张浩浩，李 胜,2，高 宏，杨振华，赵春阳，王箫鹤

(1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学 煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心，辽宁 阜新 123000；3. 煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016)

0 引言

近年来，随着煤炭资源的开采由浅部向深部的转移，煤与瓦斯突出及冲击地压等动力灾害发生的频次及强度也随之增加，煤层瓦斯压力呈明显上升趋势[1]。瓦斯抽采作为降低煤层瓦斯压力、减小煤与瓦斯突出发生概率、保障煤矿安全生产的重要手段之一，随着煤炭开采的深度及强度增加则显得尤为重要[2]。

为了保障煤炭资源的安全开采和瓦斯资源的抽采利用，国内外学者在瓦斯抽采理论与技术方面进行了大量研究。在瓦斯抽采多场耦合理论方面，孙培德等[3]提出煤层气越流固气耦合数学模型, 并将该模型应用于邻近层煤层气涌出的数值模拟实例中；尹光志等[4]、梁冰等[5]认为在瓦斯运移受地应力、瓦斯的吸附/解吸、地下水等多种因素的综合影响，建立了煤层瓦斯抽采流固耦合模型；李胜等[6-7]分别从基质孔隙及裂隙双重介质和地温对瓦斯抽采的影响2个方面进行研究，构建了基质瓦斯渗流流固耦合模型及气-水两相流热流固耦合模型。在瓦斯抽采技术方面，王海阔[8]、SANG等[9]、KONG等[10]结合现场实际，分别采用底抽巷穿层钻孔、高位钻孔和地面钻孔及其相结合的方法抽采被保护层卸压瓦斯，获得了良好瓦斯治理效果；刘清泉等[11]、李波等[12]提出了钻孔瓦斯抽采有效半径的确定方法，分析了钻孔间距对瓦斯抽采的影响；张宏伟等[13]利用被保护层渗透特性测试系统进行了低透煤层保护层开采卸压试验，研究了卸压煤层的瓦斯渗流及运移规律；以上研究极大地推动了瓦斯抽采理论与技术的发展，为煤炭资源安全开采提供了保障。

本文将在多物理场耦合理论基础上，建立煤层瓦斯抽采气固耦合模型，并以平煤十矿己15-16煤层瓦斯抽采为背景，进行底板巷穿层钻孔瓦斯抽采数值模拟，结合工程实践研究瓦斯抽采对降低己15-16-24130工作面运输巷掘进过程瓦斯突出危险性的影响。

1 瓦斯抽采气固耦合模型

1.1 瓦斯运移场控制方程

煤岩可假设为由煤基质孔隙及裂隙构成的一种双孔隙度、单渗透率的弹性介质。在瓦斯抽采过程中，随着煤层瓦斯压力的降低，基质孔隙中的吸附瓦斯解吸为游离瓦斯，通过扩散作用运移至裂隙中，经裂隙渗流至钻孔中。其中，基质瓦斯扩散遵循Fick定律，裂隙瓦斯渗流过程遵循Darcy定律。考虑裂隙中瓦斯渗流的滑脱效应，则基质瓦斯和裂隙瓦斯运移方程为[8]：

(1)

式中：VL为Langmuir体积，m3/kg；pL为Langmuir压力，Pa；ρs为煤的密度，kg/m3；ps为标况大气压力，Pa；Mg为瓦斯摩尔质量，kg/mol；R为瓦斯摩尔常量，J/(mol·K)；Ts为标况温度，K；T为煤层温度，K；φm为基质孔隙度；φf为裂隙孔隙度；b1为滑脱因子，Pa；kf为裂隙渗透率，m2；μg为瓦斯动力粘度，Pa·s；τ为瓦斯解吸时间，s，表示基质放散能力；pm为基质瓦斯压力，Pa；pfg为裂隙瓦斯压力，Pa；为哈密顿算子。

1.2 应力场控制方程

煤岩的物理力学特性受地应力、基质孔隙和裂隙流体压力及瓦斯吸附/解吸特性等因素的影响。根据文献[7]煤层瓦斯运移应力场方程为[8]：

(2)

式中：G为剪切模量，G=D/2(1+v)，Pa；D为等效弹性模量，D=1/[1/Es+1/(aLn)]，Pa；Es为煤骨架弹性模量，Pa；Ln为裂隙刚度，Pa；a为煤基质宽度，m；v为泊松比；ei,ij为张量形式(e可为位移u，压力p和应变ε)，其中第1个下标表示变量e的i方向分量，第2个下标表示对ei求i方向偏导数，第3个下标表示对ei,ij求j方向偏导数；K为煤岩体积模量，K=D/3(1-2v)，Pa；αm和αf分别为孔隙和裂隙对应的Biot系数，αf=1-(K/Ks)，αm=1-K/(aLn)；Ks为煤骨架体积模量，Ks=Es/3(1-2v)，Pa；Fi为体积力，Pa。

1.3 耦合项

孔隙度与渗透率作为瓦斯抽采的重要参数，受到瓦斯运移及煤体变形等因素的影响。基于上述假设，煤体中基质孔隙度与裂隙孔隙度可定义为[7，14]：

(3)

