鉆孔抽采半徑測定研究報告

1、淮北礦區(qū)鉆孔抽采半徑測定淮北礦區(qū)鉆孔抽采半徑測定研研 究究 報報 告告中國礦業(yè)大學安全工程學院中國礦業(yè)大學安全工程學院二二一二年八月一二年八月目 錄1 前 言.12 鉆孔周圍煤體中瓦斯流動理論及影響因素.32.1 瓦斯在煤層中的流動狀態(tài).32.2 抽排鉆孔瓦斯徑向流動模型.42.3 瓦斯抽采效果影響因素.62.3.1 抽采時間.72.3.2 抽采負壓.72.3.3 鉆孔直徑.72.3.4 鉆孔施工及封孔質(zhì)量.82.3.5 煤體滲透特性.82.3.6 地應力.92.3.7 瓦斯壓力.102.3.8 煤體吸附特性.113 抽采鉆孔瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬分析.123.1 數(shù)值模型建立.123.1.1 數(shù)值

2、模擬軟件簡介.123.1.2 鉆孔瓦斯?jié)B流模型的建立.133.2 模擬參數(shù)設置.143.2.1 模型基礎參數(shù)設置.143.2.2 模型邊界設置.153.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析.153.3.1 抽采時間的影響.153.3.2 抽采負壓的影響.203.3.3 煤層滲透率的影響.213.3.4 鉆孔孔徑的影響.234 瓦斯抽排半徑測定方法.264.1 穿層鉆孔抽采半徑測試方法.264.1.1 平行鉆孔布置法.264.1.2 終孔圓周布置法.274.2 順層鉆孔抽采半徑測試方法.284.2.1 測試原理.284.2.2 測試方法.294.3 煤巷掘進工作面淺孔排放半徑測試方法.305 瓦斯抽排半徑現(xiàn)場

3、測試及結(jié)果分析.325.1 蘆嶺礦穿層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析.325.1.1 測試地點概況.325.1.2 鉆孔施工參數(shù)及鉆孔間距的確定.335.1.3 有效抽采半徑確定依據(jù).345.1.4 測試結(jié)果及分析.355.1.5 抽采后煤層消突效果.425.2 楊柳礦穿層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析.445.2.1 測試地點概況.445.2.2 鉆孔設計及施工參數(shù).455.2.3 測試結(jié)果及分析.455.3 祁南礦順層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析.495.3.1 測試地點概況.495.3.2 鉆孔設計及施工參數(shù).495.3.3 測試結(jié)果及分析.505.4 祁南煤礦穿層鉆孔抽采半徑測定及結(jié)果分析.54

4、5.4.1 鉆孔設計及施工參數(shù).545.4.2 測試結(jié)果及分析.555.5 祁南煤礦掘進工作面鉆孔排放半徑測定及結(jié)果分析.585.5.1 鉆孔設計及施工參數(shù).585.5.2 測試結(jié)果及分析.586 瓦斯抽采半徑預測程序設計.616.1 鉆孔瓦斯抽采半徑程序解算模型及算法.616.2 程序設計流程圖.626.3 程序界面及算例.637 總結(jié).661 前前 言言淮北礦區(qū)隨著開采深度的增加，煤層瓦斯壓力、含量相對增加，采掘工作面瓦斯涌出量也逐漸增加，嚴重制約著礦井的安全生產(chǎn)。預抽煤層瓦斯是大多數(shù)突出礦井采取的防突措施。目前淮北礦區(qū)瓦斯治理多采用穿層鉆孔及順層鉆孔預抽煤層瓦斯措施以降低煤層瓦斯含量進而

5、降低工作面瓦斯涌出量，達到治理瓦斯的目的。其中，有效抽采半徑是該措施的一個重要參數(shù)，直接關系到預抽鉆孔間距的設計，影響瓦斯抽采的效果。若抽采鉆孔間距較大，易出現(xiàn)抽采盲區(qū)，達不到抽采效果，留下安全隱患；若抽采鉆孔間距較小，則容易造成工期延長及工程量浪費。所以，比較準確地測定抽采鉆孔的抽采半徑，可避免設計及施工的盲目性，提高抽采效果及施工進度。對抽采瓦斯防治突出及瓦斯超限具有十分重要的意義。目前國內(nèi)應用的鉆孔瓦斯抽采半徑的測試方法主要有鉆孔測試法和計算機模擬法及二者相結(jié)合的方法。在有效性指標的確定上，鉆孔測試法國內(nèi)外采用的指標主要有以下三種：瓦斯壓力指標、瓦斯含量指標、相對瓦斯壓力指標。計算機模擬

6、法主要應用的指標有含量指標和壓力指標。國內(nèi)大多數(shù)礦區(qū)抽采鉆孔抽采半徑為 2.5-4m，多數(shù)礦井抽采半徑根據(jù)經(jīng)驗得到，并沒有進行現(xiàn)場實測，造成了抽采鉆孔設計及施工的盲目性。因此，淮北礦區(qū)有必要現(xiàn)場考察抽采鉆孔的抽采半徑，為礦區(qū)抽采鉆孔設計提供科學依據(jù)。受淮北礦業(yè)股份有限公司通防處委托，中國礦業(yè)大學結(jié)合淮北礦區(qū)煤層瓦斯賦存狀況，開展了淮北礦區(qū)鉆孔抽采半徑測定的研究。兩年來具體研究工作如下：理論分析了影響瓦斯抽采鉆孔抽采效果的因素，建立了鉆孔瓦斯抽采流動模型；運用流體力學軟件 Fluent 對瓦斯抽采鉆孔在非穩(wěn)態(tài)、單一抽采因素下的抽采流場規(guī)律進行了模擬研究，找出鉆孔抽采影響因素對抽采半徑及瓦斯抽采量

7、的影響關系；根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的穿層及順層鉆孔抽采半徑測試方法，結(jié)合淮北礦區(qū)實際情況，優(yōu)選出穿層及順層鉆孔抽采半徑最佳測試方法，即:針對穿層鉆孔抽采半徑傳統(tǒng)測試方法中存在的缺陷，制定出以相對瓦斯壓力為觀測指標，以實際煤層賦存狀況進行三維制圖的圓周布孔法來測定穿層鉆孔抽采半徑；采用流量法測試順層鉆孔瓦斯抽采半徑?，F(xiàn)場對淮北礦區(qū)三個典型突出礦井蘆嶺礦、祁南礦和楊柳礦穿（順）層抽采半徑進行了測定，對已有測定方法的缺陷進行了改進，優(yōu)化了鉆孔設計，用于指導現(xiàn)場抽采鉆孔的設計及施工。根據(jù)瓦斯流動連續(xù)性、瓦斯運動方程、煤層瓦斯含量方程及瓦斯狀態(tài)方程，結(jié)合一維徑向流場瓦斯流動初始及邊界條件，采用 VB 編程，運用

