本煤层长钻孔孔周瓦斯压力分布规律与布孔策略优化

马嘉星; 殷凌霄; 吕士磊; 苏朝晖; 时创新; 袁满; 夏宏涛

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506814

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (23) :9841-9848 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506814

矿冶工程

本煤层长钻孔孔周瓦斯压力分布规律与布孔策略优化

马嘉星 ¹ ,
殷凌霄 ²^,^* ,
吕士磊 ¹ ,
苏朝晖 ³ ,
时创新 ³ ,
袁满 ² ,
夏宏涛 ³

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Distribution of Methane Pressure around Long Drill Holes in Coal Seams and Hole Layout Optimization

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摘要

为解决本煤层长钻孔布孔间距设置不合理导致的钻孔无效重叠或瓦斯抽采空白带问题,以潘三矿1692(1)工作面为研究对象,借助COMSOL多物理场耦合平台构建气-固耦合模型,模拟分析了不同抽采时间下本煤层长钻孔的孔周瓦斯压力分布规律及其对有效抽采半径的影响。模拟结果显示,本煤层长钻孔的沿程瓦斯压力呈不均匀下降趋势:钻孔前中段抽采能力较强,孔周瓦斯压力下降显著;而钻孔末段(尤其是距孔底10 m范围内)孔周瓦斯压力下降幅度较小,导致有效抽采半径明显减小。通过截取不同钻孔位置的瓦斯压力剖面,分析各截面在不同抽采时间下的瓦斯压力变化特征,计算得到有效抽采半径随时间变化的特征曲线,拟合结果表明有效抽采半径与抽采时间呈显著的指数关系。研究发现,随着抽采时间增加,钻孔有效抽采半径逐步增大,但不同位置增幅存在差异,孔底处始终低于孔口和中段;若以孔口或孔底的有效抽采半径设计布孔间距,会分别导致抽采空白带或钻孔无效重叠,引发安全隐患或造成工程浪费。为此,本文提出以距孔底10 m处的有效抽采半径作为布孔间距的设计依据,同时将钻孔末端10 m内的孔段设为压茬段,既能避免空白带形成,又能兼顾抽采效果与工程经济性。本研究成果可为本煤层长钻孔合理布孔间距的设计提供理论支撑与数值依据。

Abstract

Unreasonable spacing of long boreholes in this coal seam causes ineffective borehole overlap and gas-drainage blank zones. A representative case of the 1692(1) working face in Pansan Mine was considered. A gas-solid coupled model was established on the COMSOL Multiphysics platform. The gas-pressure distribution around long boreholes under different drainage times and its influence on the effective drainage radius were simulated and analyzed. The simulation results show that gas pressure along the borehole decreases non-uniformly. A stronger drainage capacity is observed in the front and middle sections of the borehole. Therefore, a marked pressure drop is formed around these sections. In the rear section, especially within 10 m from the borehole bottom, the pressure drop is limited. As a result, the effective drainage radius is significantly reduced. Gas-pressure profiles at different borehole positions are extracted. Gas-pressure variations on each profile under different drainage times are analyzed. Characteristic curves of the effective drainage radius versus time are obtained. The fitting results indicate that the effective drainage radius has a significant exponential relationship with drainage time. The effective drainage radius increases with drainage time. However, the increase differs by position. The radius near the borehole bottom remains smaller than that at the borehole mouth and the middle section. If borehole spacing is designed by the radius at the borehole mouth, a drainage blank zone is formed. If borehole spacing is designed by the radius at the borehole bottom, redundant borehole overlap is produced. Therefore, the effective drainage radius at 10 m from the borehole bottom is recommended as the basis for borehole-spacing design. The last 10 m of the borehole is defined as a pressure-overlap section. In this way, blank zones are avoided, and both drainage performance and engineering economy are ensured. These results provide theoretical support and numerical evidence for rational borehole-spacing design for long boreholes in this coal seam.

