基于煤体塑性变形的瓦斯抽采钻孔参数优化研究_窦成义.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0310引言我国煤层开采地质条件复杂，随着开采水平延深，原始煤层瓦斯含量和压力逐步加大，同时高产高效开采导致矿井瓦斯涌出也显著增加，严重制约高瓦斯矿井安全高效开采。钻孔瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯灾害的主要手段，提高瓦斯抽采效果的途径主要有2种：提高煤层透气性；加快煤层瓦斯流动。为了安全高效地抽采瓦斯，国内外学者对煤层瓦斯运移规律进行了相应的研究。梁冰等考虑温度场作用下瓦斯渗流对煤体本构关系的影响，提出了煤与瓦斯耦合作用的数学模型；刘厅等构建了“瓦斯-空气”二元气体系统“应力-损伤-扩散-渗流”多场耦合模型，揭示了瓦斯抽采过程中钻孔周围瓦斯及空气流场的时空演化规律；尹光志等利用含瓦斯煤岩的孔隙率和渗透率的动态模型，建立含瓦斯煤岩固气耦合模型；王兆丰等根据达西定律及质量守恒定律，揭示煤层裂隙瓦斯流动规律。*国家自然科学基金面上项目（51974303）基于煤体塑性变形的瓦斯抽采钻孔参数优化研究*窦成义1，李庆钊2，马旭2（1.陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西 咸阳712000；2.中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州221116）摘要：为提高顺层钻孔抽采瓦斯的效率,以大佛寺40204工作面顺层钻孔抽采工程为背景,开展了瓦斯抽采钻孔参数优化研究。通过数值方法，建立了基于煤体塑性变形的流固耦合瓦斯抽采模型，研究了钻孔孔径、钻孔间距对煤层瓦斯抽采的影响，优化了钻孔布置。结果表明，增大钻孔孔径将使煤岩塑性破坏加重,孔径153 mm钻孔的塑性破坏区面积为93 mm钻孔塑性破坏区的3.7倍，其有助于煤岩渗透率的增加，加快抽采煤层瓦斯压力的降低；减小钻孔间距有助于塑性破坏区域的扩展，随钻孔数量增加，间距1.5 m的塑性破坏区面积是间距3 m时的4.2倍，缩短间距可使相邻钻孔间煤岩渗透率整体提升，有助于瓦斯抽采。通过优化孔径及孔间距，以抽采后煤层残余瓦斯压力为指标，确定适合该矿的合理钻孔布置方案为孔径113 mm，钻孔间距2 m。关键词：瓦斯抽采；塑性破坏；钻孔参数；瓦斯压力；渗透率中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 167 06Research on Optimization of Drilling Parameters for Gas DrainageBased on Plastic Deformation of Coal SeamDOU Chengyi1，LI Qingzhao2，MA Xu2（1.Shaanxi Binchang Dafosi Mining Co.,Ltd.,Xianyang 712000,China;2.School of Safety Engineering,China Universityof Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract:To improve the efficiency of gas drainage through drilling borehole,the optimization ofdrilling parameters for gas drainage was carried out on the background of boreholes of Dafosi 40204mining seam.By numerical method,a fluid-solid coupling gas drainage model based on the plasticdeformation of coal body was established,the influence of borehole diameter and borehole spacingdistance on coal seam gas drainage was studied.And,the drilling arrangement is optimized.Resultsshow that increasing the borehole diameter will increase the plastic damage of coal rock,and the areaof the plastic damage zone of the 153 mm borehole is about 3.7 times that of the 93 mm borehole.That is useful for the gas drainage and decreasing of coal seam gas pressures.Reducing the spacingdistance of drill holes helps to expand the plastic failure area.With the increase of the number ofboreholes,the area of the plastic failure area with a spacing of 1.5 m is about 4.2 times that of thespacing of 3 m.The overall increase in the permeability of coal and rock between adjacent boreholes ishelpful for the gas drainages.With previous results,the borehole diameter and drilling