8、迭代算法解算瓦斯壓力梯度微分方程，得出瓦斯抽采影響半徑及有效半徑。對比程序解算結(jié)果及現(xiàn)場實測結(jié)果，吻合度較高，并對解算程序進行了修正與完善，最終開發(fā)出適用與淮北礦區(qū)瓦斯抽采半徑解算的應用程序。通過以上的研究工作，能夠比較準確地測定與解算淮北礦區(qū)瓦斯抽采鉆孔的抽采半徑，可避免鉆孔設計及施工的盲目性，提高瓦斯抽采效果及鉆孔施工進度。對預抽煤層瓦斯防治突出具有十分重要的意義。2 鉆孔鉆孔周圍煤體中周圍煤體中瓦斯瓦斯流動理論流動理論及影響因素及影響因素2.1 瓦斯在煤層中的流動狀態(tài)瓦斯在煤層中的流動是一個十分復雜的運移過程，主要取決于煤層介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)和瓦斯在煤層中的賦存狀態(tài)。煤是一種多孔的微裂隙發(fā)育

9、的介質(zhì)，微裂隙間含有孔隙和大部份與微裂隙相連的毛細管通路，而孔隙和毛細管通路的數(shù)目是變化的，它們之間或多或少互有聯(lián)系，其直徑由幾 um，變化到幾 mm 不等。瓦斯在煤層中主要是以吸附和游離狀態(tài)賦存在煤體中，其中呈游離狀態(tài)壓縮在微裂隙和大孔隙中的較少，大部份為吸附在煤體中。根據(jù)煤體中的孔隙分布和煤層中的裂隙系統(tǒng)可知：瓦斯在煤層中的流動主要是層流滲透運動和擴散運動，其中前者基本上服從 Darcy 滲透定律，且主要發(fā)生在煤體大孔和微裂隙中，后者則基本上服從 Fick 擴散定律，且主要發(fā)生在煤體微孔隙之中。因此，瓦斯在煤體中的運動可以認為是一個擴散滲透的過程。瓦斯抽排過程中，鉆孔周圍煤體中瓦斯壓力分布

10、不均勻，在煤層中就會形成一定的瓦斯流動范圍，這一范圍通常被稱為流場。瓦斯流場按空間流向可以劃分為三種形式：即球向流動、單向和徑向流動。瓦斯在煤層由高瓦斯區(qū)域向低瓦斯區(qū)域運移，流向、流速和瓦斯壓力梯度及瓦斯?jié)舛榷紝儆谕咚沟牧鲃訝顟B(tài)。（1）單向流動在三維空間內(nèi)，只存在一個方向的流速，其余 2 個方向流速均為 0。在礦井掘進過程中如沿煤層開掘巷道，平巷全部開切煤層，且巷道高度大于煤層厚度，則巷道兩翼的瓦斯流動都沿著垂直于巷道的開掘方向，形成相互平行、且方向相同的流場，如圖 2-1（a）所示稱為瓦斯單向流動。3 12a.單向流 b.徑向流圖圖 2-12-1 瓦斯流動示意圖（瓦斯流動示意圖（1.1.流向

11、、流向、2.2.等壓線、等壓線、3.3.巷道）巷道）（2）徑向流動在三維空間的 2 個方向存在分速度，另一個方向的分速度為 0。比如礦井中的豎井、石門、及鉆孔垂直穿透煤層時，煤壁內(nèi)的瓦斯流動都屬于徑向流動，形成的流場為徑向流場。如圖 2-1（b）所示為瓦斯徑向流動。一般情況下，其等壓力線與煤壁平行且呈近似同心圓形。（3）球向流場在三維空間內(nèi) 3 個方向都存在分速度，例如在厚煤層礦井中，掘進煤巷的工作面煤壁內(nèi)，石門或鉆孔即將進入煤層時從中涌出的瓦斯流動基本上都屬于球向流動。球向流動的特點在于：在煤體中形成類似同心球狀的瓦斯壓力等值線，流線則一般呈放射網(wǎng)狀。2.2 抽排鉆孔瓦斯徑向流動模型當鉆孔垂

12、直貫穿煤層時，煤層中將會形成同心圓狀的瓦斯壓力等值線，瓦斯將向鉆孔流動，符合徑向流理論。一般情況下，徑向流動屬于平面流動，其特征是在三維空間中有二向流動。由于煤層本身介質(zhì)性質(zhì)的變化不均，以及受礦井周圍條件的影響，瓦斯在煤層中的流動也存在均質(zhì)與非均質(zhì)、穩(wěn)定與非穩(wěn)定的徑向流。但從宏觀上看，在一個較大的區(qū)域內(nèi)，除斷層、褶皺、煤層變厚變薄等地質(zhì)構(gòu)造帶外，可以看作是均質(zhì)的：煤層內(nèi)的原始瓦斯壓力在一定的區(qū)域內(nèi)也可以看作是均勻的。因此，為使問題簡化，按下列假設來建立抽排鉆孔瓦斯徑向流動模型。（1）煤層頂?shù)装逋笟庑员让簩右〉枚?，因此，可以將煤層頂?shù)装逡暈椴煌笟鈳r層；（2）煤層各向同性，透氣系數(shù)及孔隙率不受煤

13、層中瓦斯壓力變化的影響，但在巷道及鉆孔周圍的卸壓范圍內(nèi)增大；（3）瓦斯可視為理想氣體，瓦斯?jié)B流過程按等溫過程來處理；（4）吸附瓦斯符合朗格繆爾方程，煤層中瓦斯解析在瞬間完成；（5）瓦斯為理想氣體，瓦斯在煤層中流動為層流滲透，且服從達西定律。根據(jù)以上假設，徑向流場的瓦斯在煤層中流動的微分方程以遵循流體在多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒定律和達西定律為基礎。根據(jù)多孔介質(zhì)動力學、煤層瓦斯吸附理論可以推出如下方程： （2-1）()( /)(1)()nnwdivvtvkgradPWabcpbpnppp 上式分別是：瓦斯流動連續(xù)性方程、瓦斯運動方程、煤層瓦斯含量方程和瓦斯狀態(tài)方程。式中：瓦斯質(zhì)量轉(zhuǎn)移矢的散度；)(vp