式中：φm0为初始基质孔隙度；φf0为初始裂隙孔隙度；εv为体积应变；εL为应变常数；S为基质孔隙应变量；S0为基质孔隙初始应变量；Lf为改进裂隙刚度Lf=aLn，Pa；Δpm为基质瓦斯压力变化量，Pa。

煤层裂隙渗透率与孔隙度的关系可用渗透率立方定律[15]表示，可得裂隙渗透率为：

(4)

式中：kf0为初始裂隙渗透率，m2。

联立式(1)～(4)构成瓦斯抽采气固耦合模型，利用COMSOL Multiphysics软件进行煤层瓦斯抽采数值模拟，可对煤层瓦斯抽采情况进行研究。

2 瓦斯抽采数值模拟

2.1 穿层钻孔布置方案

平顶山十矿己15-16煤层埋深为1 000 m，倾角为15°，煤厚为3.2 m，瓦斯压力为1.25 MPa，瓦斯含量为8.09 m3/t，透气性系数为1.86 m2/(MPa2·d)，为突出危险煤层。己15-16煤层下方有己17煤层及己18煤层，煤厚分别为2.0～2.5 m和0.3～0.6 m。为了消除在己15-16-24130工作面运输巷掘进过程中的突出危险性，需要对工作面运输巷附近煤层瓦斯进行抽采。

抽采方案为：在己18煤层及邻近岩层中开掘一条底板巷，在底板巷布置穿层钻孔，对己15-16煤层工作面运输巷附近的瓦斯进行抽采。穿层钻孔布置方案如图1所示，每排布置13个钻孔，孔径为94 mm，孔深延伸至己15-16煤层顶板位置。相邻两排钻孔间距为6 m，抽采负压为20 kPa，穿层钻孔参数如表1所示。

图1 钻孔布置方案Fig.1 Layout diagram of boreholes

孔号倾角/(°)开孔位置/m孔深/m1左偏30.2顶板距左帮0.331.02左偏38.4顶板距左帮0.727.03左偏47.4顶板距左帮1.024.54左偏57.2顶板距左帮1.322.55左偏67.4顶板距左帮1.721.56左偏77.7顶板距左帮2.021.07左偏87.9顶板距右帮2.321.58右偏82.0顶板距右帮2.022.59右偏72.3顶板距右帮1.724.010右偏63.3顶板距右帮1.327.011右偏55.1顶板距右帮1.030.512右偏47.9顶板距右帮0.735.513右偏41.7顶板距右帮0.342.0

2.2 几何模型与定解条件

针对上述穿层钻孔瓦斯抽采方案进行模拟研究，数值模拟所用参数如表2所示[7-8]。对工程背景进行简化，建立图2所示的几何模型。

表2 数值模拟参数Table 2 Parameters of numerical simulation

图2中截线AB和CD是位于己15-16煤层的瓦斯压力观测线，且交于点O，其中点O位于截线CD的中点。模型底部为固定边界，四周为滑动边界，顶部受覆岩重力作用，为恒定载荷边界，煤层与岩层交界处为瓦斯无渗透边界。

图2 几何模型Fig.2 Geometric mode

2.3 模拟结果分析

以截线AB作纵向地层剖面，研究瓦斯抽采过程中压力变化情况。己15-16煤层和己17煤层瓦斯压力分布如图3所示。

选取瓦斯抽采至30,60,120和180 d时的瓦斯压力变化情况进行分析。从图3可以看出，在瓦斯抽采初期，钻孔附近的瓦斯压力急剧下降，形成低压区；在抽采过程的前120 d内，钻孔附近压力变化明显，压力快速下降；而在120 d后，钻孔附近压力降幅逐渐变缓，瓦斯压力也逐渐趋于稳定。

根据平煤集团的煤与瓦斯突出防治的相关规定：瓦

图3 瓦斯压力分布Fig.3 Gas pressure distribution cloud map

斯抽采后的煤层残余瓦斯压力不得大于0.6 MPa，残余瓦斯含量不得大于6 m3/t，作为瓦斯抽采合格的指标，以下简称“双6指标”。图4与图5分别为截线AB上瓦斯压力和己15-16煤层残余瓦斯含量的变化曲线。由图4可知，在瓦斯抽采第30 d时，钻孔周围瓦斯压力急剧降低，峰值压力降至0.805～0.906 MPa，压力降幅达35.6%。

图4 截线AB上瓦斯压力变化Fig.4 Gas pressure variation curves of line AB

当抽采进行至第120 d时，穿层钻孔附近煤层瓦斯压力降低明显，峰值压力最小值为0.419 MPa，最大值为0.535 MPa，压力累计变化达66.48%。抽采至第180 d时，穿层钻孔所覆盖煤层区域内瓦斯压力趋于稳定，稳定在0.315～0.431 MPa之间。在穿层钻孔瓦斯抽采180 d后，满足平煤集团所规定的抽采后煤层残余瓦斯压力值降至0.6 MPa以下的要求。

