突出煤层密集钻孔瓦斯预抽的数值试验
瓦斯抽采基础参数测算
瓦斯抽采基础参数测算A.1 瓦斯压力的测定煤层瓦斯压力测定地点应选择在岩石坚硬致密、无断层、无裂隙的地点。
钻孔测压时，打钻地点至煤层的垂直距离不得小于5 m 。
测压孔的孔径以75 mm 为宜，钻孔要穿透煤层并打到顶板0.2～0.5 m （厚煤层应钻入煤层3 m 以上），完钻后应及时封孔，封孔要严密，测压管接头不得漏气。
根据突出矿井可采煤层底板巷道具体情况，在沿倾斜方向的采区，向可采煤层打钻测压。
煤层瓦斯压力测定地点选择在采区大巷可采煤层底板的采区岩巷内布置钻孔。
测定煤层瓦斯压力、钻孔自然瓦斯涌出量，同时钻孔取样测定煤层瓦斯含量、煤层突出危险性指标。
A.2 瓦斯含量测定与计算采用间接法测定煤层原始瓦斯含量，其计算方法如下： 根据现场实测得到的煤层瓦斯压力，采用郎阁缪方程计算煤层瓦斯含量： (1)式中 ：W ——煤层瓦斯含量，m 3/t ；a ——吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m 3/t ；b ——吸附常数，MPa -1； p ——煤层瓦斯压力，MPa ； ad M ——煤的水分，%； ad A ——煤的灰分，%；10010031.0111ad ad s ad M A K p V M p b p b a W --⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⋅+⨯⋅+⋅⋅=V——煤的孔隙体积，m3/m3；sK——瓦斯压缩系数。
A.3 矿井瓦斯储量计算瓦斯储量系指煤田开发过程中，能够向开采空间排放瓦斯的煤层赋存的瓦斯总量。
本细则不作要求A.4 矿井设计年瓦斯抽采量或矿井设计年瓦斯抽采规模计算矿井年设计抽采量Q a=Q×N (6)式中：Q a---矿井年设计抽采量m3 /a。
Q d--- 矿井日设计抽采量m3 /d。
N --- 矿井年设计工作天数，取360天。
A.5 可抽瓦斯量概算在目前开采条件和技术水平能被抽出来的瓦斯量。
W2=W1×n (7)式中：W2--- 可抽瓦斯量W1--- 瓦斯储量N --- 矿井瓦斯抽采率。
煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法
煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法工作面煤与瓦斯突出(以下简称突出)危险性预测和防突措施效果检验是突出矿井进行防突管理的两项关键工作。
目前我国大多数突出矿井，在进行突出危险性预测时所采用的预测指标及其临界值基本上都是按照《防治煤与瓦斯突出细则》所推荐的。
但是，针对不同的矿井或煤层，突出预测指标的敏感性及其临界值可能是不同的，甚至存在很大的差异。
矿井在使用中应通过现场试验，摸索和确定适合本矿煤层实际情况的突出预测指标及其临界值。
否则，可能因为指标不敏感或临界值不合适而造成预测结果的不准确，导致误判，结果发生突出事故或增加不必要的防突措施工程。
所以，确定矿井突出预测敏感指标及其临界值是防突工作中一项十分重要的内容。
1预测敏感指标的概念及确定方法突出预测敏感指标是指针对某一煤层进行突出危险性预测时，在目前技术水平条件下能够较为明显地区分突出危险和非突出危险的指标。
煤与瓦斯突出是一种复杂的瓦斯动力现象，是由地应力、瓦斯及煤的物理力学性质3种因素综合作用的结果。
理想的预测指标应是能够完全反映引发突出的3个因素，而实际上，目前常用的预测指标仅是间接和部分反映这3个突出预测因素。
对不同矿井、煤层或区域，突出的主导因索有所不同，3种因素在导致突出作用中的贡献比重有所不同。
所以，主要反映突出3因素中某1个因素或两方面因素的不同指标，其预测突出危险的敏感性会有所不同。
同时，预测指标还在一定程度上或多或少地受到现场测试条件、仪器性能、操作人员责任心等外部条件和人为因素的影响，使测定出的指标值影响因素复杂，从而影响指标的敏感性。
