钻孔抽采半径测定研究报告

通过以上的研究工作，能够比较准确地测定与解算淮北矿区瓦斯抽采钻孔的抽采半径，可避免钻孔设计及施工的盲目性，提高瓦斯抽采效果及钻孔施工进度。对预抽煤层瓦斯防治突出具有十分重要的意义。
2钻孔周围煤体中瓦斯流动理论及影响因素
2.1 瓦斯在煤层中的流动状态
瓦斯在煤层中的流动是一个十分复杂的运移过程，主要取决于煤层介质的孔隙结构和瓦斯在煤层中的赋存状态。煤是一种多孔的微裂隙发育的介质，微裂隙间含有孔隙和大部份与微裂隙相连的毛细管通路，而孔隙和毛细管通路的数目是变化的，它们之间或多或少互有联系，其直径由几um，变化到几mm不等。
2.3.2 抽采负压
为使煤体瓦斯易于流向钻孔，传统的观点认为提高抽采负压可相应提高煤体中瓦斯流动的压力差，从而达到提高煤层瓦斯抽采率的目的。但是，从瓦斯在煤层中的运移情况来看，瓦斯能够在煤体内运移需要两个条件，即压力差和移动通道的存在。前者为瓦斯压力差，构成了瓦斯在煤体中运移的动力，后者则为煤体中存在的裂隙，构成了瓦斯在煤体中运移的通道。所以要增大瓦斯在煤体中的流量，一方面应加大压力差，另一方面应增大煤层的透气性，而提高抽采负压，对煤层中瓦斯压力差的增大是有限的（因为其极限值只能达到0.1Mpa，况且提高抽采负压对抽采设备的要求也有所提高，因而受到一定限制）。相关研究表明，提高负压对煤体透气性的提高也不大。因此，提高抽采负压对钻孔瓦斯涌出量影响不大，抚顺院在鹤壁六矿所做的实验也证实了这一观点，即提高抽采负压对钻孔瓦斯涌出量影响不大。但在瓦斯抽采过程中，应保障各类钻孔抽采负压符合《防治煤与瓦斯突出规定》中的要求。
2.3.3钻孔直径
钻孔直径对瓦斯抽采效果的影响主要表现在两个方面：一是增大钻孔直径相应增大了与煤体的接触面积；二是增大钻孔直径导致钻孔周围煤体的卸压圈增大，因而对瓦斯抽采产生一定的影响，如图2-2所示。但是，这都是有限的。相关理论研究表明，在钻孔抽采前期，孔径大的钻孔抽采瓦斯流量大；而钻孔抽采后期，孔径的大小对瓦斯抽采量影响不大，即可认为，在一定孔径范围内的钻孔，经过一定抽排时间后，不同孔径大小钻孔抽采的瓦斯量基本是相同的。因此，对于短期内需要加快抽排瓦斯的煤层，可适当加大钻孔直径以加快煤层中瓦斯的释放；反之对于长期抽采的煤层（如预抽煤层瓦斯），由于孔径大小对瓦斯抽采量的影响不大，为了减少工程量，节省费用和便于封孔，可采用孔径较小的钻孔进行抽采。抚顺院进行的现场预抽试验研究表明，直径为300mm的钻孔与直径为75mm的钻孔相比较，在抽采期内，大直径钻孔的瓦斯涌出量高于小直径钻孔的瓦斯涌出量；抽采时间相同时，钻孔直径越大，抽采率越高，但抽采率的增长幅度远比直径的增长幅度小，相反，施工难度却增加。一般情况下，结合我国的钻进技术及淮北矿区煤层瓦斯赋存情况，孔径在105~155mm之间较为理想。
瓦斯在煤层中主要是以吸附和游离状态赋存在煤体中，其中呈游离状态压缩在微裂隙和大孔隙中的较少，大部份为吸附在煤体中。根据煤体中的孔隙分布和煤层中的裂隙系统可知：瓦斯在煤层中的流动主要是层流渗透运动和扩散运动，其中前者基本上服从Darcy渗透定律，且主要发生在煤体大孔和微裂隙中，后者则基本上服从Fick扩散定律，且主要发生在煤体微孔隙之中。因此，瓦斯在煤体中的运动可以认为是一个扩散渗透的过程。