spacing distanceare optimized.Considering the residual gas pressure of the coal seams as an index,the reasonabledrilling parameters for the mine are determined as the borehole diameter of 113 mm and drillingspacing distance of 2 m.Key words:gas drainage；plastic failure；drilling parameters；gas pressure；permeability167第42卷第03期基于煤体塑性变形的瓦斯抽采钻孔参数优化研究窦成义，等Vol.42 No.03为提高瓦斯抽采效果，学者们对抽采钻孔参数的优化开展相关研究。许江等建立物理模拟试验开展了不同顺层钻孔布置间距条件下的瓦斯抽采物理试验，验证了钻孔间距与抽采叠加效应的关系；谷旺鑫等研究不同钻孔孔径与塑性区范围及抽采效果之间关系，发现孔径增大导致塑性区域扩展；江万刚等开展了顺层钻孔抽采标准化体系研究与实践，通过对钻孔设计、钻孔施工优化，实现了本煤层瓦斯高效抽采；李占五等采用钻孔抽采瓦斯参数与抽采时间回归分析的方法，得出瓦斯浓度衰减特征曲线，提出了优化抽采钻孔参数设计的研究内容；蔡培培等开展钻孔深度对瓦斯抽采规律的影响研究，发现随着抽采时间的增加，瓦斯抽采重点区域向钻孔深处转移。基于上述总结发现，目前对于煤层瓦斯渗流的研究大多基于煤体的弹性变形，对于煤岩塑性破坏对瓦斯渗流及钻孔布置的研究较少。本文基于大佛寺煤矿40204工作面实测数据和信息，建立基于塑性变形的煤体流固耦合三维抽采模型，并进行了验证，数值分析了顺层钻孔的孔径与孔间距对瓦斯抽采的影响规律，并优化了适合于该矿的钻孔布置方案。1工作面概况大佛寺40204工作面埋深500600 m，煤层平均厚度11.8 m，可采厚度10.8 m，工作面可采储量483.3万t，煤层瓦斯压力约0.5 MPa，初始煤瓦斯含量5 m3/t，预计抽采期9个月，煤层残余瓦斯含量为2 m3/t时认为达标，该工作面煤层及顶底板岩性参数如表1所示。表1煤层及顶底板参数2抽采模型构建2.1物理模型依据大佛寺40204工作面地质条件，构建了顺层钻孔瓦斯抽采模型，如图1所示。该模型由顶板、煤层、底板、巷道、钻孔共5部分组成，采用四面体网格划分，对钻孔附近区域进行网格细化。顶板上覆岩层设定为压力载荷边界，根据埋深设定为15 MPa，四周煤岩为辊支撑边界，顶板岩层为固定支撑边界，钻孔抽采负压15 kPa，其巷道边界为大气压，煤层中的瓦斯通过煤体裂隙向钻孔和巷道边界渗流，数值模型的具体物理参数：煤体初始孔隙率00.06Langmuir压力常数pL/MPa3.89煤体弹性模量E/GPa1.85单条裂隙刚度Kn/GPa4.8煤体初始渗透率k0/m2110-17瓦斯动力黏度/Pas1.7910-15残余扩散系数Dr/m2s-1110-12煤体骨架密度s/kgm31 600煤体密度c/kgm31 450初始基质瓦斯压力pm0/MPa0.5煤基质弹性模量Em/GPa8.469初始扩散系数D0510-12衰减系数110-7煤骨架体积模量Es/GPa2.1瓦斯摩尔质量MC/kgmol-10.016煤基质宽度Lm/m0.005（a）物理模型（b）网格与边界图1抽采模型示意图2.2数学模型（1）基本假设基于煤体塑性变形的瓦斯抽采流固耦合模型在如下假设条件下建立：瓦斯在煤基质中的运移满足Fick扩散定律，在裂隙中的流动满足Darcy定律；煤层中只存在瓦斯流体，不包含空气或水分；瓦斯在煤体中的流动运移视为等温过程；含瓦斯煤体的变形依据摩尔-库伦准则，属于弹-塑性变形。（2）煤体塑性破坏控制方程根据摩尔-库伦准则，当煤岩采动后，采动界面应力超过煤体本身强度使得发生塑性破坏，但其本身仍存有残余强度fs=131+sin 1-sin-2c1+sin 1-sin（1）岩性砂质泥岩煤层铝质泥岩体积模量/GPa5.241.856.51密度/kgm32 7001 6002 800内聚力/MPa6.91.71.3内摩擦角/（）462040顶板煤层底板60 m20 m钻孔4 m6 m巷道四周辊支撑底板固定支撑上覆岩层压力168第42卷第03期Vol.42 No.03基于煤体塑性变形的瓦斯抽采钻孔参数优化研究窦成义，等式中1第1主应力；3第3主应力；c黏聚力；内摩擦角。当fs0时即可认为煤岩发生塑性破坏。（3）煤体变形场控制方程含有瓦斯的煤岩变形控制方程可表示为Gui，kk+G1-2uk，ki-pf，i-pm，i-Ki+Fi=0（2）其中，Biots系数，1KKf（3）1KKm（4）煤体体积模量KEt3（1-2）（5）式中G剪切模量，MPa；ui，kk煤体在i方向上的位移对k的两阶导数（i，k=x，y，z）；uk，ki煤体在k方向上的位移分别对k和i的导数（i，k=x，y，z）；泊松比；pf，ii方向的裂隙瓦斯压力，MPa，pm，ii方向的基质瓦斯压力，MPa；i煤体应变量；Fi体积力，MPa；Et煤体蠕变模量；Kf裂隙体积模量；Km煤基质体积模量。（4）基质瓦斯扩散场控制方程煤层瓦斯抽采过程中，裂隙内的游离瓦斯首先在压差作用下流入钻孔，导致裂隙内瓦斯压力降低。裂隙瓦斯压力的降低促进了基质内瓦斯的解吸并通过扩散进入裂隙，该过程瓦斯的运移满足Fick扩散定律。（6）式中Vm气体摩尔体积，m3/mol；VLLangmuir体积常数；m煤基质孔隙率；pf裂隙瓦斯压力，MPa，R气体常数，J/（molg）；T温度，K；t时间，s。（5）裂隙瓦斯流动控制方程裂隙内的游离瓦斯首先在压差作用下流入钻孔，该过程瓦斯运移满足Darcy渗流。fpft+pfft-kfpfpf=32D0exp（-t）+DrLm2（pm0-pf）（7）式中f煤裂隙孔隙率；kf煤裂隙渗透率。（6）考虑塑性破坏的孔隙率及渗透率方程受采动影响，巷道及钻孔周围塑性区存在大量采动裂隙，导致煤体渗透率大幅提高，本文采