穿层钻孔倾角对瓦斯抽采影响的数值模拟研究

S cience & T echnology | 科学技术

中国煤炭工业 2019/04

57

煤矿安全生产中，瓦斯超限是井下事故发生的主要原因之一，瓦斯抽采既能达到控制煤矿瓦斯灾害的效果，又能将瓦斯能源充分利用。而瓦斯抽采方法的合理性直接决定抽采效果的好坏。目前，在煤巷条带瓦斯治理过程中，多采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯。

穿层钻孔的不同钻孔之间抽采效果存在差异，从本质上来看，主要是由于钻孔倾角不同，受应力影响的程度不同，导致瓦斯抽采半径不同，从而导致不同的抽采效果。为进一步考察穿层钻孔倾角对瓦斯抽采的影响，在前人研究的基础上，以平煤十二矿第四瓦斯治理巷穿层预抽钻孔整体布置为工程背景，采用COMSOL数值模拟软件建立煤体流固耦合模型，基于煤体变形方程和瓦斯流动方程，分析穿层钻孔倾角对瓦斯抽采半径的影响规律，并通过孔内裂隙窥视分析验证数值模拟规律，为矿井采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯实践提供有益借鉴。

一、模拟钻孔参数

本次模拟以平煤十二矿西翼第四瓦斯治理巷治理己15-31020采面下部穿层预抽钻孔为参考。穿层预抽钻孔主要用来掩护己15煤层掘进头掘进，钻孔设计剖面图如图1所示，每组扇形钻孔共计18个，钻孔直

径为89mm，倾角各不相同。此外，煤层倾角为12°，并假设煤层倾角在模拟区域内为定值，钻孔倾角在19°～87°之间。

钻孔瓦斯抽采模型尺寸为20m ×20m ×20m，同时将模型的底部和其他三个边界分别设置为固定和水平方向位置约束，地应力根据现场实际情况设置为10MPa，四周的水平应力设置为6MPa。煤层的原始瓦斯压力设置为2MPa，瓦斯抽采负压为15kPa。数值模型采用的理论模型及其关键计算参数，参考了有关学者关于穿层钻孔周围应力变化特征及其对瓦斯抽采的影响研究资料。

二、钻孔抽采影响因素1. 钻孔抽采影响半径与钻孔倾角的关系

以往很多研究人员在研究瓦斯抽采的影响因素时，通常假定钻孔与煤层垂直（穿层钻孔）或平行（顺层孔），而对钻孔倾角对瓦斯

穿层钻孔倾角对瓦斯抽采影响的数值模拟研究

文/棘理想 朱传杰 任 洁

抽采的影响研究较少。当然，这与现场实际有很大关系，因为煤矿企业通常监测干管和支管的瓦斯抽采情况，对单孔监测较少（主要是缺少合适的计量装置或考虑到监测成本）。本次研究结合平煤十二矿第四瓦斯治理巷穿层预抽钻孔整体布置工程实际，定义18个钻孔倾角分别为34°、36°、39°、43°、47°、53°、61° 71°、84°、87°、74°、61°、50°、41°、33°、28°、23°、19°，模拟研究18个不同倾角钻孔的瓦斯抽采情况。此外，选取与煤层钻孔相互垂直的截面进行观测，便于分析钻孔周围瓦斯压力随抽采的变化规律。

在软件中设置完上述数学模型，将物性参数导入COMSOL软件，定义完成后开始进行模拟。由于我国煤层透气性低，大多数煤层在抽采90天后，瓦斯抽采流量衰减至极低值，失去抽采价值。因此，本模拟的抽采时间设置为90天，90天

图1 己15-31020采面下部穿层预抽钻孔整体图

S cience & T echnology

科学技术 |C hina C oal I ndustry 2019/04

58

后，选取有代表性的6个角度，分析不同倾角钻孔周围的残余瓦斯压力情况。通过研究分析可知，倾角对瓦斯抽采的影响较为显著：随着钻孔倾角的逐渐加大，不同倾角钻孔达到0.74MPa以下的影响范围呈先减小后增大的趋势。在钻孔倾角为145°时影响范围最大，而钻孔倾角为90°时，瓦斯抽采影响范围最小。实际上，钻孔倾角的不同，本质上是与煤层的夹角不同，与煤层夹角越小，煤孔的长度越长，单位时间内抽采的瓦斯量会越大，但夹角为90°时（即钻孔与煤层垂直），煤孔的长度最短，单位时间抽采的瓦斯量自然会最少。

通过研究，得到不同钻孔直径下抽采达标区域范围与钻孔倾角的

关系，如图2所示。由图2可看出，随着钻孔倾角的变化，不同钻孔的抽采达标范围是不同的，即钻孔抽采所影响的区域是不同的：在从34°到87°的过程中，抽采达标区域范围不断减少；从87°到19°的过程中，抽采达标区域范围逐渐增大；抽采达标区域的范围在钻孔与煤层近乎垂直（87°钻孔）的时候达到最小值，在钻孔与煤层近乎水平（19°）的时候达到最大值。

2. 孔内裂隙窥视结果通过孔内裂隙窥视分析验证数值模拟规律，得出不同倾角钻孔的孔内裂隙发育情况，如图3所示。图3为6个不同倾角钻孔的现场孔内裂隙窥视结果，很好地印证了以上结论。例如，倾角为74°和87°的瓦

斯抽采钻孔周围只产生少量的裂隙，而处于两侧倾角为19°和34°的钻孔产生大量的裂隙，倾角为50°和61°的钻孔内部裂隙处于中间水平。由实践可知，钻孔裂隙发育有利于瓦斯抽采，钻孔的瓦斯抽采达标半径相对也较高。

三、结论

以平煤十二矿第四瓦斯治理巷穿层预抽钻孔整体布置为工程背景，分析穿层钻孔倾角对瓦斯抽采半径的影响规律，得出以下结论。

1.随着钻孔倾角的逐渐加大，不同倾角钻孔达到0.74MPa 以下的影响范围呈先减小后增大的趋势,在钻孔倾角为145°时影响范围最大，90°时影响范围最小。

2.随着钻孔倾角的变化，不同钻孔的抽采达标范围是不同的，即钻孔抽采所影响的区域不同：在从34°到87°的过程中，抽采达标区域范围不断减少；从87°到19°的过程中，抽采达标区域范围逐渐增大；抽采达标区域的范围在钻孔与煤层近乎垂直（87°钻孔）的时候达到最小值，在钻孔与煤层近乎水平（19°）的时候达到最大值。

3.由孔内裂隙窥视结果可知，钻孔裂隙发育有利于瓦斯抽采，钻孔的瓦斯抽采达标半径相对也较高，倾角为74°和87°的瓦斯抽采钻孔周围只产生少量的裂隙，而处于两侧倾角为19°和34°的钻孔则产生大量的裂隙。

（作者单位：中国平煤神马能源化工集团 ，中国矿业大学）

（责任编辑：庞永厚）

图2 不同钻孔直径下的达标区域范围与钻孔倾角的关系

图3 不同倾角钻孔的孔内裂隙发育窥视图