判断一种指标是否敏感，主要考虑两个方面的因素：一是指标值的大小是否随着突出危险性的大小明显变化;二是影响指标值大小的突出危险因素是否大于测定误差等外部条件和人为因素。
具体确定时可根据在有无突出危险时的指标值大小及其变化幅度，以及测试环境、手段、人员水甲等引起的测定误差大小等判断，如在突出危险区与非危险区、突出点附近与正常带、打钻时喷孔等动力现象(严重度与频度等)与正常时、措施前后等测值的变化情况，以及测值统计结果分布规律、指标与其他敏感指标的对比等进行判断。
安全工程 8.2突出预测指标的测定
五、实验结果处理
将钻屑瓦斯解吸指标的测定数据记录到表1中，并对测
定的K1值指标进行分析。
表8-2 钻屑瓦斯解吸指标K1值测定数据分析
六、注意事项
在进行解吸实验时必须在煤样暴露（煤样卸压）时开
始准确计时。
脱气结束后，调整恒温水浴温度为30±1℃；拧开高压瓦斯 钢瓶阀门，使高压瓦斯钢瓶与密封罐连通，对密封罐煤样进 行充气0.5h。
四、实验步骤
（4）煤样瓦斯解吸指标的测定 首先，准备好机械秒表、 WTC 瓦斯突出参数测定仪，对
已经吸附平衡的密封罐内的煤样，在打开密封罐煤样卸压的
同时按下机械秒表计时。 在最短时间内将煤样装入 WTC 瓦斯突出参数测定仪的煤 样杯内，钻屑应自然装满煤样杯，并用筛子轻轻刮平，然后 按下采样键开始进行K1值的测定，采样结束后输入自煤样卸 压暴露到采样开始的时间， WTC 瓦斯突出参数测定仪将自 动计算出该实验煤样在该吸附平衡压力下的 K1 值（ ml/g ） 。
图8-2 WTC瓦斯突出参数测定仪外观
三、实验原理
将含瓦斯煤样瞬间暴露于大气中或类似于大气环境条
件的仪器中，根据等容、等压、变容变压解吸原理测量
单位质量煤样通过连续自动测定煤样罐中瓦斯解吸压力 ，计算煤样的瓦斯解吸特征指标K1，结合弹簧秤测定的
钻粉量指标，判定工作突出危险性。《防治煤与瓦斯突
出细则》规定，可用钻屑瓦斯解吸指标（K1值等）或最 大钻屑量指标来预测煤层瓦斯突出危险性。
四、实验步骤
（1）煤样的预处理 将制备好的煤样（约150g）装入密封罐中，装罐时应尽量 将罐装满压实，以减少罐内死空间的体积，在煤样上加盖脱 脂棉或80目铜网，密封煤样罐。 （2）煤样真空脱气 开启恒温水浴锅，真空泵，设定水浴温度为60±1℃，打开 密封罐阀门，对煤样进行真空脱气0.5h。
预抽回采工作面煤层瓦斯防治煤与瓦斯突出措施效果评价方法(完整版)
ICS 13.100MT D 09备案号：20427—2007中华人民共和国煤炭行业标准MT/T 1037-2007预抽回采工作面煤层瓦斯防治煤与瓦斯突出措施效果评价方法Evalwating method of the contol effect for coal and gas outburst by pre-drainage of coal-bed methane in front of coal face2007-03-30发布 2007-07-01实施国家安全生产监督管理总局发布MT/t 1037-2007前言本标准由中国煤炭协会科技发展部提出。
本标准由煤炭待业煤矿安全标准化技术委员会归口。
本标准起草单位：煤炭科学院总院重庆分院。
本标准主要起草人：梁运培、林府进、董钢锋、刘林、汪长明。
预抽回采工作面煤层瓦斯防治煤与瓦斯突出措施效果评价方法1 范围本标准规定了预抽回采工作面煤层瓦斯防治煤与瓦斯突出(以下简称防突)措施效果评价的方法、指标。
本标准适用于采用预抽回采工作面煤层瓦斯措施防治煤与瓦斯突出的矿井。
2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
AQ 1026 煤矿瓦斯抽采基本指标3定义3．1预抽回采工作面煤层瓦斯进技术pre-drainage gas of territorial seam of working face回采前在工作面煤层区域内，施工一定数量的钻孔，抽放煤层瓦斯。