14、div瓦斯壓力時的瓦斯密度；p瓦斯壓力時的瓦斯密度；nnp煤層瓦斯壓力 Pa；p1 個標準大氣壓，Pa；np煤層內(nèi)瓦斯流動速度矢；v瓦斯源的質(zhì)量強度；tw t時間變量，s；瓦斯壓力梯度；gradP煤的滲透率；k瓦斯的絕對粘度；煤體吸附瓦斯的最大值，；a32mm煤體吸附瓦斯的常數(shù)，；b1pa單位體積煤所含的游離瓦斯量， （或者為煤體的孔隙率） ；n33mm煤質(zhì)參數(shù)，c = 1；cgAfW煤的灰份；gA煤的水份。fW結(jié)合一維徑向流場瓦斯流動的初值條件和邊界條件，當 t=0 時，煤層瓦斯壓力等于原始瓦斯壓力；當 r=，即抽采鉆孔孔徑處的瓦斯壓力等于鉆孔抽采壓力。根0r據(jù)上述 2-1 式，可得煤層瓦斯

15、流場內(nèi)瓦斯壓力函數(shù)隨時空變化的控制微分方程： （2-2）00222220222002211( )(0)()()()0(0)r rr rr RPPPS PtrrRtrrrPrtPrrRPPrtPtr， （2-3）22( )2(2) 1)nS PP PnabcpbPbPr式中：煤層原始瓦斯壓力，Pa；0P煤層鉆孔的抽采壓力，Pa；1P煤層透氣性系數(shù)，；與滲透率的關系如下式：sPam22npk2徑向流場的半徑變量，m；r抽采鉆孔半徑，m；0rR徑向流場的影響半徑，m。式（2-2）中的瓦斯流動方程是非線性的二階偏微分方程，求解是極其困難的，可通過計算機數(shù)值算法求出在給定條件下鉆孔周圍瓦斯壓力隨抽采時間

16、增加的變化，得出近似解，來研究煤層鉆孔周圍的瓦斯壓力分布規(guī)律及其在煤層抽排瓦斯中的應用。2.3 瓦斯抽采效果影響因素瓦斯抽采效果受多種因素影響，分析各影響因素對瓦斯抽采效果的影響機制，找出主要影響因素，有針對性的采取措施，可顯著提高瓦斯抽采效果。瓦斯抽采效果的影響因素主要包括主觀因素和客觀因素兩個方面，主觀因素主要是指抽采參數(shù)及鉆孔施工封孔質(zhì)量等對抽采效果的影響因素，主要包括：抽采時間、抽采負壓、鉆孔直徑、鉆孔的施工及封孔質(zhì)量等；客觀因素主要是煤層的滲透特性對抽采效果的影響，主要包括：煤層瓦斯壓力、地應力、煤體吸附特性等。以下就各因素對瓦斯抽采效果的影響機制進行分析。2.3.1 抽采時間隨著抽

17、采時間的增加，鉆孔抽采總量增加，鉆孔周圍煤體瓦斯被不斷抽出，抽采影響區(qū)域范圍增大；大量實驗及現(xiàn)場應用研究表明，抽采初期，鉆孔瓦斯抽采濃度及流量較大；在抽采后期，抽采量不再增加或呈負指數(shù)規(guī)律逐漸減小。該規(guī)律表明，隨著抽采時間的增加，能夠增加瓦斯抽采量，但存在最佳極限抽采時間，超過這個時間，即使延長抽采時間，瓦斯抽采純量增加很少。若延長抽采時間可導致延誤工期，造成抽采工程量浪費。因此礦井應根據(jù)煤層瓦斯賦存情況，結(jié)合抽采半徑測試結(jié)果，在滿足煤層消突及降低瓦斯涌出量的前提下，綜合確定最佳抽采時間。既保障抽采效果，同時降低抽采費用。2.3.2 抽采負壓為使煤體瓦斯易于流向鉆孔，傳統(tǒng)的觀點認為提高抽采負壓

18、可相應提高煤體中瓦斯流動的壓力差，從而達到提高煤層瓦斯抽采率的目的。但是，從瓦斯在煤層中的運移情況來看，瓦斯能夠在煤體內(nèi)運移需要兩個條件，即壓力差和移動通道的存在。前者為瓦斯壓力差，構(gòu)成了瓦斯在煤體中運移的動力，后者則為煤體中存在的裂隙，構(gòu)成了瓦斯在煤體中運移的通道。所以要增大瓦斯在煤體中的流量，一方面應加大壓力差，另一方面應增大煤層的透氣性，而提高抽采負壓，對煤層中瓦斯壓力差的增大是有限的（因為其極限值只能達到 0.1Mpa，況且提高抽采負壓對抽采設備的要求也有所提高，因而受到一定限制） 。相關研究表明，提高負壓對煤體透氣性的提高也不大。因此，提高抽采負壓對鉆孔瓦斯涌出量影響不大，撫順院在鶴

19、壁六礦所做的實驗也證實了這一觀點，即提高抽采負壓對鉆孔瓦斯涌出量影響不大。但在瓦斯抽采過程中，應保障各類鉆孔抽采負壓符合防治煤與瓦斯突出規(guī)定中的要求。2.3.3 鉆孔直徑鉆孔直徑對瓦斯抽采效果的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是增大鉆孔直徑相應增大了與煤體的接觸面積；二是增大鉆孔直徑導致鉆孔周圍煤體的卸壓圈增大，因而對瓦斯抽采產(chǎn)生一定的影響，如圖 2-2 所示。但是，這都是有限的。相關理論研究表明，在鉆孔抽采前期，孔徑大的鉆孔抽采瓦斯流量大；而鉆孔抽采后期，孔徑的大小對瓦斯抽采量影響不大，即可認為，在一定孔徑范圍內(nèi)的鉆孔，經(jīng)過一定抽排時間后，不同孔徑大小鉆孔抽采的瓦斯量基本是相同的。因此，對于短期內(nèi)