Graphical abstract

关键词

本煤层长钻孔 / 瓦斯抽采 / 瓦斯压力分布 / 有效半径 / 布孔优化

Key words

long boreholes in coal seams / gas extraction / gas pressure distribution / effective radius / borehole layout optimization

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马嘉星, 殷凌霄, 吕士磊, 苏朝晖, 时创新, 袁满, 夏宏涛. 本煤层长钻孔孔周瓦斯压力分布规律与布孔策略优化[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(23): 9841-9848 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506814

MA Jia-xing, YIN Ling-xiao, LÜ Shi-lei, SU Zhao-hui, SHI Chuang-xin, YUAN Man, XIA Hong-tao. Distribution of Methane Pressure around Long Drill Holes in Coal Seams and Hole Layout Optimization[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(23): 9841-9848 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506814

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本煤层长钻孔抽采瓦斯技术是当前煤矿瓦斯治理中应用广泛的手段,在矿井采掘作业中发挥着重要作用。钻孔的抽采半径是制定合理钻孔布置参数及评价抽采效果的关键依据^[1]。若钻孔间距过小,易引发串孔现象,造成资源与施工浪费;若间距过大,则易形成抽采空白带,威胁矿井安全^[2-3]。因此,深入研究本煤层长钻孔孔周瓦斯压力分布规律,分析钻孔有效抽采半径,合理确定钻孔布孔间距,对实现瓦斯高效抽采与矿井安全生产具有重要意义。

针对钻孔孔周瓦斯压力的空间分布特征,王方田等^[4]通过瓦斯运移多场耦合分析指出,单一大直径钻孔周围的瓦斯压力可近似视为以钻孔圆心为对称中心的椭圆形分布,且从圆心向外瓦斯压力呈逐步升高趋势;李哲^[5]从力学角度构建大直径钻孔卸压增透模型,研究发现大直径钻孔周围的瓦斯压力会随抽采时间的增加而降低;倪兴^[6]针对水力割缝钻孔展开研究,分析有效抽采半径与孔周瓦斯压力的演化规律,结论表明当孔间距缩小时,煤体内的瓦斯压力也随之下降;Wang等^[7]利用COMSOL对沿煤层瓦斯抽放过程中的瓦斯演化机理进行数值模拟,结果显示:抽放初期,钻孔邻近区域的瓦斯压力下降最为显著;随着抽放过程推进,瓦斯压力变化的影响范围与强度均逐渐减弱;Cheng等^[8]对非吸收平衡条件下钻孔周围瓦斯压力的分布规律进行数学推导,得出在气体流动条件下瓦斯吸收处于非平衡状态时,钻孔周围的瓦斯压力随时间基本呈线性下降趋势。

针对钻孔有效抽采半径,陈明义等^[9]构建了考虑水分影响的煤体渗透率模型与固-气多场耦合模型,研究了不同因素对钻孔有效抽采半径的交互作用,结果表明钻孔有效抽采半径与初始渗透率呈正相关,而与初始瓦斯压力和含水率均呈负相关;蒋恒等^[10]推导了不同预抽时间条件下钻孔有效抽采半径与原始瓦斯压力的函数关系,结果显示随着抽采时间增加,有效抽采半径同步增大,且二者更符合对数函数形式;韩沛学等^[1]比较了φ94 mm、φ108 mm两种常用孔径对有效抽采半径的影响差异,结果表明有效抽采半径随钻孔直径增大而不断增大;张民波等^[11]提出了考虑Klinkenberg效应和动态瓦斯扩散系数的双孔双渗透流-固耦合模型,利用COMSOL模拟钻孔瓦斯抽采过程后发现,有效抽采半径与抽采时间和孔径之间符合幂指函数关系;Zhang等^[12]基于六边形钻孔布置模式,定量分析了地质因素对钻孔有效抽采半径的影响,结果表明有效抽采半径随初始瓦斯压力和埋深增加而减小,随初始渗透率增加而增大;Xu等^[13]建立了钻孔周围瓦斯渗流单元模型,系统分析了原始瓦斯压力、钻孔直径和抽采负压对抽采效果的影响,结果表明有效抽采半径与抽采时间呈线性关系,与钻孔直径和负压成正比,且原始瓦斯压力是影响有效抽采半径的主要因素。

由上述研究可以看出,在钻孔孔周瓦斯压力分布方面,现有研究多集中于静态分布或抽采初期,缺乏对抽采全过程中沿钻孔长度方向瓦斯压力的动态变化的研究,尤其是对钻孔底部区域的瓦斯抽采能力减弱的关注不足;在钻孔有效抽采半径方面,现有研究多采用平均或局部有效抽采半径作为布孔间距的设计依据,没有充分考虑钻孔沿程有效抽采半径的不均匀分布特征,容易造成钻孔无效重叠或抽采空白带。为此,结合前人研究,以潘三矿1692(1)工作面为例,基于COMSOL软件构建气-固耦合数值模型,模拟分析不同抽采时长下,单钻孔沿程的孔周瓦斯压力分布规律,并提取不同位置截线,研究有效抽采半径的时空演化特征,进而为本煤层长钻孔布孔间距优化设计提供理论依据和技术支撑。

