如果n<n=2、3…n>號考察孔以及n號考察孔之前的測壓考察鉆孔的壓力均小于預抽瓦斯有效性指標〔壓力值P,而n號孔之后的考察孔的壓力大于P,令d=d1+d2+…+dn,則d即為抽采鉆孔的有效抽采半徑。圖4-1穿層測試鉆孔平行布置示意圖4.1.2終孔圓周布置法終孔圓周布置方式是在鉆孔平行布置方法的基礎上對鉆孔終孔布置方位作了優(yōu)化,由于平行布置對打鉆質(zhì)量要求很高,很容易造成測試結(jié)果偏差,而圓周布置則將打鉆集中在一個相對較小的區(qū)域進行,減輕了人力物力,重點則偏向于鉆孔設計,與真實結(jié)果基本無偏差,其中具體實施步驟如下：①選擇合適的地點〔最好選擇在底板巖巷中,煤層為原始狀態(tài),煤層頂?shù)装逋暾蛎簩邮┕?shù)個穿過煤層全厚的測壓鉆孔,1#抽采孔到2#、3#、4#…n#觀測孔的距離依次增加。②測壓鉆孔施工完畢后,立即封孔測定該地點煤層原始瓦斯壓力。③待各測壓孔壓力穩(wěn)定后,在鉆場或巷幫位置施工一穿層抽采鉆孔,作為1號孔,其終孔位置位于考察鉆孔所在圓的中心。待鉆孔施工完畢后,封孔進行抽采。④以開始負壓抽采第一天作為觀測第一天,每天觀察并記錄各測壓孔的瓦斯壓力值。如果n<n=2、3…n>號測壓孔以及n號測壓孔之前的測壓孔的壓力均小于預抽瓦斯有效性指標〔壓力值P,而n號孔之后的測壓孔的壓力大于P,n號孔與1號孔的煤層終孔點間距即為抽采鉆孔的有效抽采半徑。圖4-2、4-3分別為穿層鉆孔開孔和終孔圓周布置三維示意圖與測試地點巷道與煤層層位三維示意圖。圖4-2穿層鉆孔終孔圓周布置三維示意圖圖4-3穿層鉆孔測定煤層抽采半徑三維示意圖相對于平行鉆孔布置法,終孔圓周布置法具有以下優(yōu)點：①終孔圓周布置法開孔位置相對集中,可在一個鉆場內(nèi)完成所有考察鉆孔,而平行布孔法,鉆孔需要平行布置,開孔位置所占用空間較大；②終孔圓周布置法,鉆孔分別施工至不同方向,考察孔之間相互影響較小,瓦斯壓力穩(wěn)定較快,平行孔受施工條件限制,鉆孔都沿同一方位施工,若有誤差,造成鉆孔見影響較大,孔底間距誤差相對較大；③終孔圓周布置法是沿鉆孔環(huán)向布孔,較平行徑向布孔減小了煤層各項異性對瓦斯抽采半徑測試結(jié)果的影響,測試精度更高；綜合以上分析,課題組選擇終孔圓周布置法測定XX礦區(qū)穿層鉆孔瓦斯抽采半徑。4.2順層鉆孔抽采半徑測試方法4.2.1測試原理順層鉆孔瓦斯抽采半徑常用測定方法包括：壓降法、計算機模擬法、氣體示蹤法和鉆孔流量法等。由于本煤層瓦斯壓力測試難度較大,故采用鉆孔流量法測定順層鉆孔瓦斯抽采半徑。其原理是：自然排放情況下,鉆孔瓦斯流量衰減一般隨時間呈指數(shù)形式改變,因此鉆孔瓦斯涌出初速度和鉆孔瓦斯?jié)舛榷伎梢宰鳛殂@孔瓦斯抽采半徑測定的考察指標,鉆孔瓦斯涌出初速度q作為一種反映煤的物理力學性質(zhì)、地應力和瓦斯壓力的綜合指標,其大小受到煤層瓦斯壓力、應力狀態(tài)、煤層滲透率、煤的瓦斯放散特性、煤厚及巷道推進速度等條件限制。在實際操作過程中可以根據(jù)現(xiàn)場條件選擇其中一種指標作為抽采半徑考察標準。瓦斯抽采過程會造成影響區(qū)域煤層瓦斯壓力、瓦斯含量下降,在觀測時間內(nèi),各觀測鉆孔的q值每5天衰減率n達到或超過10%連續(xù)4次以上的就認定該鉆孔在抽采鉆孔的有效抽采影響范圍內(nèi)。4.2.2測試方法鉆孔瓦斯抽采半徑流量法測試步驟如下：①在沒有進行過抽采作業(yè)的工作面進風巷或回風巷〔掘進巷道新鮮暴露煤壁處間隔一定距離依次施工若干個測試鉆孔,鉆孔互相平行垂直于煤壁,且均布置在煤層中部；②采用聚氨酯封孔,觀測孔封孔時預先在孔內(nèi)鋪設4分鐵管,露出孔外的4分鐵管接鋼球閥,鋼球閥再接變接,利用膠管連接流量計,測量流量時打開鋼球閥,測量結(jié)束后關(guān)閉鋼球閥。