瓦斯抽排过程中，钻孔周围煤体中瓦斯压力分布不均匀，在煤层中就会形成一定的瓦斯流动范围，这一范围通常被称为流场。瓦斯流场按空间流向可以划分为三种形式：即球向流动、单向和径向流动。瓦斯在煤层由高瓦斯区域向低瓦斯区域运移，流向、流速和瓦斯压力梯度及瓦斯浓度都属于瓦斯的流动状态。
（1）单向流动
在三维空间内，只存在一个方向的流速，其余2个方向流速均为0。在矿井掘进过程中如沿煤层开掘巷道，平巷全部开切煤层，且巷道高度大于煤层厚度，则巷道两翼的瓦斯流动都沿着垂直于巷道的开掘方向，形成相互平行、且方向相同的流场，如图2-1（a）所示称为瓦斯单向流动。
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煤层渗透率主要通过煤层透气性系数表达，它对钻孔抽采半径及瓦斯抽采量影响较大，是影响瓦斯抽排钻孔抽排效果最重要的客观因素之一。往往渗透率大的煤层比渗透率小的煤层瓦斯压力及瓦斯流量随抽采时间降低得快。《矿井瓦斯抽放规范AQ1027》中以煤层透气性系数来评价煤层瓦斯抽采难易程度，从目前的技术条件来看，只有透气性好的煤层，其抽采效果才好，而提高煤层瓦斯抽采率的一个最主要的方面就是如何提高煤层的透气性。实验表明：煤体透气性变化的主要影响因素有地应力、瓦斯压力。
目前国内应用的钻孔瓦斯抽采半径的测试方法主要有钻孔测试法和计算机模拟法及二者相结合的方法。在有效性指标的确定上，钻孔测试法国内外采用的指标主要有以下三种：瓦斯压力指标、瓦斯含量指标、相对瓦斯压力指标。计算机模拟法主要应用的指标有含量指标和压力指标。国内大多数矿区抽采钻孔抽采半径为2.5-4m，多数矿井抽采半径根据经验得到，并没有进行现场实测，造成了抽采钻孔设计及施工的盲目性。因此，淮北矿区有必要现场考察抽采钻孔的抽采半径，为矿区抽采钻孔设计提供科学依据。
③根据国内外现有的穿层及顺层钻孔抽采半径测试方法，结合淮北矿区实际情况，优选出穿层及顺层钻孔抽采半径最佳测试方法，即:针对穿层钻孔抽采半径传统测试方法中存在的缺陷，制定出以相对瓦斯压力为观测指标，以实际煤层赋存状况进行三维制图的圆周布孔法来测定穿层钻孔抽采半径；采用流量法测试顺层钻孔瓦斯抽采半径。
④现场对淮北矿区三个典型突出矿井芦岭矿、祁南矿和杨柳矿穿（顺）层抽采半径进行了测定，对已有测定方法的缺陷进行了改进，优化了钻孔设计，用于指导现场抽采钻孔的设计及施工。
受淮北矿业股份有限公司通防处委托，中国矿业大学结合淮北矿区煤层瓦斯赋存状况，开展了淮北矿区钻孔抽采半径测定的研究。两年来具体研究工作如下：
①理论分析了影响瓦斯抽采钻孔抽采效果的因素，建立了钻孔瓦斯抽采流动模型；
②运用流体力学软件Fluent对瓦斯抽采钻孔在非稳态、单一抽采因素下的抽采流场规律进行了模拟研究，找出钻孔抽采影响因素对抽采半径及瓦斯抽采量的影响关系；
a.单向流b.径向流
图2-1 瓦斯流动示意图（1.流向、2.等压线、3.巷道）
（2）径向流动