1 基于COMSOL的工作面瓦斯运移模型的构建

1.1 气固耦合模型建立

瓦斯抽采引发的煤体变形具有显著的压力-吸附耦合特征,因此需综合考虑瓦斯压力与吸附/解吸效应的影响。煤体变形控制方程通常由几何方程、平衡方程和本构方程三部分构成,故而考虑瓦斯压力作用的煤体变形控制方程^[14]为

(1)$ G u_{i, j j}+\frac{G}{1-2 \nu} u_{i, j i}-\beta p_{i}+F_{i}=0$

式(1)中:G为煤体剪切模量,MPa;ν为煤体泊松比;p_i为煤层瓦斯压力,MPa;u_i为煤体骨架在x_i方向上的位移分量,m;β为煤体中对应的Biot有效应力系数;F_i为体积力项,MPa/m;i,j=1,2,3,分别表示空间坐标方向。

由于双重孔隙介质中煤体的孔隙率远小于1,且孔隙渗透率显著低于裂隙渗透率,孔隙网络对整体渗流的影响可相对弱化。因此,仅考虑裂隙渗透率,并进一步假设煤体处于单轴应力状态且外加应力荷载保持恒定,则煤体的渗透率演化方程^[15]为

(2)$ k=\frac{k_{0}}{1+\varepsilon_{\mathrm{v}}}\left[1+\frac{\varepsilon_{\mathrm{v}}+\Delta p\left(1-\varphi_{0}\right) / k_{\mathrm{s}}}{\varphi_{0}}\right]^{2}$

式(2)中:k为煤体的绝对渗透率,m²;k₀为煤体的初始渗透率,m²;ε_v为煤体体积应变;ϕ₀为煤体初始孔隙率,%;Δp为瓦斯压力变化量,MPa;k_s为煤体基质体积模量,MPa。

考虑到瓦斯渗流存在Klinkenberg效应,且该效应对煤体渗透率影响显著,在渗流描述中引入该效应,得到了考虑Klinkenberg效应的煤体气体渗透率演化方程,即

(3)$ k_{\mathrm{g}}=\frac{k_{0}}{1+\varepsilon_{\mathrm{v}}}\left[1+\frac{\varepsilon_{\mathrm{v}}+\Delta p\left(1-\varphi_{0}\right) / k_{\mathrm{s}}}{\varphi_{0}}\right]^{2}\left(1+\frac{b_{\mathrm{b}}}{p}\right)$

式(3)中:k_g为煤体气体渗透率,m²;b_b为克氏系数,MPa。

煤的孔隙率定义为煤体中毛细孔体积占总体积的比例,其表达式为^[16]

(4)$ \varphi=1-\frac{1-\varphi_{0}}{1+\varepsilon_{\mathrm{v}}}\left(1-\frac{\Delta p}{k_{\mathrm{s}}}\right)$

式(4)中:ϕ为煤体孔隙率,%;ϕ₀为煤体初始孔隙率。

煤体裂隙内瓦斯含量的变化来源于两部分过程:一方面,煤体基质中的瓦斯向裂隙扩散并进入裂隙系统;另一方面,裂隙中的瓦斯沿裂隙渗流流入钻孔。因此,煤体裂隙内的瓦斯变化量等于“基质扩散进入裂隙的质量”与“裂隙流入钻孔的质量”之差。瓦斯在煤层中的渗流过程满足质量守恒,因此煤体裂隙中瓦斯压力的时变控制方程^[17]可写为

(5)$ \begin{aligned}\alpha p \frac{\partial \varepsilon_{\mathrm{v}}}{\partial t}+ & {\left[\frac{a b c p_{\mathrm{n}}}{(1+b p)^{2}}+\frac{p(1-\varphi)}{k_{\mathrm{s}}}+\varphi\right] \frac{\partial p}{\partial t}=} \\\nabla \cdot & {\left[p \frac{k_{\mathrm{g}}}{\mu}\left(1+\frac{b_{\mathrm{b}}}{\mu} \nabla p\right)\right] }\end{aligned}$