20、需要加快抽排瓦斯的煤層，可適當加大鉆孔直徑以加快煤層中瓦斯的釋放；反之對于長期抽采的煤層（如預抽煤層瓦斯） ，由于孔徑大小對瓦斯抽采量的影響不大，為了減少工程量，節(jié)省費用和便于封孔，可采用孔徑較小的鉆孔進行抽采。撫順院進行的現(xiàn)場預抽試驗研究表明，直徑為 300mm 的鉆孔與直徑為 75mm 的鉆孔相比較，在抽采期內(nèi)，大直徑鉆孔的瓦斯涌出量高于小直徑鉆孔的瓦斯涌出量；抽采時間相同時，鉆孔直徑越大，抽采率越高，但抽采率的增長幅度遠比直徑的增長幅度小，相反，施工難度卻增加。一般情況下，結(jié)合我國的鉆進技術及淮北礦區(qū)煤層瓦斯賦存情況，孔徑在 105155mm 之間較為理想。2.3.4 鉆孔施工及封孔質(zhì)量

21、對于順層鉆孔，由于在全煤中施工，很容易造成塌孔、堵孔，因此鉆孔施工情況的好壞直接影響到瓦斯抽采結(jié)果。順層鉆孔應保證鉆孔始終在煤層中，若鉆孔施工質(zhì)量不佳，施工過程中對鉆孔方位和傾角控制不準，由于鉆孔長度大，鉆頭在鉆進過程中，會發(fā)生偏移，鉆孔容易進入煤層頂?shù)装?，從而減少鉆孔有效抽采長度，降低抽采效果。封孔質(zhì)量的好壞，直接決定著鉆孔抽采負壓，及抽采流量和濃度。若鉆孔的封孔質(zhì)量不佳，則孔內(nèi)容易漏風，瓦斯抽采濃度降低，抽采純量減少。因此，在保證抽采泵站的負壓穩(wěn)定不變的情況下，盡可能地減少開孔位置處漏風量，提高鉆孔的封孔質(zhì)量，增加單孔抽采瓦斯量。2.3.5 煤體滲透特性煤層滲透率主要通過煤層透氣性系數(shù)表達

22、，它對鉆孔抽采半徑及瓦斯抽采量影響較大，是影響瓦斯抽排鉆孔抽排效果最重要的客觀因素之一。往往滲透率大的煤層比滲透率小的煤層瓦斯壓力及瓦斯流量隨抽采時間降低得快。 礦井瓦斯抽放規(guī)范AQ1027中以煤層透氣性系數(shù)來評價煤層瓦斯抽采難易程度，從目前的技術條件來看，只有透氣性好的煤層，其抽采效果才好，而提高煤層瓦斯抽采率的一個最主要的方面就是如何提高煤層的透氣性。實驗表明：煤體透氣性變化的主要影響因素有地應力、瓦斯壓力。2.3.6 地應力瓦斯抽采鉆孔施工過程中，鉆孔周圍應力場便會重新分布，煤體向孔洞方向發(fā)生流變、膨脹變形，造成煤體塑性破壞，彈性能得以釋放。鉆孔周圍煤體經(jīng)歷了原始應力、集中應力、峰值應力

23、、殘余應力四個過程。鉆孔未施工至煤層時，煤體處于原巖應力狀態(tài)，隨著孔洞逐漸形成，孔洞煤體支承壓力轉(zhuǎn)移至鄰近煤體上，造成鄰近區(qū)域煤體出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，隨著孔洞影響范圍的逐步擴大，鄰近單元體集中應力高于煤體強度后，煤體發(fā)生塑性破壞，不能繼續(xù)承載較大的應力，集中應力峰值向深部煤體轉(zhuǎn)移，煤體承受的應力逐漸減小，最終低于原巖應力，使煤體卸壓。鉆孔孔徑的大小對煤體應力及塑性區(qū)半徑影響較大。圖 2-2 是基于拉格朗日快速有限差分程序（FLAC3D）進行數(shù)值模擬得出的不同孔徑下鉆孔周圍煤體應力及塑性區(qū)分布云圖。FLAC3D 3.00Itasca Consulting G roup, Inc.M inneapo

24、lis, M N USAStep 2000 M odel Perspective09:46:09 W ed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 3.015e+001M ag.: 1Ang.: 22.500Plane O rigin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Plane Norm al: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017C

25、ontour of SM in Plane: on M agfac = 0.000e+000 G radient Calculation-1.8948e+007 to -1.8000e+007-1.8000e+007 to -1.6000e+007-1.6000e+007 to -1.4000e+007-1.4000e+007 to -1.2000e+007-1.2000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -8.0000e+006-8.0000e+006 to -6.0000e+006-6.0000e+006 to -4.0000e+006-4.0000e

26、+006 to -2.0000e+006-2.0000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 0.0000e+000 Interval = 2.0e+006FLAC3D 3.00Itasca Consulting G roup, Inc.M inneapolis, M N USAStep 2000 M odel Perspective09:21:09 W ed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist:

27、3.015e+001M ag.: 1Ang.: 22.500Plane O rigin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Plane Norm al: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017B lock State Plane: onNoneshear-n shear-pshear-p0.2m 孔徑應力 0.2m 孔徑塑性區(qū)FLAC3D 3.00Itasca Consulting G roup, Inc.M inneapolis, M N USAStep 2000 M odel Perspective

28、09:49:48 W ed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 3.015e+001M ag.: 1Ang.: 22.500Plane O rigin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Plane Norm al: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017C ontour of SM in Plane: on M agfac = 0.00

29、0e+000 G radient Calculation-1.8099e+007 to -1.6660e+007-1.6660e+007 to -1.4994e+007-1.4994e+007 to -1.3328e+007-1.3328e+007 to -1.1662e+007-1.1662e+007 to -9.9960e+006-9.9960e+006 to -8.3300e+006-8.3300e+006 to -6.6640e+006-6.6640e+006 to -4.9980e+006-4.9980e+006 to -3.3320e+006-3.3320e+006 to -1.6

30、660e+006-1.6660e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 0.0000e+000FLAC3D 3.00Itasca Consulting G roup, Inc.M inneapolis, M N USAStep 2000 M odel Perspective09:16:29 W ed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 3.015e+001M ag.: 1Ang.: 22.500Pl