在三维空间的2个方向存在分速度，另一个方向的分速度为0。比如矿井中的竖井、石门、及钻孔垂直穿透煤层时，煤壁内的瓦斯流动都属于径向流动，形成的流场为径向流场。如图2-1（b）所示为瓦斯径向流动。一般情况下，其等压力线与煤壁平行且呈近似同心圆形。
（3）球向流场
在三维空间内3个方向都存在分速度，例如在厚煤层矿井中，掘进煤巷的工作面煤壁内，石门或钻孔即将进入煤层时从中涌出的瓦斯流动基本上都属于球向流动。球向流动的特点在于：在煤体中形成类似同心球状的瓦斯压力等值线，流线则一般呈放射网状。
2.2抽排钻孔瓦斯径向流动模型
当钻孔垂直贯穿煤层时，煤层中将会形成同心圆状的瓦斯压力等值线，瓦斯将向钻孔流动，符合径向流理论。一般情况下，径向流动属于平面流动，其特征是在三维空间中有二向流动。由于煤层本身介质性质的变化不均，以及受矿井周围条件的影响，瓦斯在煤层中的流动也存在均质与非均质、稳定与非稳定的径向流。但从宏观上看，在一个较大的区域内，除断层、褶皱、煤层变厚变薄等地质构造带外，可以看作是均质的：煤层内的原始瓦斯压力在一定的区域内也可以看作是均匀的。因此，为使问题简化，按下列假设来建立抽排钻孔瓦斯径向流动模型。
（1）煤层顶底板透气性比煤层要小得多，因此，可以将煤层顶底板视为不透气岩层；
（2）煤层各向同性，透气系数及孔隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响，但在巷道及钻孔周围的卸压范围内增大；
（3）瓦斯可视为理想气体，瓦斯渗流过程按等温过程来处理；
（4）吸附瓦斯符合朗格缪尔方程，煤层中瓦斯解析在瞬间完成；
（5）瓦斯为理想气体，瓦斯在煤层中流动为层流渗透，且服从达西定律。
淮北矿区钻孔抽采半径测定
研 究 报 告
中国矿业大学安全工程学院
二○一二年八月
1前言
淮北矿区随着开采深度的增加，煤层瓦斯压力、含量相对增加，采掘工作面瓦斯涌出量也逐渐增加，严重制约着矿井的安全生产。预抽煤层瓦斯是大多数突出矿井采取的防突措施。目前淮北矿区瓦斯治理多采用穿层钻孔及顺层钻孔预抽煤层瓦斯措施以降低煤层瓦斯含量进而降低工作面瓦斯涌出量，达到治理瓦斯的目的。其中，有效抽采半径是该措施的一个重要参数，直接关系到预抽钻孔间距的设计，影响瓦斯抽采的效果。若抽采钻孔间距较大，易出现抽采盲区，达不到抽采效果，留下安全隐患；若抽采钻孔间距较小，则容易造成工期延长及工程量浪费。所以，比较准确地测定抽采钻孔的抽采半径，可避免设计及施工的盲目性，提高抽采效果及施工进度。对抽采瓦斯防治突出及瓦斯超限具有十分重要的意义。
⑤根据瓦斯流动连续性、瓦斯运动方程、煤层瓦斯含量方程及瓦斯状态方程，结合一维径向流场瓦斯流动初始及边界条件，采用VB编程，运用迭代算法解算瓦斯压力梯度微分方程，得出瓦斯抽采影响半径及有效半径。对比程序解算结果及现场实测结果，吻合度较高，并对解算程序进行了修正与完善，最终开发出适用与淮北矿区瓦斯抽采半径解算的应用程序。
2.3 瓦斯抽采效果影响因素
瓦斯抽采效果受多种因素影响，分析各影响因素对瓦斯抽采效果的影响机制，找出主要影响因素，有针对性的采取措施，可显著提高瓦斯抽采效果。
2.
