三软煤层水力冲孔布孔参数确定及优化∗

2016-04-25彭业升宋大钊何志龙高勤琼

中国煤炭 2016年3期

关键词：煤层

彭业升宋大钊,何志龙高勤琼

(1.永城煤电控股集团有限公司,河南省永城市,450016; 2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116; 3.河南能源化工集团贵州兴安煤业有限公司糯东煤矿,贵州省兴义市,561904)

三软煤层水力冲孔布孔参数确定及优化∗

彭业升1宋大钊1,2何志龙3高勤琼2

摘要为提高“三软”煤层水力冲孔瓦斯消突效果,采用COMSOL软件进行模拟以确定冲孔有效半径,结合现场试验及应用对布孔参数进行优化与检验。结果表明,冲煤量为0.5 t/m、0.75 t/m、1.0 t/m时,卸压范围分别为6.7 m、8.9 m、11.2 m,瓦斯抽采半径为3.2 m、4.5 m、5.3 m;根据糯东煤矿现场试验优化确定水力冲孔孔间距为9 m,区域效果检验瓦斯抽采浓度及流量由冲孔前的25％,0.08 m3/min升至冲孔后85％,0.35 m3/ min,确定布孔参数合理可靠。

关键词“三软”煤层水力冲孔抽采半径卸压范围冲煤量

The parameters determination and optimization of hole arrangement to hydraulic flushing in the three soft coal seam

Peng Yesheng1,Song Dazhao1,2,He Zhilong3,Gao Qinqiong2
(1.Yongcheng Coal and Power Holding Group Co.,Ltd.,Yongcheng,Henan 450016,China; 2.College of Safety Engineering,China University of Mining& Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.Nuodong Coal Mine,Guizhou Xing＇an Coal Industry Co.,Ltd.,Henan Energy& Chemical Group,Xinyi,Guizhou 561904,China)

Abstract In order to increase the effect of hydraulic flushing to eliminate gas outburst in the ＂three soft＂coal seam,the effective radius of hydraulic flushing was determined using the COMSOL software simulation,the parameters of hole arrangement were optimized and tested by combing the field experiments and application.The results show that the parameters of hole arrangement is determined by the analysis of the range of pressure relief and the radius of gas drainage,when the flushed coal quantity is 0.5 t/m,0.75 t/m,1.0 t/m respectively,the range of pressure relief is 6.7 m,8.9 m,11.2 m respectively,and the radius of gas drainage is 3.2 m,4.5 m,5.3 m respectively;According to the optimal results of field experiments,the pitch of holes to hydraulic flushing is 9 m,and the gas concentration and the gas flow rate to area effect testing increases from 25％,0.08 m3/min before hydraulic flushing to 85％,0.35 m3/min after hydraulic flushing respectively,which shows the parameter of hole arrangement is reasonable and reliable.

Key words ＂three soft＂coal seam,hydraulic flushing,the radius of gas drainage,the range of pressure relief,the flushed coal quantity

三软煤层一般具有低透气性、易流变、不易抽采的特性,在生产过程中,容易导致煤与瓦斯突出事故,瓦斯灾害威胁严重.水力冲孔技术对无保护层开采、应力高、透气性差的高瓦斯煤层具有良好的卸压增透、煤层消突效果,而水力冲孔效果的好坏关键在于冲孔技术参数的确定.

目前,我国众多学者对煤层水力冲孔技术参数优化进行了大量研究并取得了一定的研究成果.魏建平等应用压力法与流量法相结合的技术,分析了水力冲孔的有效影响半径和水力冲孔钻孔周围的卸压范围的大小,并对冲孔钻孔进行了优化.杨云峰等通过研究水力冲孔措施在突出煤层中的应用,优化冲孔参数使该措施可以有效提高抽采量、快速消除高瓦斯突出煤层掘进或回采过程中的突出危险性.郝福昌等采用COMSOL模拟软件对建立的不同冲煤量钻孔煤层的渗透率动态变化及吸附特征流固耦合模型进行计算机模拟,研究不同冲煤量的钻孔的抽采半径,优化煤层抽采钻孔的布置.刘振英等应用数字模拟与现场应用结合的方法,研究了地应力对抽采钻孔间距的影响,确定钻孔布孔参数.以上各位学者是基于实验室的计算机模拟提出的各种结论,而实际的煤层由于受周围各种环境因素的影响,在水力冲孔过程中煤层呈现不同的响应效果.研究表明,水力冲孔有效半径的确定必须分析瓦斯的运移规律,而瓦斯的运移规律受应力场及渗流场的影响.因此,笔者考虑以计算机模拟为基础,研究了应力场与瓦斯抽采过程压力变化范围,确定孔间距,结合现场试验加以优化完善,研究结果为确定孔间距及相关参数提供依据.