己15-16煤层的瓦斯含量随着抽采的进行表现为先快速下降后趋于稳定(见图5)。从瓦斯抽采之初到第60 d为瓦斯含量快速下降阶段，瓦斯含量由原来的8.09 m3/t降低至5.19 m3/t，降低幅度达35.80%。在瓦斯抽采60 d后到第180 d时，瓦斯含量下降速率逐渐变缓，煤层残余瓦斯含量为3.84 m3/t，较第30 d时的瓦斯含量下降了26.01%。且在第180 d时，己15-16煤层穿层钻孔覆盖区域内残余瓦斯含量趋于稳定，稳定在3.84 m3/t。由模拟结果可知，当瓦斯抽采120 d后，己15-16煤层残余瓦斯含量满足小于6 m3/t的规定。

图5 残余瓦斯含量变化Fig.5 Residual gas content variation curves

以截线AB,CD所相交平面进行截面处理，研究在瓦斯抽采180 d之后的瓦斯压力分布情况，截面上瓦斯压力分布如图6所示，图6中CD线为瓦斯压力值为0.6 MPa时的等值线。

图6 ABCD截面上瓦斯压力Fig.6 Gas pressure distribution cloud map of surface ABCD

从图6中可以看出，在穿层钻孔所覆盖的区域内的煤层瓦斯压力均下降至0.6 MPa以下，己15-16-24130工作面运输巷附近的煤层瓦斯压力在0.30～0.40 MPa之间，小于平煤集团所规定的0.6 MPa的消突压力。表明利用底板巷布置穿层钻孔瓦斯抽采方案可以有效抽采己15-16煤层瓦斯，消除己15-16-24130工作面运输巷掘进过程中的突出危险性。

图7为瓦斯抽采180 d后截线CD上的瓦斯压力分布曲线，截线CD上距离15～45 m范围内为钻孔覆盖区域。线CD上距离为15 m处的瓦斯压力为0.451 MPa，点O处的瓦斯压力为0.353 MPa。截线CD上瓦斯压力总体趋势表现为随着到点O距离的减小而降低，这是由于穿层钻孔成排布置所产生的抽采叠加效应所造成的，具体表现为在多排钻孔中部位置的瓦斯压力降幅大于边缘位置的瓦斯压力降幅，前者的瓦斯抽采效果优于后者。

图7 截线CD上瓦斯压力分布Fig.7 Gas pressure distribution curves of line CD

由上述模拟结果可知，通过从己18煤层布置底板巷进行穿层钻孔瓦斯抽采己15-16煤层瓦斯效果明显。在瓦斯抽采180 d后，己15-16煤层中穿层钻孔附近残余瓦斯压力值降为0.315～0.431 MPa，煤层残余瓦斯含量降为3.84 m3/t，均满足平煤十矿所要求的残余瓦斯压力及残余瓦斯含量的“双6”指标，表明此方案具有可行性。

3 工程应用

根据上述钻孔布置方案及模拟结果分析，平煤十矿在己18煤层及邻近岩层中开掘底板巷道，在底板巷每隔6 m布置1排穿层钻孔，对己15-16-24130工作面运输巷附近煤层瓦斯进行抽采。为了检验钻孔瓦斯抽采的效果，在底板巷每隔50 m布置1组校检孔，每组2个钻孔，用于测定瓦斯抽采后的残余瓦斯压力及瓦斯含量，测量结果如图8所示。

图8 实测瓦斯压力与瓦斯含量Fig.8 Diagram of measured gas pressure and gas content

由实测结果可知，瓦斯抽采后的残余瓦斯压力稳定在0.32～0.42 MPa范围内，残余瓦斯含量为3.17～4.76 m3/t，与模拟结果基本相符，均小于平煤十矿煤与瓦斯突出防治规定的“双6”指标，瓦斯抽采效果较好，有效降低了己15-16-24130工作面运输巷掘进过程中的突出危险性。

4 结论

1)基于平煤十矿工程地质背景，将煤岩视为孔隙-裂隙的双孔隙度、单渗透率介质，结合瓦斯抽采过程中的瓦斯运移及煤体变形，建立瓦斯抽采气固耦合模型，并对己15-16煤层的瓦斯抽采方案进行数值模拟，更能反映瓦斯抽采实际情况。

2)模拟结果表明，底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案可对己15-16工作面运输巷周围的煤层瓦斯进行有效抽采，在瓦斯抽采180 d后，残余瓦斯压力值降至0.315～0.431 MPa，煤层残余瓦斯含量降为3.84 m3/t；且由于钻孔瓦斯抽采叠加效应的影响，多排钻孔中部位置瓦斯抽采效果优于边缘位置。

3)将穿层钻孔瓦斯抽采方案在平煤十矿进行工程应用，现场实测煤层残余瓦斯压力及瓦斯含量均可满足平煤集团防突规定的“双6”指标，与模拟结果基本吻合，有效降低了己15-16-24130工作面运输巷掘进过程中的突出危险性。