式(5)中:α为等效应力系数;t为时间,s;a为Langmuir体积常数,m³/kg;b为Langmuir吸附常数,MPa^-1;c为煤体校正参数,kg/m³;p_n为标准大气压,kPa;μ为瓦斯动力黏度,Pa·s;$ \nabla p$为瓦斯压力梯度,Pa/m。

将式(1)~式(5)联立可构建考虑Klinkenberg效应的煤与瓦斯气-固耦合模型。基于该模型,选用COMSOL进行瓦斯抽采数值模拟,研究本煤层长钻孔的瓦斯抽采效果。

1.2 模型建立及参数设置

如图1所示,根据潘三矿1692(1)的工作面开采条件,构建煤体尺寸为200 m×100 m×33 m的三维几何模型。煤层厚度为4 m,倾角为5°,煤层原始瓦斯含量为5.837 4 m³/t,瓦斯压力为1.41 MPa。同时在煤层中布置本煤层抽采长钻孔,长度150 m,孔径120 mm。

该模型物理参数如表1所示。在网格划分中,对计算域(即煤层)进行三维离散,采用以四面体为主的非结构化网格,并在几何规则区域辅以局部扫掠/棱柱层以保证近壁分辨率。考虑到钻孔附近压力梯度与渗流速度变化最为剧烈,网格采用“全局控制+孔周局部加密”的策略,在抽采孔壁及其邻域进行了网格加密,并沿径向逐级过渡至远场粗网格以兼顾计算效率与数值稳定性。

为了保证模拟结果与网格划分方式无关,分别划分了粗/较粗/中/较细/细五组网格,取钻孔中点处垂直于钻孔的水平线为特征线,以特征线处的瓦斯压力分布为对比指标,进行网格无关性验证。如图2所示为不同网格尺寸下特征线处的瓦斯压力分布曲线,可以看出网格尺寸的变化并不影响模型的运算结果,可认为模型通过网格无关性检验。

2 本煤层长钻孔瓦斯抽采有效半径分析

有效抽采半径是指抽采钻孔在一定的抽采负压条件下抽采某个时间时,达到消突效果或抽采达标区域的半径长度。依据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的相关规定,突出煤层工作面采掘作业前必须将控制范围内煤层的残余瓦斯含量或瓦斯压力降到始突深度处的瓦斯含量或瓦斯压力以下。没有考察出煤层始突深度处的煤层瓦斯压力或含量时,分别按照0.74 MPa、8 m³/t取值^[18]。由于潘三矿并未考察出煤层始突深度,且煤层原始瓦斯含量为5.837 4 m³/t,低于8 m³/t,因此以残余瓦斯压力小于0.74 MPa作为抽采达标的指标,同时也作为瓦斯抽采有效半径的判断指标。

采用COMSOL数值计算软件,利用图1所示数值模型,以潘三矿常用的20 kPa抽采负压为例,对钻孔抽采有效半径进行分析确定。同时在模型中另置距孔口分别为0、30、60、90、120、130、140、150 m的截线,且垂直于钻孔,长度为50 m,即截线1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8,如图3所示。

分别绘制抽采30、90、150、180 d时本煤层长钻孔的瓦斯压力分布矢量图及云图如图4所示,其中黑色等值线为瓦斯压力0.74 MPa等值线。

由图4可以看出,在恒定抽采负压下,随着抽采时间的增加,煤层残余瓦斯压力0.74 MPa等值线逐渐远离钻孔,表明钻孔有效抽采半径随时间增加而增大。此外,该等值线在钻孔前段约0~130 m范围内与钻孔轴线几乎平行,而在末段约20 m范围内开始收缩,特别是在末段约10 m范围内迅速收缩,表明本煤层长钻孔末段的抽采能力明显弱于中前段,导致孔底瓦斯抽采半径明显降低,因此在确定本煤层长钻孔的有效抽采半径时要充分考虑该现象。

由于瓦斯压力分布矢量图及云图无法得到有效抽采半径的准确数值,因此提取不同抽采时间下8条观测截线上的瓦斯压力,并绘制抽采瓦斯压力分布曲线如图5所示。

由图5可知,在不同抽采时间下钻孔不同位置的瓦斯压力分布基本一致,截线1~截线6的压力曲线几乎重合,表明孔口至130 m范围内的抽采半径几乎相同。而截线7和截线8处,在距钻孔中心相同距离的瓦斯压力高于其他截线,尤以截线8最为明显,表明钻孔末端(130~150 m)抽采能力明显减弱,有效半径逐渐减小。这一特征进一步证实了本煤层长钻孔在末段存在抽采能力减弱的现象,在实际布孔中应合理限定有效钻孔长度。