31、ane O rigin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Plane Norm al: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017B lock State Plane: onNoneshear-n shear-p0.4m 孔徑應力 0.4m 孔徑塑性區(qū)FLAC3D 3.00Itasca Consulting G roup, Inc.M inneapolis, M N USAStep 2000 M odel Perspective09:10:54 W ed Dec 21 2011Center: X: 0.0

32、00e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 3.015e+001M ag.: 1Ang.: 22.500Plane O rigin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Plane Norm al: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017C ontour of SM in Plane: on M agfac = 0.000e+000 G radient Calculation-1.7949e+00

33、7 to -1.6000e+007-1.6000e+007 to -1.4000e+007-1.4000e+007 to -1.2000e+007-1.2000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -8.0000e+006-8.0000e+006 to -6.0000e+006-6.0000e+006 to -4.0000e+006-4.0000e+006 to -2.0000e+006-2.0000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 0.0000e+000 Interval = 2.0e+006FLAC3D 3.00It

34、asca Consulting G roup, Inc.M inneapolis, M N USAStep 2000 M odel Perspective09:14:10 W ed Dec 21 2011Center: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 3.015e+001M ag.: 1Ang.: 22.500Plane O rigin: X: 0.000e+000 Y: 2.500e+000 Z: 0.000e+000Plane Norm al: X: 0.0

35、00e+000 Y: 1.000e+000 Z: 6.123e-017B lock State Plane: onNoneshear-n shear-pshear-p0.6m 孔徑應力 0.6m 孔徑塑性區(qū)圖圖 2-22-2 不同孔徑下煤體應力分布云圖及塑性區(qū)范圍不同孔徑下煤體應力分布云圖及塑性區(qū)范圍數(shù)值模擬結(jié)果可知，低于原始應力區(qū)域的邊界至鉆孔中心的徑向位移表示鉆孔卸壓影響范圍，鉆孔周圍應力集中位置隨孔徑增大而遠離鉆孔。鉆孔孔徑增加，應力集中區(qū)遠離鉆孔中心，鉆孔卸壓范圍增加。鉆孔施工使鉆孔周圍煤體卸壓，鉆孔周圍煤體裂隙擴展，同時產(chǎn)生次生裂隙，裂隙相互貫通，提供了瓦斯運移通道，大量吸附瓦斯解吸

36、為游離瓦斯并沿裂隙通道向鉆孔運移，可顯著增加鉆孔抽采效果。以上為鉆孔施工過程中鉆孔周圍煤體的應力變化規(guī)律，但通過現(xiàn)場了解應力變化過程中鉆孔煤體透氣性的變化過程是十分困難的，目前一般通過實驗室的模擬實驗來了解這一變化過程。實驗表明：當瓦斯壓力不變時，隨著圍壓（模擬地應力）的增加，滲透率開始下降很快；但是，當圍壓增至 67Mpa，滲透率下降非常緩慢。當圍壓大于 10Mpa 時，煤樣滲透氣體量非常小，說明煤體滲透率對地應力十分敏感，即地應力對煤層的滲透率有著重要的影響。因此，為提高現(xiàn)場煤層滲透率，提高瓦斯抽采效果，采用煤層卸壓是一項重要措施，這也是現(xiàn)行大多數(shù)防治煤與瓦斯突出措施，如預抽煤層瓦斯、開采

37、保護層和水力沖孔等措施中，為提高煤層瓦斯抽采率而廣泛采用的方法。2.3.7 瓦斯壓力瓦斯壓力對井下瓦斯在煤層中的運移起著動力源的作用，即在煤體中，只有具備一定壓力差的瓦斯才能在煤層中流動。采用地應力不變情況下模擬井下煤層中瓦斯壓力的變化對煤體滲透率的影響。實驗結(jié)果表明，在圍壓不變時，隨著瓦斯壓力的升高，開始時，煤樣吸附氣體量增多，克林伯格效應（氣體分子在固體表面上的滑流現(xiàn)象）逐漸增強，導致煤樣滲透率的降低；當瓦斯壓力超過一定值時，由于煤樣對氣體的吸附隨瓦斯壓力升高而逐漸達到平衡，克氏效應相對于較大的瓦斯壓力消弱了，因而滲透率又有所回升，最終瓦斯壓力 P 與煤樣滲透率 K 間的關系呈“V”形。實

38、驗表明：克氏效應只發(fā)生在瓦斯壓力小于 1MPa 范圍內(nèi)，因此認為，煤層瓦斯壓力低不利于瓦斯抽采的原因，不僅和瓦斯壓力低造成抽采范圍內(nèi)形成的壓力差小有關，而且還和瓦斯壓力低，克氏效應顯著，從而造成煤層透氣性低有關。因此在預抽煤層瓦斯中，若原始煤層瓦斯壓力小于 1MPa，則可能對煤層瓦斯抽采不利，抽采效果可能不好。2.3.8 煤體吸附特性煤體對瓦斯的吸附對煤的滲透性會產(chǎn)生一定的影響。實驗研究表明：對于同一煤樣，在相同的條件下，煤吸附氣體所呈現(xiàn)的吸附性越強，煤樣滲透率越低；而且隨著孔隙壓力的增大，這種關系越加明顯。主要是因為煤的滲透率同煤的孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙有關，且只和中孔、大孔以及裂隙有關。由于煤吸附

39、氣體后會發(fā)生膨脹變形，且吸附氣體時的吸附性越強變形量越大，因此，當抽采鉆孔周圍煤體的圍壓保持一定無法沿徑向產(chǎn)生變形時，微孔隙或微裂隙在吸附氣體后所產(chǎn)生的變形必然向內(nèi)，從而影響中孔和大孔及裂隙的容積，使?jié)B透容積減?。涣硗?，從煤體骨架所受的力來看，由于煤樣所受的圍壓力等于骨架力、吸附應力、氣體壓力之和，因而在圍壓力和氣體壓力保持不變的情況下，吸附應力越大，則骨架所承受應力就越小，因而在同樣力的作用下其變形值就越大。煤吸附氣體時，氣體分子會占據(jù)孔道面積，從而使構(gòu)成滲透的孔截面減小，因而煤的滲透率就降低。滲透率低，往往能保持高的瓦斯壓力，而高瓦斯壓力低滲透率，會使瓦斯壓力梯度增大，這是突出的直接原因之