待封孔材料固定后,測定并記錄各考察孔流量變化規(guī)律,每天記錄一次,鉆孔布置及連接方式見圖4-4；③測試若干天后,施工1個抽采孔布置在靠邊一側(cè)的考察孔一定距離處,將抽采孔與抽采管路并接抽采；④抽采孔實施抽采后,繼續(xù)測定觀察孔孔內(nèi)瓦斯?jié)舛?、瓦斯涌出初速度變?將各觀察孔不同抽采時間的瓦斯?jié)舛?、瓦斯涌出初速度隨抽采時間變化繪制成曲線；⑤根據(jù)各考察孔瓦斯流量衰減規(guī)律,分析并確定鉆孔有效抽采半徑。圖4-4流量法測順層鉆孔抽采半徑方案1鉆孔布置圖采用流量法測定順層鉆孔抽采半徑方案2測試示意圖見圖4-5,該方法需將鉆孔布置在煤巷新暴露面,具體測試步驟如下：=1\*GB3①新煤巷掘進巷道中,在切眼位置沿煤層走向施工一個鉆孔〔1號作為被考察的抽采鉆孔,鉆孔長53.2m,直徑75mm,封孔材料選用聚氨酯,定時觀測抽采鉆孔瓦斯抽采參數(shù)；②在回風巷垂直于1號抽采孔位置施工幾個考察鉆孔,間隔逐漸增大,且與1號孔垂距逐漸增大,垂距在2~6m之間；③采用聚氨酯封孔,觀測孔封孔時預先在孔內(nèi)鋪設4分鐵管,露出孔外的4分鐵管接鋼球閥,鋼球閥再接變接,利用膠管連接流量計,測量流量時打開鋼球閥,測量結(jié)束后關(guān)閉鋼球閥。待封孔材料固定后,測定并記錄各考察孔流量及瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律,每天記錄一次；④將各考察孔在不同抽采時間下的瓦斯流量、瓦斯?jié)舛入S抽采時間變化規(guī)律繪制成曲線,分析處理數(shù)據(jù),最終得到順層鉆孔瓦斯抽采半徑。圖4-5流量法測順層鉆孔抽采半徑方案2鉆孔布置圖4.3煤巷掘進工作面淺孔排放半徑測試方法因煤層較厚,煤層瓦斯含量較高,煤巷掘進過程中瓦斯涌出量較高,常造成瓦斯超限,限制煤巷掘進速度,影響礦井安全生產(chǎn)。掘進工作面淺孔排放作為局部防突措施,廣泛應用于XX礦區(qū)掘進工作面瓦斯治理工作中,為了達到有效排放瓦斯降低掘進工作面瓦斯涌出的目的,需科學的設計施工排放鉆孔,尤其是確定排放鉆孔的施工間距,因此需研究確定XX礦區(qū)煤巷掘進工作面鉆孔排放半徑。本課題采用瓦斯流量法測定測定煤巷掘進工作面淺孔排放半徑,該方法鉆孔布置見圖4-6。其測定步驟如下：圖4-6排放鉆孔排放半徑測定鉆孔布置示意圖①沿工作面軟分層施工3～5個相互平行的測量孔,孔徑42mm,孔長5～7m。間距0.3～0.5m。②對各測量孔進行封孔,封孔長度不得小于2m,測量室長度為1m。③鉆孔密封后,立即測量鉆孔瓦斯流量,并每隔10min測定一次,每一測量孔測定次數(shù)不得少于5次。④在距最近的測量孔邊緣0.5m處,施工一平行于測量孔的瓦斯排放鉆孔〔見圖4-6,其直徑等于待考察排放鉆孔的直徑,鉆孔施工過程中記錄孔長、時間和各考察鉆孔瓦斯流量的變化。⑤排放鉆孔施工完畢后,每隔l0min測定一次各考察鉆孔的流量。⑥排放鉆孔施工完成后的2h內(nèi),測定并繪制各測量孔瓦斯流量變化曲線。⑦如果連續(xù)三次測定流量孔的瓦斯流量都比施工排放鉆孔前增高10％,即表明該測量孔處于排放鉆孔的有效半徑之內(nèi)。符合本項中的上述測量孔距排放鉆孔最遠距離即為排放鉆孔的有效排放半徑。..5瓦斯抽排半徑現(xiàn)場測試及結(jié)果分析第四章介紹了瓦斯抽排半徑現(xiàn)場測定方法。本章根據(jù)各種測試方法,結(jié)合XX礦區(qū)瓦斯抽采情況,選擇三個典型突出礦井〔蘆嶺煤礦、祁南煤礦、楊柳煤礦,現(xiàn)場實測各礦井主采突出煤層穿層鉆孔瓦斯抽采半徑、順層鉆孔瓦斯抽采半徑及煤巷掘進工作面淺孔瓦斯排放半徑。