3．2预抽回采工作面煤层瓦斯防突效果评价effect evaluating 0f measure of outburst prevention by pre-drainage 0f coal-bed methane in front 0f coal face 针对突出煤层回采工作面在采取预抽煤层瓦斯防突措施后，对所采取的防突措施的效果进行评价，以确定肪突措施是否有效。
煤与瓦斯突出措施效果检验孔设计(1)
防治煤与瓦斯突出措施效果检验孔设计为了贯彻落实“安全第一，预防为主”的安全生产方针，认真执行《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出规定》，预防煤与瓦斯突出事故的发生，针对我矿实际情况，特编制以下措施效果检验孔设计：一、区域措施效果检验（一）检验指标因我矿主要采取预抽煤层瓦斯作为区域防突措施，故采用预抽区域的煤层残余瓦斯含量为主要指标进行措施效果检验。
对预抽煤层瓦斯区域防突措施进行检验时，按照如下指标进行评判：根据残余瓦斯含量进行检验，残余瓦斯含量小于8m3/t的预抽区域为无突出危险区，否则，即为突出危险区，预抽防突效果无效；采用钻屑瓦斯解吸指标对穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施进行检验，如果所有实测的指标值均小于表1的临界值则为无突出危险区，否则，即为突出危险区，预抽防突效果无效。
但若检验期间在煤层中进行钻孔等作业时发现了喷孔、顶钻及其他明显突出预兆时，发生明显突出预兆的位置周围半径100m内的预抽区域判定为措施无效，所在区域煤层仍属突出危险区。
当采用残余瓦斯含量的直接测定值进行检验时，若任何一个检验测试点的指标测定值达到或超过了有突出危险的临界值而判定为预抽防突效果无效时，则此检验测试点周围半径100m内的预抽区域均判定为预抽防突效果无效，即为突出危险区。
对穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施采用钻屑瓦斯指标进行检验时，只要有一个测定值达到或超过了临界值，则该石门揭煤区域的预抽防突效果均判定为无效。
表1钻屑指标法对石门工作面区域措施效果检验的临界指标最大钻屑量K1危险性Kg/m L/m mL/(g.min1/2)≥6 ≥5.4 ≥0.5 突出危险工作面<6 <5.4 <0.5 无突出危险工作面（二）区域措施效果检验孔设计1、回采工作面：回采工作面长度未超过120米时，沿回采工作面推进方向每间隔30-50m取一个样，取样点距离采面运输巷或回风巷不小于30m；回采工作面长度大于120m时，则在回采工作面推进方向每间隔30-50m至少取2个样，取样点距离采面运输巷或回风巷不小于30m，具体见图一。
防治煤与瓦斯突出技术参数规定
防治煤与瓦斯突出技术参数规定一预抽效果评估方法及管理办法一、掘进条带预抽每50m、回采本层预抽、穿层网格预抽每IOOnI设置测流、放水和调节装置，石门、掘进磕头的局部预抽在汇流管附近的抽放支管上设置测流和调节装置。
二、干支管及卸压钻场、防突预抽地点每周测定一次负压、浓度、流量等参数；其余地点每旬测定1次；单孔每月巡回检查1次；掘进磕头的局部预抽，至少每3天测定一次负压、浓度、流量等参数。
根据测定结果，对抽放钻孔有关参数进行及时调节Q三、石门揭煤预抽、掘进条带预抽、穿层网格预抽、回采本层预抽达到有效指标后，在编制防突措施的同时，要把预抽评估报告作为措施附件。
掘进磕头预抽达到有效指标后，必须每次进行预抽评估,评估报告由矿总工审定后，采取工作面检验等局部防突措施施工。
四、严格预抽效果评估，提高预抽效果。
（一）石门、掘进磕头的局部预抽效果评估Q1、施工钻孔排放瓦斯量，要利用回风瓦斯监测和风量进行计算。