提取图5中煤层残余瓦斯压力0.74 MPa等值线与各截线交点处横坐标,得到不同抽采时间下本煤层长钻孔不同位置的有效抽采半径,并将其绘制成曲线如图6所示。

由图6可知,不同抽采时间下,本煤层长钻孔沿程各位置的瓦斯抽采有效半径呈相同变化趋势:在孔口至120 m范围内基本不变;120~140 m范围内开始逐渐减小;而140~150 m范围内则急剧减小。需要注意的是,抽采时间为30 d时,0~140 m范围内的有效半径波动较大,这是因为抽采初期煤层瓦斯尚未充分解吸,钻孔周围瓦斯运移强烈,导致压力分布不均匀,从而引发有效半径波动较大。

进一步的,当抽采时间从30 d增加到180 d时,本煤层长钻孔孔口(距孔口0 m处)的有效抽采半径从2.91 m增加到8.30 m,而孔底(距孔口150 m处)的有效抽采半径从1.25 m增加到3.26 m。孔口与孔底处有效抽采半径的差值随时间的增加而逐渐增大,因此当进行长时间的瓦斯抽采时,若以孔口处的有效抽采半径作为布孔间距,由于钻孔末端的有效抽采半径远小于孔口处,钻孔末端附近出现大量的瓦斯抽采空白带,导致瓦斯局部富集,形成安全隐患;若以孔底出的有效抽采半径作为布孔间距,由于钻孔前端的瓦斯抽采半径远大于孔底,钻孔前端出现钻孔无效重叠,造成大量工程浪费。

由于本煤层长钻孔在孔底10 m处开始出现有效抽采半径急剧减小的现象,且该处的有效抽采半径为孔口处的83%。因此,为了在保证瓦斯抽采效果的同时最大程度减少钻孔工程量,选择距钻孔孔底10 m处的有效抽采半径作为本煤层长钻孔的布孔间距设计依据。同时将本煤层长钻孔孔底10 m以内的钻孔段作为压茬段^[19],以此来避免钻孔末端附近出现空白带,从而提高瓦斯抽采效果。基于此,得到本煤层长钻孔在20 kPa抽采负压下,不同抽采时长时的有效抽采半径,如图7所示。

为了得到本煤层长钻孔有效抽采半径与抽采时间的关系,通过对图7中的数据进行拟合,得到了在20 kPa抽采负压下抽采时间与有效抽采半径呈指数关系,拟合度为0.998 77。即

$r=-6.82353 \mathrm{e}^{x / 110.15673}+8.16241$

利用该曲线,进行本煤层长钻孔布孔间距设计时,可以根据不同的抽采时长需求确定钻孔有效抽采半径,并以该有效抽采半径作为依据设计合理的钻孔布孔间距,从而有效提高瓦斯抽采效果。

3 结论

(1)构建了基于COMSOL的气-固耦合数值模型,模拟了本煤层长钻孔抽采过程中孔周瓦斯压力的动态变化过程。研究结果表明,本煤层长钻孔的沿程瓦斯压力呈现不均匀下降趋势,即前中段孔周瓦斯压力下降明显,但在钻孔末段特别是距孔底10 m范围内,存在孔周瓦斯压力下降幅度较小的情况,导致钻孔远端的有效抽采半径明显小于近端和中段。

(2)提出将距钻孔孔底10 m处的瓦斯抽采有效半径作为本煤层长钻孔的布孔间距设计依据,同时将钻孔末端10 m范围内的钻孔段作为压茬段,以避免钻孔末端附近出现空白带。

(3)进一步分析发现,在20 kPa的抽采负压下,有效抽采半径与抽采时间呈显著的指数增长关系。该数学模型可用于快速预测任意抽采时长下的有效抽采半径,从而实现布孔间距的定量设计。

(4)本文研究尚未考虑煤体结构的非均质性、多钻孔间的相互干扰作用以及抽采负压变化等因素。建议在后续的研究中引入现场实测数据与多钻孔模型进行验证与拓展。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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