通過測試結(jié)果分析,得出各主采煤層有效瓦斯抽排半徑〔蘆嶺煤礦8煤穿層鉆孔抽采瓦斯半徑、楊柳煤礦10煤穿層鉆孔瓦斯抽采半徑、祁南煤礦7煤穿層鉆孔瓦斯抽采半徑、祁南煤礦7煤順層鉆孔瓦斯抽采半徑、祁南煤礦7煤掘進工作面鉆孔瓦斯排放半徑,為礦井抽采鉆孔設計提供理論指導。5.1蘆嶺礦穿層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析5.1.1測試地點概況蘆嶺煤礦8煤賦存比較穩(wěn)定,平均厚度8m~9m,為特厚極松軟煤層,傾角6~15度之間,頂?shù)装寰鶠樯百|(zhì)泥巖。715工作面為81采區(qū)左翼第三個階段,其上部與713工作面相鄰,該面已形成系統(tǒng),尚未回采；下部以工業(yè)廣場保護煤柱為界；右側(cè)以大巷保護煤柱為界；左側(cè)以F3斷層保護煤柱為邊界。工作面標高-518~-545,工作面走向長752m,傾斜長160m,面積120320m2?？紤]到抽采有效半徑由抽采時間和抽采負壓等因素決定,8、9煤層為突出危險煤層,所以推測鉆孔的有效抽采范圍較大。根據(jù)蘆嶺煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀,將觀測鉆孔與抽采鉆孔的終孔間距設計為2m、4m、6m、8m,實際終孔間距根據(jù)鉆孔施工情況進行調(diào)整。圖5-1為蘆嶺礦=2\*ROMANII8211底板抽采巷示意圖。圖5-1蘆嶺煤礦=2\*ROMANII8211底板抽采巷示意圖5.1.2鉆孔施工參數(shù)及鉆孔間距的確定在II8211抽采巷9#鉆場巷幫巖壁依次施工2~5號鉆孔,待所有鉆孔瓦斯壓力穩(wěn)定后施工抽采鉆孔,5個鉆孔施工參數(shù)見表5-1,鉆孔開鉆位置設計斷面見圖5-2。表5-1鉆孔施工參數(shù)表鉆孔編號鉆孔施工參數(shù)封孔深度/m傾角/°與巷中夾角/°長度/m1#+28036282#+18左1038303#+20右839314#+30右633265#+32左103325圖5-2穿層鉆孔開鉆位置設計斷面示意圖由于施工穿層鉆孔要保證鉆孔在煤層待考察平剖面上呈圓周狀,且符合設計要求,鉆孔終孔間距在實際操作中較難確定,考慮到8煤層平均厚度8~9m,煤層較厚,鉆孔實際施工結(jié)果與理論設計存在一定的差異。因此,通過現(xiàn)場鉆孔施工參數(shù)經(jīng)反算驗證鉆孔終孔間距是否符合考查要求,并得出各考察鉆孔至抽采孔的真實間距。表5-2為Ⅱ8211-9#鉆場瓦斯抽采半徑考察鉆孔的詳細施工參數(shù)。經(jīng)驗證,在見煤點、終孔點及穿煤中點考察鉆孔與抽采鉆孔的距離,能夠滿足考查要求；考慮較大安全系數(shù),以見煤點處考察鉆孔與抽采鉆孔的距離作為此次考察的終孔間距。表5-2Ⅱ8211-9#鉆場瓦斯抽采半徑考察鉆孔施工參數(shù)孔號方位角/°傾角/°巖石煤巖石煤頂板累深1#02813.543.5132362#左10181644131383#右82016.54.5313.51.5394#右630123.53.5113335#左103212.53.53.5112.533在II8211抽采巷9#鉆場利用壓降法對鉆孔進行抽采影響半徑測試,以見煤點處觀測鉆孔與抽采鉆孔距離作為此次抽采半徑考察的間距,鉆孔在見煤點處終孔間距及位置關(guān)系見圖5-3,見煤點、終孔點及穿煤中點處考察鉆孔與抽采鉆孔的實際間距見表5-3。圖5-3穿層鉆孔抽采半徑考察8煤見煤點終孔間距及位置關(guān)系示意圖表5-31#鉆孔距各鉆孔〔見煤點/終孔點/中點距離孔號見煤點/m終孔點/m中點/m4#3.275.394.35#4.356.925.63#5.928.167.012#6.979.738.335.1.3有效抽采半徑確定依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》在第一百九十條中指出：在對煤層瓦斯實施預抽后,必須對預抽瓦斯防治突出效果進行檢驗,其檢驗的指標之一是煤層瓦斯預抽率大于30%,即抽采后的瓦斯含量小于抽采前的30%以上。