2、在预抽期间，按时测定钻场抽放参数（包括抽放负压、大气压、浓度、速压或压差），计算出抽放流量，并利用矿井总抽放量对抽放流量进行平差。
3、施工抽放孔时石门选择9个、掘进磕头选择3个钻孔测定突出危险指标，作为分析判断预抽效果的指标之一Q（二）掘进条带、穿层网格预抽效果评估1、预抽期间，按时测定抽放参数（包括大气压、抽放负压、浓度、速压或压差），计算抽放流量，并利用矿井总抽放量对抽放流量进行平差。
2、施工条带抽放孔时应选择10%以上的钻孔测定突出危险指标，作为分析判断预抽效果的指标之一Q（三）回采本层预抽效果评估1、施工钻孔排放瓦斯量，要利用回风瓦斯监测和风量进行计算。
2、按时测定抽放参数（包括大气压、抽放负压、浓度、速压或压差），计算抽放流量，并利用矿井总抽放量对抽放流量进行平差Q3、施工抽放孔时应选择20%的钻孔测定突出危险指标，作为分析判断预抽效果的指标之一。
（四）关于评估报告的内容1、分析工作面瓦斯地质情况、突出危险情况。
煤与瓦斯突出预测及效果检验
③ 对穿层钻孔预抽石门（含立、斜井等）揭煤区域煤层 瓦斯区域防突措施进行检验时，如图16-3所示。
一、煤与瓦斯突出区域性预测及效果检验
区域措施效果检验
④ 对顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进 行检验时，在煤巷条带每间隔20～30m至少布置1个检验 测试点，且每个检验区域不得少于3个检验测试点。
钻孔应当尽可能布置在软分层中，一个钻孔位于 掘进巷道断面中部，并平行于掘进方向，其他钻孔 的终孔点应位于巷道断面两侧轮廓线外2～4m处。
二、煤与瓦斯突出局部预测及效果检验
工作面措施效果检验
➢石门和岩石井巷揭煤效果检验
对石门和其他岩石井巷揭煤工作面进行防突 措施效果检验时，应当选择钻屑瓦斯解吸指标法 或其他经试验证实有效的方法，但所有用钻孔方 式检验的方法中检验孔数均不得少于5个，分别 位于石门的上部、中部、下部和两侧。
二、煤与瓦斯突出局部预测及效果检验
工作面突出危险性预测
（2）钻屑瓦斯解吸指标法
各类工作面钻屑瓦斯解吸指标的临界值应根 据试验考察确定，在确定前可暂按表16-2中所列的 指标临界值预测突出危险性。
二、煤与瓦斯突出局部预测及效果检验
工作面突出危险性预测
二、煤与瓦斯突出局部预测及效果检验
工作面突出危险性预测
✓ 在瓦斯风化带和瓦斯地质分析法划分出的无突出危险 区和突出危险区以外的区域，与瓦斯突出区域性预测及效果检验
区域措施效果检验
当采用保护层开采或预抽煤层瓦斯等区域防突 措施后，需进行区域防突效果的检验。
➢区域效果检验的主要指标
✓ 开采保护层的保护效果检验主要采用残余瓦斯 压力、残余瓦斯含量、顶底板位移量及其他经 试验证实有效的指标和方法，也可以结合煤层 的透气性系数变化率等辅助指标。
煤与瓦斯突出效果检验
煤与瓦斯突出效果检验（1）远距离和极薄煤层保护层的保护效果检验保护层的开采厚度等于或小于0.5m、上保护层与突出煤层间距大于50m或下保护层与突出煤层间距大于80m时，都必须对保护层的保护效果进行检验。
检验应在被保护层中掘进巷道时进行。
如果各项测定指标都降低到该煤层突出危险临界值以下，则认为保护层开采有效；反之，认为无效。
（2）预抽煤层瓦斯防治突出措施效果检验预抽煤层瓦斯在突出防治中取得了很好的效果，但预抽煤层瓦斯后对其效果也应检验。
对预抽瓦斯防突措施效果的检验应在煤巷掘进时进行。
（测煤层瓦斯压力和突出危险指标）（3）石门揭煤工作面防突措施效果检验石门防突措施执行后，应采取钻屑指标等方法检验措施效果。
检验孔孔数为4个，其中石门中间一个并应位于措施孔之间，其它三个孔位于石门上部和两侧，终孔位置应位于措施控制范围的边缘线上。
如检验结果的各项指标都在该煤层突出危险临界值以下，则认为措施有效，反之，认为无效。