随着抽采时间的增加，钻孔抽采总量增加，钻孔周围煤体瓦斯被不断抽出，抽采影响区域范围增大；大量实验及现场应用研究表明，抽采初期，钻孔瓦斯抽采浓度及流量较大；在抽采后期，抽采量不再增加或呈负指数规律逐渐减小。该规律表明，随着抽采时间的增加，能够增加瓦斯抽采量，但存在最佳极限抽采时间，超过这个时间，即使延长抽采时间，瓦斯抽采纯量增加很少。若延长抽采时间可导致延误工期，造成抽采工程量浪费。因此矿井应根据煤层瓦斯赋存情况，结合抽采半径测试结果，在满足煤层消突及降低瓦斯涌出量的前提下，综合确定最佳抽采时间。既保障抽采效果，同时降低抽采费用。
——煤层钻孔的抽采压力，Pa；
——煤层透气性系数， ；与渗透率的关系如下式：
——径向流场的半径变量，m；
——抽采钻孔半径，m；
R——径向流场的影响半径，m。
式（2-2）中的瓦斯流动方程是非线性的二阶偏微分方程，求解是极其困难的，可通过计算机数值算法求出在给定条件下钻孔周围瓦斯压力随抽采时间增加的变化，得出近似解，来研究煤层钻孔周围的瓦斯压力分布规律及其在煤层抽排瓦斯中的应用。
——瓦斯压力 时的瓦斯密度；
——煤层瓦斯压力Pa；
——1个标准大气压，Pa；
——煤层内瓦斯流动速度矢；
——瓦斯源的Biblioteka Baidu量强度；
t——时间变量，s；
——瓦斯压力梯度；
——煤的渗透率；
——瓦斯的绝对粘度；
——煤体吸附瓦斯的最大值， ；
——煤体吸附瓦斯的常数， ；
——单位体积煤所含的游离瓦斯量， ，（或者为煤体的孔隙率）；
根据以上假设，径向流场的瓦斯在煤层中流动的微分方程以遵循流体在多孔介质中的质量守恒定律和达西定律为基础。根据多孔介质动力学、煤层瓦斯吸附理论可以推出如下方程：
（2-1）
上式分别是：瓦斯流动连续性方程、瓦斯运动方程、煤层瓦斯含量方程和瓦斯状态方程。
式中： ——瓦斯质量转移矢的散度；
——瓦斯压力 时的瓦斯密度；
——煤质参数，c = 1— — ；
——煤的灰份；
——煤的水份。
结合一维径向流场瓦斯流动的初值条件和边界条件，当t=0时，煤层瓦斯压力等于原始瓦斯压力；当r= ，即抽采钻孔孔径处的瓦斯压力等于钻孔抽采压力。根据上述2-1式，可得煤层瓦斯流场内瓦斯压力函数随时空变化的控制微分方程：
（2-2）
（2-3）
式中： ——煤层原始瓦斯压力，Pa；
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对于顺层钻孔，由于在全煤中施工，很容易造成塌孔、堵孔，因此钻孔施工情况的好坏直接影响到瓦斯抽采结果。顺层钻孔应保证钻孔始终在煤层中，若钻孔施工质量不佳，施工过程中对钻孔方位和倾角控制不准，由于钻孔长度大，钻头在钻进过程中，会发生偏移，钻孔容易进入煤层顶底板，从而减少钻孔有效抽采长度，降低抽采效果。封孔质量的好坏，直接决定着钻孔抽采负压，及抽采流量和浓度。若钻孔的封孔质量不佳，则孔内容易漏风，瓦斯抽采浓度降低，抽采纯量减少。因此，在保证抽采泵站的负压稳定不变的情况下，尽可能地减少开孔位置处漏风量，提高钻孔的封孔质量，增加单孔抽采瓦斯量。