在允許存在工業(yè)應用誤差的條件下,煤層瓦斯壓力和瓦斯含量計算可以用拋物線關(guān)系表示。預抽率、殘余瓦斯壓力與殘余瓦斯含量的關(guān)系如式5-1,即:<5-1>式中：表示瓦斯預抽率,單位；表示殘余瓦斯壓力,單位；表示原始瓦斯壓力,單位；表示殘余瓦斯含量,單位；表示原始瓦斯含量,單位；表示煤層瓦斯含量系數(shù),單位。如按相對瓦斯壓力指標測試抽采半徑,具體考察標準為：由于瓦斯在鉆孔負壓下有規(guī)律地排放,故瓦斯涌出量相應為含量的減小量,當排放就表示測壓孔位于鉆孔的抽采影響區(qū)域內(nèi)。瓦斯含量與瓦斯壓力抽采前后下降比例符合拋物線關(guān)系,如果煤層預抽率為30%,即殘余瓦斯含量為原始瓦斯含量的70%,預抽率增加10%,則瓦斯壓力相應的降低19%。通過計算知此時殘余瓦斯壓力為原始瓦斯壓力值的49%,瓦斯壓力下降量為51%?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》要求殘余瓦斯壓力小于0.74MPa或殘余瓦斯含量小于8m3/t為無突出危險區(qū),因煤層瓦斯含量測定操作復雜,測定結(jié)果易受影響且不能快速、直接獲取,所以現(xiàn)場測定時,取殘余瓦斯壓力小于0.74MPa作為消突指標,因本次XX礦區(qū)瓦斯抽采半徑測定主要針對突出煤層的穿層預抽鉆孔,因此瓦斯有效抽采半徑的確定依據(jù)主要以殘余瓦斯壓力為主。5.1.4測試結(jié)果及分析II8211抽采巷9#鉆場布置4個壓力考察鉆孔,自4月9日四個鉆孔壓力全部穩(wěn)定后,施工預抽鉆孔并連接抽采管網(wǎng)實施連續(xù)抽采,20XX3月26日至20XX3月31日對四個壓力考察孔進行了為期12個月的瓦斯壓力數(shù)據(jù)觀測,瓦斯壓力觀測數(shù)據(jù)見表5-4。表5-4瓦斯壓力測定記錄表礦井：蘆嶺礦地點：II8211抽采巷9#鉆場煤層名稱：8煤煤層傾角：18°鉆孔編號時間2#〔6.97m3#<5.92m>4#<3.27m>5#<4.35m>3.260.423.270.361.050.343.280.260.821.690.683.290.681.241.961.153.300.851.522.031.363.310.981.862.081.434.11.052.152.121.524.21.152.262.141.594.31.182.322.141.654.41.202.382.151.684.51.202.452.151.694.61.202.482.151.694.71.202.502.151.704.81.202.502.151.704.9〔負壓抽采1.202.502.151.704.101.202.502.151.704.111.202.502.151.704.121.202.502.131.704.131.202.492.121.704.141.202.452.081.704.151.202.352.051.684.161.202.382.031.654.171.202.361.951.634.181.202.351.971.604.191.202.331.891.604.201.202.321.921.534.211.202.321.961.524.221.202.211.881.524.231.202.281.821.564.241.202.261.781.534