（4）煤巷掘进工作面防突措施效果检验煤巷掘进工作面执行防突措施效果检验时，检验孔孔深应小于或等于措施孔，并应布置在两个措施孔之间。
如果测定的指标都在该煤层突出危险临界值以下，则认为措施有效，反之，认为无效。
当措施孔无效时，无论措施孔还留有多少超前距都必须采取防突的补充措施，并经过措施效果检验后，方可采取安全措施施工。
当检验孔深等于措施孔深时，经过检验措施有效后，必须留有5m的投影孔深的超前距。
当检验孔深小于措施孔深，且两孔投影孔深的差值不小于3m时，经过检验措施有效后，方可采用2m投影孔深的超前距。
（5）采煤工作面防突措施效果检验采煤工作面采用浅孔注水或松动爆破措施时，可采用钻孔瓦斯涌出松动法、钻屑指标法或其它经过试验检验证实有效的方法检验防突措施的效果。
检验钻孔应打在措施孔之间。
检验指标小于该煤层突出危险临界值时，认为防突措施有效，反之，认为防突措施无效。
在措施效果无效区段，必须采取补充防治突出的措施，并经过措施效果检验有效后方可采取安全措施施工，并应留有不小于2m的超前距。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
突出煤层密集钻孔瓦斯预抽的数值试验易丽军1,俞启香2(1.广西大学资源与冶金学院,广西南宁530004;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008)摘 要:密集钻孔预抽瓦斯技术是一种防止煤与瓦斯突出的措施,为了提高预抽效率和合理布置钻孔,应用固气耦合RFP A 2D-G AS 数值试验系统,研究在不同煤层透气系数、钻孔间距、钻孔直径、煤层瓦斯含量系数和预抽时间等因素条件下,煤层瓦斯压力和抽采半径的变化规律。
得出透气系数、钻孔直径越大,钻孔间距和瓦斯含量系数越小,煤层瓦斯压力下降幅度越大,抽采半径越大,达到消除煤层突出危险的瓦斯压力值所需的预抽时间越短;随着钻孔预抽时间的延长,瓦斯压力下降范围将扩大,抽采半径增加。
并用工程实例进行了验证。
关键词:突出煤层;密集钻孔;瓦斯预抽;数值试验中图分类号:T D713+.37 文献标识码:A 文章编号:1003-496X (2010)02-0001-04Nu m er i ca l Test of Ga s Pre -dra i n age w ith D en se Boreholes i n O utburst Coa l SeamYIL i -jun 1,Y U Q i -xiang2(1.College of Resource and M etallurgy,Guangxi U niversity,N anning 530004,China;2.School of Safety Engineering,China U niversity of M ining and Technology,Xuzhou 221008,China )Abstract:The dense borehole p re -drainage technol ogy is a p reventive measure f or coal and gas outburst .I n order t o enhance the p re -drainage efficiency and rati onally arrange borehole,the s olid -gas coup led RFP A2D-G AS nu merical test syste m is app lied t o studythe variati on regularity in gas p ressure and drainage radius under different fact ors .These fact ors include coal sea m per meability coeffi 2cient,s pace bet w een