40、一。3 3 抽采鉆孔抽采鉆孔瓦斯瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬分析滲流數(shù)值模擬分析本章運用流體力學軟件 FLUENT 建立數(shù)值模型，模擬抽采鉆孔周圍煤體中瓦斯壓力分布，研究抽采過程中煤體瓦斯?jié)B流規(guī)律。通過改變模型參數(shù)及邊界條件模擬抽采時間、煤層滲透率、抽采負壓、瓦斯壓力及鉆孔直徑等因素對抽采鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布的影響規(guī)律，得出抽采鉆孔瓦斯?jié)B流規(guī)律及影響因素，為抽采半徑測定提供理論指導。3.1 數(shù)值模型建立3.1.1 數(shù)值模擬軟件簡介Fluent 是目前國際上較領先的 CFD 軟件之一，在流體建模中有廣泛的應用。用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術，

41、因而達到了最佳的收斂速度和求解精度。Fluent 軟件有如下特點：（1）慣性或非慣性坐標系、復數(shù)基準坐標系、滑移網(wǎng)格以及動靜翼相互作用模型化后的接續(xù)界面在 Fluent 中可以很方便地找到并設置。（2）Fluent 內(nèi)部集存大量的物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，里面提供了多種材料屬性參數(shù)，此外用戶可以非常便捷地指定自己的材料。（3）高效并行計算能力，提供相關自動/手動分區(qū)算法；內(nèi)設 MPI 并行機制，大幅提高了并行運算速度。此外，F(xiàn)luent 的動態(tài)負載平衡功能，確保全局高效并行計算。（4）Fluent 軟件開發(fā)出便捷的圖形窗口面向廣大用戶，并向用戶提供了二次開發(fā)接口(UDF)。（5）Fluent 具有后續(xù)

42、數(shù)據(jù)導出功能，可對圖形分析處理后的數(shù)據(jù)進行整理分析，而后創(chuàng)建可視化的圖形并且給出相應的圖表、曲線分析圖等。Fluent 計算主要步驟有：（1）繪制幾何模型，生成網(wǎng)格；（2）選擇適當?shù)那蠼馄?；?）導入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格；（4）選擇計算模型，確定解的基本模型方程：無粘流、層流還是湍流、考慮有無化學反應、考慮傳熱與否、是否使用多孔介質(zhì)模型；（5）確定附加模型，指定材料的物理性質(zhì)；（6）確定邊界條件；（7）調(diào)節(jié)解的控制參數(shù)，計算求解。圖 3-1 為 Fluent 求解計算的基本程序結(jié)構(gòu)示意圖。GAMBIT設置幾何形狀生成2D或3D網(wǎng)絡其他軟件包，如CAD,CAE等FLUENT網(wǎng)格輸入及調(diào)整物理模型邊

43、界條件流體物性確定計算結(jié)果后處理prePDFPDF查表Tgrid2D三角網(wǎng)絡3D四面體網(wǎng)絡2D和3D混合網(wǎng)絡2D或3D網(wǎng)絡PDF程序網(wǎng)格邊界網(wǎng)格圖圖 3-13-1 基本程序結(jié)構(gòu)示意圖基本程序結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2 鉆孔瓦斯?jié)B流模型的建立（1）基本假設）基本假設模擬方案中需要假設的條件包括：煤層各向同性，煤層中的瓦斯壓力變化不影響其透氣性系數(shù)及孔隙率，但在鉆孔周圍內(nèi)的卸壓范圍內(nèi)增大；可將瓦斯按理想氣體，瓦斯?jié)B流過程視為等溫過程處理；煤層中瓦斯解析在瞬間完成；可以將煤層頂?shù)装逡暈椴煌笟鈳r層；瓦斯在煤層中的流動符合達西定律；煤層中的瓦斯含量滿足以下方程： (3-1)100100 (1 0.31)1Np

44、MAabppMbp 式中，是煤的最大瓦斯吸附量，單位；是煤的吸附常數(shù)，單位；a3m / tb1MPa是瓦斯壓力，單位；是煤的密度，單位；是煤的孔隙體積，單位pMPa3t / m；是煤的灰分，單位；是煤的水分，單位。33m / mA%M%（2）幾何模型的建立）幾何模型的建立根據(jù)現(xiàn)場實際情況建立了順層抽采鉆孔的二維模型，包括水平與豎直走向的切面模型，并進行網(wǎng)格劃分，水平走向的橫切面模型其中煤儲層沿鉆口方向距離設置為 120m，煤儲層寬 50m，鉆孔長 60m，鉆孔在煤層中間位置，封孔深度為 10m，共劃分了 14410 個網(wǎng)格，其中對鉆孔加密部分 5140 個網(wǎng)格。煤壁切面的數(shù)值模型的大小為 20

45、3（長寬） ，鉆孔孔徑分別設置為 75mm、95mm、110mm，共劃分了 2796個網(wǎng)格，其中對鉆孔加密部分為 876 個網(wǎng)格。通過模型建立與網(wǎng)格劃分后的二維模型圖，如 3-2 所示。整個模型區(qū)域采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于鉆孔周圍壓力梯度比較大，對此處網(wǎng)格進行了加密。圖圖 3-23-2 數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分圖數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分圖3.2 模擬參數(shù)設置3.2.1 模型基礎參數(shù)設置根據(jù)實驗要求，將煤層設置為多孔介質(zhì)滲流邊界，模型應用于層流條件下k的計算，瓦斯在煤層中的滲流模型選擇多孔介質(zhì)，分組進行五種不同條件下的模擬實驗，條件參數(shù)設置如下：抽采時間分別為（2d、4d、10d、20d、50d）鉆孔抽采負壓

46、分別為（-8KPa、-15KPa、-30KPa）煤層滲透率分別為（、單位：m2）-152.22 10-172.22 10-192.22 10鉆孔直徑分別為（75mm、95mm、110mm）煤層原始瓦斯壓力分別為（2MPa、2.5MPa、3MPa）3.2.2 模型邊界設置將上面得到的網(wǎng)格模型（圖 3-2）導出，采用 FLUENT 進行解算。假設氣體為理想氣體，加入能量方程；由于煤層中瓦斯流速很小，設為層流；氣體流動采用標準的模型，煤體采用多孔介質(zhì)模型；由于抽采與時間有關，流體設為非穩(wěn)態(tài)流；k通過不同抽采時間、改變煤層抽采負壓、滲透率、鉆孔直徑等參數(shù)，來模擬不同參數(shù)下流場抽采規(guī)律，在對進口邊界進行