.251.202.251.761.524.261.202.241.801.514.271.202.351.791.514.291.202.201.761.505.21.202.211.741.505.41.202.181.701.555.71.202.181.681.525.101.202.161.651.505.141.202.101.641.505.181.202.051.621.505.221.202.101.601.505.241.202.001.601.505.281.201.961.601.506.21.121.931.581.456.81.081.861.521.386.121.151.921.491.426.171.081.831.551.376.211.051.791.481.326.261.021.751.421.286.301.051.821.391.357.41.131.751.351.287.91.051.731.361.257.131.001.651.281.237.161.001.711.261.197.201.051.681.321.167.251.021.651.231.147.311.001.651.251.148.40.971.621.211.128.90.951.581.181.088.130.951.521.181.058.180.921.541.131.128.251.031.521.081.098.310.941.471.121.069.40.891.451.051.039.60.871.431.031.029.110.871.401.031.009.150.841.400.981.009.200.831.400.950.989.250.831.400.930.9810.70.921.350.930.9610.200.811.430.910.9510.310.791.340.880.9211.100.751.320.860.9211.190.731.350.850.8811.290.691.280.850.8312.80.681.250.80.8212.170.651.220.800.8012.310.621.180.750.791.100.611.160.750.761.210.591.130.710.731.310.591.130.680.712.100.581.090.650.662.190.531.060.610.613.10.521.040.580.583.120.501.030.530.553.250.481.030.520.513.310.481.020.510.50經(jīng)鉆孔抽采后,2~5號測試孔壓力變化曲線見圖5-4。圖5-6為各鉆孔瓦斯壓力衰減率隨時間變化曲線。圖5-4觀測孔瓦斯壓力變化曲線圖將各觀測鉆孔的瓦斯壓力隨時間變化規(guī)律繪制成曲面如圖5-5所示。圖5-59#鉆場各觀測鉆孔瓦斯壓力隨抽采時間變化規(guī)律由圖5-4、5-5可知：在鉆孔抽采之前,四個觀測鉆孔的瓦斯壓力值均有一定程度升高,然后趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定后瓦斯壓力分別為2#孔為1.20Mpa、3#孔為2.50Mpa、4#孔為2.15Mpa、5#孔為1.70Mpa,3#、4#、5#鉆孔瓦斯壓力均高于離抽采鉆孔最遠的2#鉆孔的瓦斯壓力值。各鉆孔瓦斯壓力穩(wěn)定后,抽采鉆孔施工封孔并連接抽采管路,進行瓦斯抽采。抽采初期2#鉆孔瓦斯壓力基本無變化,3#、4#、5#鉆孔瓦斯壓力均出現(xiàn)了不同程度的降低。從圖5-4可以看出,抽采中后期,最遠處2#鉆孔瓦斯壓力也出現(xiàn)了降低,其他三個鉆孔瓦斯壓力則呈加速下降趨勢。