boreholes,borehole dia meter,gas content coefficient and p re -drainage ti m e .It can be concluded that if large per meability coefficient and large borehole dia meter are used with s mall s pace bet w een boreholes and s mall content coefficient in the coal sea m,then the l owered range in gas p ressure and drainage radius will be large .It is required the shortest p re -drainage ti m e t o a 2void the outburst danger of coal sea m.I f the p re -drainage ti m e p r ol ongs,the l owered range in gas p ressure and drainage radius in 2crease .An engineering p ractical experi m ent is found t o app r ove t o this nu merical test .Key words:outburst coal sea m;dense boreholes;gas p re -drainage;nu merical test基金项目:广西科学基金资助项目(桂科基0663024) 在开采单一煤层或煤层群中层间距很大以及各开采煤层都具有突出危险的情况下,将没有或没有合适的保护层可供选择时,往往采用瓦斯预抽方法来消除突出。
近年来,随着抽采瓦斯技术的改进和完善,治理矿井瓦斯的需要,使大面积预抽煤层瓦斯这种区域性防突措施得到了迅速的发展〔1〕。
现场试验〔2〕表明,钻孔产生的卸压区是有限的,但在预抽初期钻孔瓦斯涌出量大的主要原因是钻孔造成孔壁周围的煤体松动卸压,使瓦斯大量解吸排放的结果,这部分解吸瓦斯很快枯竭使钻孔瓦斯迅速衰减。
钻孔在长期抽采过程中,获得比较稳定的瓦斯量,是补给瓦斯源外移的结果。
由于补给源外移,煤体发生各项参数变化的范围也随扩大,也即是把煤体预抽后卸压的范围向外扩大。
这就是钻孔能使大面积煤体卸压的基本原因。
应用大连力软科技有限公司开发的RFP A 2D瓦斯版软件对密集钻孔瓦斯预抽进行全面系统的数值试验,针对影响钻孔预抽的各个因素分别试验,从而得出在各因素影响下的钻孔预抽瓦斯的有效半径随时间的变化规律。
1 煤岩-瓦斯固气耦合理论1.1 煤岩体中瓦斯渗流场方程根据达西渗透方程、瓦斯含量方程、瓦斯气体状态方程和质量守恒定律,可得到瓦斯气体在煤岩体中流动的渗流场方程αp ・ 2P =9p9t(1)式中,αp =4λp34A;A为煤层瓦斯含量系数,m3/(t・MPa1/2);λ为煤层透气性系数,m2/(MPa2・d); P为煤层瓦斯压力p的平方,P=p2,MPa2。
1.2 煤岩体的变形场方程孔隙压力作用下煤岩固体骨架的变形场方程由应力平衡微分方程、几何方程和变形本构程3个部分组成。
由这3个方程可得到以位移表示的考虑孔隙压力的煤岩体变形场方程(κ+G)・u j,ji+Gu i,jj+f j+(α・P),i=0(2)式中,G,κ为剪切模量和拉梅常数;u为变形位移;i,j=1,2,3;f为体力,MPa;α为瓦斯压力系数,0<α<1。
1.3 煤岩-瓦斯流固耦合模型结合式(1)和(2)组成了煤层瓦斯流动的流固耦合模型:αp 2P=9P 9t(κ+G)・u j,ji+Gu i,jj+f j+(α・P),i=0考虑到煤岩体变形-瓦斯渗流的相互作用和影响,可引起透气系数的变化,可引入透气系数-应力耦合关系方程来反映煤岩体变形过程中透气系数的演化情况。
