钻孔抽采半径测定研究报告教材

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

目录

1 前言 (1)

2 钻孔周围煤体中瓦斯流动理论及影响因素 (3)

2.1 瓦斯在煤层中的流动状态 (3)

2.2 抽排钻孔瓦斯径向流动模型 (4)

2.3 瓦斯抽采效果影响因素 (6)

2.3.1 抽采时间 (7)

2.3.2 抽采负压 (7)

2.3.3 钻孔直径 (7)

2.3.4 钻孔施工及封孔质量 (8)

2.3.5 煤体渗透特性 (8)

2.3.6 地应力 (9)

2.3.7 瓦斯压力 (10)

2.3.8 煤体吸附特性 (11)

3 抽采钻孔瓦斯渗流数值模拟分析 (12)

3.1 数值模型建立 (12)

3.1.1 数值模拟软件简介 (12)

3.1.2 钻孔瓦斯渗流模型的建立 (13)

3.2 模拟参数设置 (14)

3.2.1 模型基础参数设置 (14)

3.2.2 模型边界设置 (15)

3.3 数值模拟结果及分析 (15)

3.3.1 抽采时间的影响 (15)

3.3.2 抽采负压的影响 (20)

3.3.3 煤层渗透率的影响 (21)

3.3.4 钻孔孔径的影响 (23)

4 瓦斯抽排半径测定方法 (26)

4.1 穿层钻孔抽采半径测试方法 (26)

4.1.1 平行钻孔布置法 (26)

4.1.2 终孔圆周布置法 (27)

4.2 顺层钻孔抽采半径测试方法 (28)

4.2.1 测试原理 (28)

4.2.2 测试方法 (29)

4.3 煤巷掘进工作面浅孔排放半径测试方法 (30)

5 瓦斯抽排半径现场测试及结果分析 (32)

5.1 芦岭矿穿层钻孔抽采半径测定及结果分析 (32)

5.1.1 测试地点概况 (32)

5.1.2钻孔施工参数及钻孔间距的确定 (33)

5.1.3 有效抽采半径确定依据 (34)

5.1.4 测试结果及分析 (35)

5.1.5 抽采后煤层消突效果 (42)

5.2 杨柳矿穿层钻孔抽采半径测定及结果分析 (44)

5.2.1 测试地点概况 (44)

5.2.2 钻孔设计及施工参数 (45)

5.2.3 测试结果及分析 (45)

5.3 祁南矿顺层钻孔抽采半径测定及结果分析 (49)

5.3.1 测试地点概况 (49)

5.3.2 钻孔设计及施工参数 (49)

5.3.3 测试结果及分析 (50)

5.4 祁南煤矿穿层钻孔抽采半径测定及结果分析 (54)

5.4.1 钻孔设计及施工参数 (54)

5.4.2 测试结果及分析 (55)

5.5 祁南煤矿掘进工作面钻孔排放半径测定及结果分析 (58)

5.5.1 钻孔设计及施工参数 (58)

5.5.2 测试结果及分析 (58)

6 瓦斯抽采半径预测程序设计 (61)

6.1 钻孔瓦斯抽采半径程序解算模型及算法 (61)

6.2 程序设计流程图 (62)

6.3 程序界面及算例 (63)

7 总结 (66)

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。

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。

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；

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。

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。

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。