至考察結(jié)束,2#鉆孔瓦斯壓力由平衡狀態(tài)的1.2MPa下降至0.48MPa；3#孔從壓力穩(wěn)定時2.5MPa下降至1.02MPa；4#孔從壓力穩(wěn)定時的2.15MPa逐漸降低到0.51MPa,這也是所有鉆孔在整個抽采階段的最大單邊下降幅度；5#孔從壓力穩(wěn)定時1.7MPa下降至0.5MPa。圖5-6各鉆孔瓦斯壓力衰減率隨時間變化曲線由圖5-4四個壓力考察孔的壓力變化趨勢分析可知：〔12#壓力測試孔的壓力在預抽前一直呈現(xiàn)遞增趨勢,直至壓力穩(wěn)定。對預抽孔進行抽采后直至6月初才出現(xiàn)衰減趨勢,在抽采區(qū)間內(nèi),瓦斯壓力衰減率為穩(wěn)定壓力時的60%?！?3#壓力測試孔的壓力在預抽孔抽采后第五天開始出現(xiàn)略微下降,然后出現(xiàn)明顯下降趨勢,但總體下降趨勢不如2#、4#、5#孔明顯。3#鉆孔瓦斯壓力最終為1.02MPa>0.74MPa,因此認定3#測試孔不在鉆孔抽采有效半徑以內(nèi),而2#鉆孔盡管瓦斯壓力在有效抽采半徑以內(nèi),但2#鉆孔距離抽采鉆孔6.97m>3#鉆孔至抽采鉆孔的距離5.92m,因3#鉆孔不在瓦斯抽采有效半徑以內(nèi),則2#鉆孔也不在瓦斯抽采有效半徑以內(nèi)。〔34#壓力測試孔的壓力在預抽前后下降趨勢最明顯,從瓦斯壓力衰減率隨時間變化曲線圖可以看出,在4月22日至5月18日之間,只有4#測試孔的瓦斯壓力衰減率呈增長趨勢,而后出現(xiàn)了一定程度的下降,但衰減值仍高于其余三個鉆孔,8月中旬至9月下旬,衰減率又出現(xiàn)了較快增長。截止考察結(jié)束,4#孔從壓力穩(wěn)定時2.15MPa逐漸降低到0.51MPa<0.74MPa?？芍?#測試孔在抽采影響半徑以內(nèi)；瓦斯壓力下降至0.74MPa以下,達到了有效抽采半徑的范圍指標?！?5#壓力測試孔和2#、3#和4#孔一樣,預抽孔抽采第七天開始出現(xiàn)下降趨勢,從圖中可以看出,抽采結(jié)束后瓦斯壓力穩(wěn)定在0.50MPa<0.74MPa,已經(jīng)達到抽采半徑的有效范圍。由圖5-6分析可知,20XX5月中旬至7月中旬,5#孔瓦斯壓力衰減率呈遞增趨勢,最終高于3#與4#孔的衰減率,7月中旬至8月中旬瓦斯壓力衰減率呈遞減趨勢,8月中旬至9月下旬,衰減率又又出現(xiàn)了較快增長,呈遞增趨勢這與3#、4#孔瓦斯壓力衰減趨勢相似。根據(jù)以上分析可知,2#、3#孔均在瓦斯抽采有效半徑以外,而4#、5#孔均在瓦斯抽采有效半徑以內(nèi)。根據(jù)5.13節(jié)有效抽采半徑確定依據(jù),選擇有效抽采時間內(nèi)瓦斯壓力降低至0.74MPa時對應的鉆孔徑向距離作為有效抽采半徑,因此課題組選擇相同抽采時間內(nèi)不同位置處〔以考察鉆孔至抽采孔的徑向距離計算鉆孔殘余瓦斯壓力進行指數(shù)擬合,根據(jù)擬合公式得出0.74MPa時對應的鉆孔徑向距離作為有效抽采半徑。如圖5-7所示為抽采不同時間內(nèi)3#、4#、5#考察鉆孔殘余瓦斯壓力指數(shù)擬合結(jié)果,各抽采時間段瓦斯壓力降低至0.74MPa時對應的鉆孔徑向距離見表5-5。124天192天277天368天圖5-7各鉆孔瓦斯壓力衰減率隨時間變化曲線表5-5不同抽采時間瓦斯壓力降低至0.74MPa時對應的鉆孔徑向距離抽采時間/天瓦斯壓力降低至0.74MPa時對應的鉆孔徑向距離/m1241.901923.102774.153684.83根據(jù)瓦斯抽采有效半徑的確定指標,對比表5-5可知：當抽采時間為368d時,抽采有效半徑為4.83m,實測有效抽采半徑隨抽時間變化規(guī)律見圖5-8。