λ=ξλe-β(σ0/3-ap′)(3)式中,λ0为初始透气系数;p′为孔隙压力;σij为煤岩体的总应力分量(i,j=1,2,3);ξ、α、β分别为透气系数突跳倍率、孔隙压力系数和耦合系数〔3-6〕。
2 数值试验的参数与模型2.1 数值试验参数的选取影响煤层瓦斯预抽的因素主要有煤层透气性系数、钻孔直径、钻孔间距、煤层瓦斯含量系数和预抽时间等〔7-9〕。
考虑我国煤层透气系数较小以及目前的钻孔和抽放设备,各因素的选值如下:透气性系数λ:0.01、0.05、0.1、0.5、1.0、5.0 m2/(MPa2・d);钻孔直径d:60、100、150、200、250、300mm;钻孔间距D:2、4、6、8、10、12m;瓦斯含量系数A:4、6、8、10、12、14m3/(t・MPa1/2);预抽时间t:10、30、90、180、270、360d。
模拟深度600m,在普遍研究中采用钻孔直径100mm,钻孔间距8m,瓦斯压力2MPa,预抽时间180d,其它参数见表1。
一般模型尺寸16m×16 m,划分160×160个网格。
2.2 数值试验的模型采用平面应变和瓦斯径向流动模型,将所研究的问题简化为平面问题。
在钻孔预抽中,钻孔等间距布置,每个钻孔所负担的预抽面积相等,模型中布置4个钻孔,模型四周为双向等压应力σ边界,如图1所示。
瓦斯边界条件,假设模型边界为无瓦斯补给,瓦斯流量q=0,也就是说,每个钻孔所承担的抽采瓦斯量相等,初始条件t=0时,模型内为煤层原始瓦斯压力,钻孔壁面作用的是瓦斯预抽压力为0.07MPa。
边界若达到瓦斯绝对压力0.84MPa以下〔10〕,就可认为模型内已经消除突出危险,这时所对应的时间和半径,即为预抽瓦斯所需的时间和钻孔预抽半径。
图1 数值试验模型表1 数值试验参数参 数参数值均质度5弹性模量/GPa2抗压强度/MPa30摩擦角/(°)30泊松比0.25透气性系数/m2・(MPa2・d)-10.1瓦斯含量系数/m3・(t・MPa1/2)-18孔隙压力系数0.6耦合系数0.153 数值试验的结果将试验计算参数输入到RPF A软件中,分别研究因透气系数、钻孔直径、钻孔间距、瓦斯含量系数和预抽时间等因素变化而得出煤层瓦斯压力变化与分布图,见图2-图6所示。
图2 不同透气系数A -A 切面的瓦斯压力变化与分布图3 不同钻孔直径A -A 切面的瓦斯压力变化与分布图4 不同钻孔间距A -A 切面的瓦斯压力变化与分布图5 不同瓦斯含量系数A -A 切面的瓦斯压力变化与分布图6 不同预抽时间A -A 切面的瓦斯压力变化与分布4 结果分析密集钻孔预抽瓦斯后,形成瓦斯压力的分布似漏斗状,越近钻孔瓦斯压力越小,远离钻孔压力逐渐升高,如图2-图6所示。
4.1 透气系数试验结果分析不同透气系数的煤层瓦斯压力均降低,透气系数越小,煤层瓦斯压力降低幅度就越小,透气系数越大,瓦斯压力降低幅度就越大,如图2所示。
瓦斯压力降低幅度Δp 与透气系数λ呈对数关系,对数方程为Δp =22.127lnλ+26.837。
透气系数为1.0m 2/(MPa 2・d )的煤层,在120d 煤层瓦斯压力由2MPa 降到0.81MPa,透气系数5.0m 2/(MPa 2・d )的煤层,在80d 就瓦斯压力降到0.826MPa,而消除煤层的突出危险性,其余较小的透气系数均还需较长的时间才能达到消除突出危险。
煤层透气系数越小,需要预抽的时间越长,透气系数越大,需要的预抽时间越短。
不同透气系数的有效抽采半径不相同,80d 的预抽时间,不同的透气系数,抽采半径在0.1～4m 范围变化,抽采半径R d 与透气系数λ的变化规律呈正指数关系,指数方程为R d =0.0697e 0.5817λ。
4.2 钻孔直径试验结果分析不同钻孔直径的煤层瓦斯压力均降低,钻孔直径越小,煤层瓦斯压力降幅就越小,反之,瓦斯压力降幅就越大,如图3所示。