1　试验区域煤层概况

糯东煤矿位于贵州省普安县南部,矿井井田面积为66.2961 km2,主要可采17＃、19＃、20＃、26＃煤层,经鉴定各煤层均为突出煤层.井田大部分地区煤层厚度在3.5 m以上,东部、北部及13线附近厚度稍薄.

试验区域17＃煤层位于龙潭组中段,上距B2灰岩22 m左右,上距B3泥质灰岩0.5 m左右,煤层厚0.65～8.99 m,平均4.16 m.煤层含夹矸0～3层,一般1层,夹矸厚度0.05～0.54 m;煤层厚度呈中部厚,外围稍薄的趋势.煤层直接顶板多为泥岩、粉砂质泥岩,局部为泥质灰岩(B3);底板多为泥岩或粉砂质泥岩.煤层原始瓦斯压力平均为1.03 MPa,原始瓦斯含量平均为15.37 m3/t,百米钻孔初始瓦斯流量为0.429～0.733 m3/min,钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1433～0.7108 d－1,透气性系数为0.016429～0.021527 m/ (MPa2·d),瓦斯放散初速度为18～28 m L/s,煤的坚固性系数为0.16～0.30.

17＃煤层顶底板岩体与主采煤层强度以及煤层的渗透率较低,属于标准的三软低透气性煤层.本矿前期采用底板穿层钻孔预抽瓦斯技术进行矿井煤层区域性防突,但由于三软煤层具有透气性差、煤质松软易流变的特征,单个钻孔瓦斯抽采率低.因此,需要应用底板水力冲孔技术提高煤层瓦斯透气性,改变煤层流变性,用以提高钻孔瓦斯抽采率;为了更好地达到卸压增透的效果,需对水力冲孔的各技术参数进行优化.

2　不同冲煤量冲孔参数模拟

2.1煤体力学参数

数值模拟对现场试验参数选择具有指导作用,因此,本文应用COMSOL Multiphysics软件,以糯东煤矿17＃煤层力学参数建立模型,模拟水力冲孔过程钻孔卸压范围及瓦斯抽采半径.已知随着冲煤量的增大,冲孔孔径随之增大,卸压增透效果越好.但是,受到现有设备及技术的限制和防止冲孔后孔洞难以闭合的现象,要求单孔冲煤量不能过大.糯东煤矿煤层密度为1.5 t/m3,初始钻孔孔径为94 mm,冲出煤量为0.5 t/m、0.75 t/m、1 t/m时,分别对应的孔洞半径为0.35 m、0.42 m、0.49 m.通过对现场地质、瓦斯资料的收集和整理及实验室参数测定得出含瓦斯煤层特性参数,弹性模量1.2 GPa,内聚力1.5 MPa,内摩擦角26°,泊松比0.46,初始孔隙率2.94×10－2％,煤层对瓦斯的初始渗透率2.176×10－16md,原始瓦斯压力2 MPa,瓦斯的动力粘度1.08×10－6Pa·s,煤的水分0.78％,煤的灰分5.23％,埋藏深度350 m.

2.2不同冲煤量钻孔卸压范围

水力冲孔对地应力具有良好的卸压效果,而煤体应力集中和卸压情况通常可以通过其区域最大主应力分布来反映.应用COMSOL Multiphysics软件对17＃煤层水力冲孔进行计算机模拟,得到冲煤量为0.5 t/m、0.75 t/m和1 t/m时在抽采15 d后分别对应的最大主应力分布曲线,见图1.

由图1可以看出,煤层经过水力冲孔后,从钻孔两侧向煤体深部横向最大主应力逐渐增大,其分布规律依次是应力卸压区、应力集中区、原始应力区.孔洞周围形成了不同程度的卸压,应力卸压区越靠近钻孔,应力越小,至孔洞处几乎为0.冲出煤量为0.5 t/m、0.75 t/m、1 t/m的钻孔分别对应的卸压区范围是6.7 m、8.9 m、11.2 m,应力卸压区范围随冲出煤量的增加而逐渐增大.