圖5-8實測有效抽采半徑隨抽時間變化曲線5.1.5抽采后煤層消突效果采用底板巷區(qū)域預抽鉆孔預抽瓦斯進行消突過程中,鉆孔間距以方向網(wǎng)格布置,如圖5-9所示,已知鉆孔瓦斯有效抽采半徑為4.83m,若孔底間距為4.83×2=9.66m則存在瓦斯抽采盲區(qū)〔圖中A區(qū),為了將預抽煤層區(qū)域均處于瓦斯抽采有效半徑以內(nèi),則應按圖5-9〔b的布孔方式布置,則孔底間距應小于6.83m,鑒于圖中B區(qū)域為瓦斯抽采重疊區(qū),因此適當擴大孔底間距,確定為7m。ab圖5-9不同孔底間距控制范圍示意圖預抽消突效果可由殘余瓦斯壓力和預抽率檢驗。2~5號測壓孔預抽368d后的殘余瓦斯壓力分別為0.48MPa、1.02MPa、0.51MPa和0.5MPa；考察底板巷一鉆場內(nèi)的鉆孔90d的抽采純量如圖5-10所示,計算該鉆場影響范圍內(nèi)煤體瓦斯的預抽率。相關(guān)參數(shù)和計算結(jié)果如表5-6所示。該鉆場368d的預抽率為30.5%。殘余瓦斯壓力和預抽率的檢驗結(jié)果證明了按有效抽采半徑4.83m、鉆孔間距7m布置鉆孔,消突效果有效。表5-6預抽率計算參數(shù)及結(jié)果平均煤厚〔m原始瓦斯含量〔煤體密度〔影響范圍內(nèi)瓦斯儲量〔預抽瓦斯總量〔預抽率〔%8.517.31.45431841317230.5圖5-10考察底板巷鉆場鉆孔抽采純量隨時間變化曲線圖圖5-11運順掘進期間突出危險性指標1圖5-12運順掘進期間突出危險性指標2煤巷掘進期間對鉆孔預抽消突效果進行區(qū)域驗證,突出危險性指標分析如圖5-11、5-12所示。依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》瓦斯解吸指標K1臨界值0.5mL/<g.min1/2>,鉆屑量Smax的臨界值6kg/m。在巷道掘進360m過程中,瓦斯解吸指標K1最大值為0.27mL/<g.min1/2>,鉆屑量Smax為3.5kg/m,均遠小于防突規(guī)定的參考臨界值,且未出現(xiàn)過夾鉆、噴孔等突出預兆,證明了按有效抽采半徑4.83m、鉆孔間距7m布置鉆孔,消突效果有效。5.2楊柳礦穿層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析5.2.1測試地點概況楊柳礦1061工作面位于采區(qū)的西北部,總體為一向東傾斜的單斜構(gòu)造,地層走向為北西向,地層傾角4~12°；根據(jù)三維勘探資料,該區(qū)域內(nèi)三維勘探斷層發(fā)育3條。1061機抽巷位于10煤底板,距10煤法距21~30m,巖性以粉砂巖和細砂巖為主,巖巷道施工過程中揭露多條斷層,其中3條正斷層。10煤層賦存比較穩(wěn)定,平均煤厚m,傾角在0~5°之間。由于受煤層地質(zhì)條件和周圍開采擾動的影響,煤層參數(shù)在測試過程中瓦斯壓力浮動較大,所以壓力值與含量值難以實現(xiàn)連續(xù)、準確的測試,采用絕對瓦斯壓力和絕對瓦斯含量指標確定抽采半徑測試結(jié)果便不能保證。由于抽采孔抽采時,其周圍的壓力孔瓦斯壓力會隨之下降,因此,可以采用相對壓力作為參照指標使用。表5-8為測試地點1061機抽巷18#鉆場測壓考察孔的壓力值測定記錄。5.2.2鉆孔設計及施工參數(shù)將1061機抽巷作為本次測試的試驗地點,在巷幫巖壁依次施工2~5號測試孔,穿過煤層全厚且進入煤層頂板至少0.5m,孔底間距分別控制為2m、4m、6m、8m。待其壓力穩(wěn)定后施工一個抽采孔,鉆孔分布及鉆場斷面鉆孔布置方式見圖5-13所示,觀測孔封孔采用水泥砂漿封孔,抽采孔采用聚氨酯封孔,并記錄封孔開始和完成時間。圖5-131061機抽巷鉆孔布置示意圖待封孔材料凝