47、初始化后，進行數(shù)值解算。3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析3.3.1 抽采時間的影響圖 3-33-7 是在煤層滲透率為 2.2210-17 m2，鉆孔直徑 75mm，瓦斯壓力 2MPa及抽采負壓-8KPa 情況下，不同抽采時間（2d、4d、10d、20d、50d）階段煤層壓力分布。圖圖 3-33-3 抽采時間為抽采時間為 2d2d 時的瓦斯壓力分布時的瓦斯壓力分布圖圖 3-43-4 抽采時間為抽采時間為 4d4d 時的瓦斯壓力分布時的瓦斯壓力分布圖圖 3-53-5 抽采時間為抽采時間為 10d10d 時的瓦斯壓力分布時的瓦斯壓力分布圖圖 3-63-6 抽采時間為抽采時間為 20d20d 時的瓦斯壓力分

48、布時的瓦斯壓力分布圖圖 3-73-7 抽采時間為抽采時間為 50d50d 時的瓦斯壓力分布時的瓦斯壓力分布鉆孔抽采瓦斯時，煤體中的某點瓦斯壓力與抽采負壓的壓差超過滲流啟動壓力時，瓦斯開始向鉆孔流動，吸附瓦斯解吸為游離瓦斯補充流走的瓦斯，同時更遠處的瓦斯也緩慢的向該點擴散。從鉆孔邊緣至煤體瓦斯壓力梯度為 0 處，就是鉆孔抽采瓦斯的影響范圍。影響范圍額定大小主要由煤體透氣性決定，隨抽采時間的延長向外延伸，并存在一個極限影響范圍。影響范圍內(nèi)達到消除煤與瓦斯突出危險性的區(qū)域認為有效，由此可確定有效抽采半徑。相關規(guī)定對消突指標的確定不一致， 防治煤與瓦斯突出規(guī)定認為殘余瓦斯壓力小于 0.74Mpa 或殘

49、余瓦斯含量小于 8m3/t為突出危險區(qū)。 煤礦安全規(guī)程規(guī)定以預抽率大于 30%為指標。本次數(shù)值模擬選擇抽采率大于 30%為評價指標，煤層瓦斯壓力下降 30%的等壓線位置距離鉆孔中心線的距離即為鉆孔瓦斯抽采半徑。從圖 3-3、3-4、3-5、3-6、3-7 可以看出，隨著抽采時間的增加，抽采影響區(qū)域逐漸增加。鉆孔附近的瓦斯壓力衰減范圍逐漸向鉆孔兩幫，煤層深部延伸；沿 y 軸方向瓦斯壓力則沿垂直煤壁向煤層深部呈逐漸衰減趨勢。0.0E+005.0E+051.0E+061.5E+062.0E+062.5E+06-60-50-40-30-20-100102030405060鉆孔徑向位置(m)煤層瓦斯壓力

50、(pa)x=30mx=60mx=80m圖圖 3-8-8 抽采抽采 2d 時鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線時鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線 0.0E+005.0E+051.0E+061.5E+062.0E+062.5E+06-60-50-40-30-20-100102030405060鉆孔徑向位置(m)煤層瓦斯壓力(pa)x=30mx=60mx=80m圖圖 3-9-9 抽采抽采 10d 時鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線時鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線0.0E+005.0E+051.0E+061.5E+062.0E+062.5E+06-60-50-40-30-20-100102030405060鉆孔徑向位

51、置(m)煤層瓦斯壓力(pa)x=30mx=60mx=80m 有效抽采半徑3.8m抽采影響半徑19m圖圖 3-10-10 抽采抽采 50d 時鉆孔徑向壓力分布曲線時鉆孔徑向壓力分布曲線圖 3-8 至 3-10 是不同抽采時間下（2d、10d、50d） ，不同孔深（橫坐標分別為x=30m、x=60m、x=80m）處鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線。由圖可知，隨著抽采時間延長，鉆孔深部（x=80m）附近煤層瓦斯壓力基本無變化；x=60m 與 x=30m 處鉆孔徑向壓力變化規(guī)律一致，都呈衰減趨勢，且 50d 時的抽采影響范圍明顯大于抽采 2d 與 10d 的范圍。圖 3-10 可知，當抽采 50d 后有效

52、抽采半徑為 3.8m，抽采影響半徑為 19m。圖 3-8 是煤層滲透率為 2.2210-17 m2，抽采負壓-8KPa 條件下，抽采 2d 時，沿y 軸方向分別為 x=30m、x=60m、x=80m 處鉆孔瓦斯壓力分布狀況，從圖中可以明顯看出，在 x=80 處，由于不在鉆孔的抽采卸壓范圍之內(nèi)，瓦斯壓力值等于煤層原始瓦斯壓力。x=60 處（即鉆孔末端位置） ，瓦斯壓力最低衰減至 1.77MPa，相比原始煤層瓦斯壓力衰減了 11.5%。x=30m 處（距離鉆孔末端 30m 位置） ，瓦斯壓力變化最大，最低衰減至 1.55MPa，在原基礎上衰減了 22.5%。由此可知，鉆孔周圍瓦斯衰減規(guī)律為：隨著抽

53、采時間的增加，沿鉆孔徑向向鉆孔兩幫深部延伸，且越靠近鉆孔，瓦斯壓力衰減越快，沿煤巷（鉆口兩側(cè)煤幫） ，受鉆孔瓦斯徑向滲流作用、鉆孔抽采時間影響，向煤儲層深部延伸，且越靠近鉆孔衰減區(qū)域逐漸擴大，衰減速度越快。圖圖 3-11-11 抽采抽采 4d 時鉆孔徑向瓦斯壓力分布曲線時鉆孔徑向瓦斯壓力分布曲線圖 3-11 是煤層滲透率為 2.2210-17 m2，抽采負壓-8KPa 條件下，抽采 4d 時，沿x 方向分別為 y=27m、y=30m、y=35m 處（即距鉆孔中線線徑向距離分別為2m、5m、10m）瓦斯壓力分布狀況。分析圖可知，徑向距離 2m 處瓦斯壓力最早出現(xiàn)下降，其次是 y=30m 與 y=