图1　不同冲出煤量最大主应力分布

2.3不同冲煤量瓦斯抽采半径

依据《煤矿安全规程》的规定瓦斯压力低于0.74 MPa的区域为无突出区域.因此,将瓦斯压力低于0.74 MPa的区域视为瓦斯抽采的有效区域.应用COMSOL Multiphysics软件对17＃煤层水力冲孔进行模拟求解,得出不同冲煤量情况下瓦斯抽采15 d钻孔煤层瓦斯压力分布图,见图2.

从图2可以看出,瓦斯压力在孔洞边缘形成以孔洞为中心的同心圆环,由外及内逐渐扩散,且随着每米冲出煤量的增加,瓦斯压力下降范围逐渐扩大,颜色变化范围越大,表明瓦斯压力梯度越大.由图2(a)可以看到在距钻孔3.2 m处瓦斯压力降到0.74 MPa以下,因此出煤量为0.5 t/m钻孔的抽采半径为3.2 m.同理可得出煤量为0.75 t/m、1 t/m钻孔的抽采半径分别为4.5 m、 5.3 m.由此可得随着每米冲出煤量的增加,瓦斯抽采半径也随之增大.

图2　不同冲煤量煤层瓦斯压力分布图

3　现场试验优化及效果考察

3.1现场试验参数优化

考虑到17＃煤层属于三软煤层,地质构造比较复杂,为确保一定的安全系数,选择试验孔间距为6 m.通过11902工作面上下巷道对11702工作面上下巷道掘进工作面实施水力冲孔.其中,11702工作面上下巷道属于17＃煤层掘进工作面;11902工作面上下巷道位于19＃煤层,是11702工作面的底抽巷.试验钻场确定两组,分别布置在距11702上下巷道煤巷掘进头20 m处,钻孔间距6 m×6 m,11902上巷道布置5个试验钻孔,下巷道布置6个试验钻孔,编号依次为1＃～11＃,冲孔水压从6 MPa开始,依次冲孔且每个钻孔水压比上一个钻孔水压递增2 MPa,试验结果见表1.由表1计算得出每个钻孔冲煤量均超过0.5 t/m,最大可达到3.7 t/m,在试验过程中发现水力冲孔过程中煤层出现流变现象,因此,将卸压钻孔间距适当调为9 m,冲孔位置由距离11702上巷道、下巷道与煤巷掘进头间距10 m开始,标定第一组钻场位置开始冲孔,钻孔间距9 m×9 m,每组钻孔设计5个,详见水力冲孔钻孔设计图3.

表1　冲孔水压记录表

3.2区域效果检验

通过在11902工作面上巷道对11703上巷道掘进煤层的两组钻孔冲孔前后连续20 d瓦斯抽采,每隔5 d进行一次瓦斯抽采浓度及瓦斯流量统计,取平均值,做出瓦斯抽采浓度变化曲线及瓦斯流量变化曲线见图4.

通过图4可以看出水力冲孔后较冲孔前瓦斯抽采浓度及流量明显升高,冲孔后的煤体渗透性及流变性得以改善,易于瓦斯抽采.从图4(a)可以看出,冲孔前第一组刚开始瓦斯抽采浓度为25％,第二组为20％,连续抽采10 d后,浓度分别连续衰减至5％、10％;水力冲孔后第一组刚开始抽采浓度为85％,第二组为80％,连续抽采20 d,第一组在6～10 d内瓦斯抽采浓度急剧下降,随后趋于平稳直至60％,第二组瓦斯抽采浓度平稳衰减至66％,水力冲孔后比冲孔前瓦斯抽采浓度升高至少3.4倍,大大缩短瓦斯抽采时间.从图4(b)可以看出,冲孔前钻孔第一组刚开始瓦斯抽采流量为0.08 m3/min,第二组为0.1 m3/min,连续抽采20 d后,流量分别平稳连续衰减至0.02 m3/min、0.05 m3/min;冲孔后钻孔第一组刚开始抽采瓦斯流量为0.35 m3/min,第二组为0.34 m3/min,连续抽采20 d,第一组瓦斯流量连续衰减至0.25 m3/min、第二组在1～10 d内瓦斯流量有小幅度上升,随后连续衰减至0.3 m3/min,趋于稳定,水力冲孔后瓦斯抽采流量是采取措施前的4.4倍.