54、35m 區(qū)域，且 y=27m 區(qū)域瓦斯壓力下降幅度大于y=30m、y=35m 處區(qū)域。這也符合了鉆孔周圍瓦斯?jié)B流的基本規(guī)律，即在鉆孔周圍卸壓區(qū)內(nèi)，由于鉆孔施工，使煤層地應力卸載，煤層透氣性升高，促使瓦斯流動的趨勢加強，但孔周圍瓦斯的流動并不受卸壓半徑的限制，當瓦斯流場到達卸壓區(qū)邊界時會向卸壓區(qū)外擴展，只是在卸壓區(qū)外的流動趨勢和流場的擴展速度大為減弱，減弱的程度與原始煤層瓦斯參數(shù)有關。3.3.2 抽采負壓的影響構(gòu)建了三種抽采負壓下（-8KPa、-15KPa、-30KPa） ，鉆孔周圍煤體瓦斯?jié)B流模型，得出不同抽采負壓下鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布見圖 3-123-14。 圖圖 3-123-12 負壓

55、為負壓為-8KPa-8KPa 抽采抽采 50d50d 時的瓦斯壓力分布時的瓦斯壓力分布 圖圖 3-133-13 負壓為負壓為-15KP-15KP 抽采抽采 50d50d 時的瓦斯壓力分布時的瓦斯壓力分布圖圖 3-143-14 負壓為負壓為-30KPa-30KPa 抽采抽采 50d50d 時的瓦斯壓力分布時的瓦斯壓力分布圖 3-15 是煤層滲透率為 2.2210-17 m2時，不同抽采負壓下鉆孔抽采量隨抽采時間變化規(guī)律，可以看出，鉆孔瓦斯抽采量隨抽采時間增加呈下降趨勢，且抽采負壓越大，瓦斯抽出量越大，但抽采流量增幅不高。受管路及鉆孔密封性的影響，且對抽采設備的要求也有所提高，因而現(xiàn)場提高抽采負壓

56、會受到一定限制，想把抽采負壓提高很多是比較困難的。因此應根據(jù)抽采情況選擇合理的抽采負壓，根據(jù)模擬結(jié)果及相關規(guī)定，鉆孔的抽采負壓應保持在-1530kPa。00.10.20.30.40.50.60102030405060708090抽采時間(d)體積流量(m3/min)負壓-30KPa負壓-15KPa負壓-8KPa圖圖 3-153-15 抽采負壓對瓦斯抽采量的影響抽采負壓對瓦斯抽采量的影響3.3.3 煤層滲透率的影響根據(jù)煤層滲透率與垂向應力（埋深）關系可知，主煤儲層滲透率具有隨埋深加大呈指數(shù)減小、隨煤儲層壓力增大而減小的趨勢。滲透率在相似埋深條件下的變化可高達一個數(shù)量級。因此，本次模擬對煤層滲透率

57、的影響研究根據(jù)礦井實際情況選擇在 10-1510-19數(shù)量級之間。構(gòu)建了三種煤層滲透率條件下，抽采鉆孔周圍煤體瓦斯?jié)B流模型，鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布見圖 3-163-18。圖圖 3-163-16 煤層滲透率為煤層滲透率為 2.2210-15m2時瓦斯壓力分布時瓦斯壓力分布圖圖 3-173-17 煤層滲透率為煤層滲透率為 2.2210-17m2時瓦斯壓力分布時瓦斯壓力分布圖圖 3-183-18 煤層滲透率為煤層滲透率為 2.2210-19m2時瓦斯壓力分布時瓦斯壓力分布0.E+005.E+051.E+062.E+062.E+063.E+060102030405060708090100110沿y方

58、向距離煤層瓦斯壓力滲滲透透率率= =2 2. .2 22 2* *1 10 0- -1 15 5滲滲透透率率= =2 2. .2 22 2* *1 10 0- -1 17 7滲滲透透率率= =2 2. .2 22 2* *1 10 0- -1 19 9圖圖 3-19-19 抽采抽采 10d 鉆孔深度鉆孔深度 30m 處不同滲透率條件下鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線處不同滲透率條件下鉆孔徑向煤層瓦斯壓力分布曲線圖 3-19 是抽采 10 天時在不同滲透率條件下鉆孔深度 30m 處煤層瓦斯壓力分布圖。從圖中可以看出，當煤層滲透率為 2.2210-15 m2時，鉆孔周圍瓦斯壓力下降梯度比較明顯，影響瓦

59、斯壓力下降的區(qū)域較大；當煤層滲透率為 2.2210-17 m2時，煤層滲透率較小，負壓帶集中在鉆孔附近，因此，鉆孔附近瓦斯壓力下降幅度最大。由數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，當抽采率大于 30%時，抽采 10d 時的抽采影響半徑在 20m 以上，遠遠大于煤層滲透率分別為 2.2210-17與 2.2210-19時的抽采影響半徑。由此可以得到，原始煤層滲透率越大，瓦斯抽采半徑越大，抽采效果越好。3.3.4 鉆孔孔徑的影響根據(jù) 2.3.3 節(jié)的理論分析可知，鉆孔直徑對瓦斯抽采效果的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是增大鉆孔直徑相應增大了與煤體的接觸面積；二是增大鉆孔直徑導致鉆孔周圍煤體的卸壓圈增大，因而對瓦斯抽采產(chǎn)生

60、一定的影響，但影響是有限的。本節(jié)構(gòu)建了三種孔徑條件下（孔徑分別為 75mm、95mm、110mm） ，抽采鉆孔周圍煤體瓦斯?jié)B流模型，鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布見圖 3-203-22。圖圖 3-20 鉆孔孔徑鉆孔孔徑 75mm 抽采抽采 10d 的瓦斯壓力分布的瓦斯壓力分布 圖圖 3-21 鉆孔孔徑鉆孔孔徑 95mm 抽采抽采 10d 的瓦斯壓力分布的瓦斯壓力分布圖圖 3-22 鉆孔孔徑鉆孔孔徑 110mm 抽采抽采 10d 的瓦斯壓力分布的瓦斯壓力分布由圖 3-203-22 及圖 2-2 分析可知，鉆孔孔徑對鉆孔瓦斯抽采半徑有影響，當抽采時間一定時，孔徑越大的，鉆孔周圍煤體卸壓越明顯，瓦斯抽采量