煤層鉆孔瓦斯抽采與注水降塵一體化應(yīng)用

韋善陽，董利輝，郭鵬飛，康懷宇

(1.礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201；

3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；4.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

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煤層鉆孔瓦斯抽采與注水降塵一體化應(yīng)用

韋善陽1，2，董利輝3，郭鵬飛4，康懷宇1，2

(1.礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201；

3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；4.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

本文應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究煤層鉆孔瓦斯抽采與注水降塵一體化效應(yīng)，得出在煤層瓦斯壓力為0.63MPa，工作面孔隙率0.069，煤層滲透率為1.5×10-3μm2，在鉆孔直徑95mm，抽采負(fù)壓為13kPa時(shí)，80m深的瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑為3m，對(duì)相同鉆孔進(jìn)行注水降塵48小時(shí)后，注水濕潤(rùn)半徑為6m。從實(shí)際的注水降塵效果可以看出，不同工序下的降塵率均超過了56%，降塵效果明顯，實(shí)現(xiàn)鉆孔“一孔兩用”的目標(biāo)。

瓦斯抽采；煤層注水；一體化應(yīng)用

瓦斯和粉塵是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的重要因素，而國(guó)內(nèi)外對(duì)如何有效的將兩種防治技術(shù)結(jié)合的研究不夠系統(tǒng)，對(duì)瓦斯抽采參數(shù)和注水降塵參數(shù)之間關(guān)系研究相對(duì)較少[1]。但形成基本共識(shí)是瓦斯抽采過程中瓦斯通過孔隙、裂隙流出煤層，而煤層注水也是通過水滲入到煤體細(xì)微孔隙、裂隙達(dá)到濕潤(rùn)煤體，二者具有相通性[2-4]。利用瓦斯抽放孔對(duì)煤層進(jìn)行注水，既不影響瓦斯抽放，又利用了原有的鉆孔進(jìn)行煤層注水，不需要重新打孔，省時(shí)省力，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有可行性。因此，本文致力于解決煤礦生產(chǎn)實(shí)際遇到的煤層注水和瓦斯抽采鉆孔難于合理高效綜合應(yīng)用的問題，探討“一孔兩用”處理煤礦瓦斯抽采和綜合防塵的關(guān)鍵理論和技術(shù)。

1　鉆孔瓦斯抽采與煤層注水原理

鉆孔瓦斯抽采與注水的原理示意圖見圖1。針對(duì)多孔介質(zhì)的煤體而言，鉆孔瓦斯抽采與鉆孔瓦斯注水可以看作是兩個(gè)逆向的過程，瓦斯抽采為煤層內(nèi)的瓦斯在鉆孔負(fù)壓作用下從煤體向鉆孔運(yùn)移的過程，而煤層注水為水體通過注水壓力從鉆孔向煤體深處運(yùn)移的過程。其中瓦斯抽采過程中，鉆孔內(nèi)為低壓區(qū)，而煤層注水過程中，鉆孔內(nèi)為高壓區(qū)。

圖1　煤層鉆孔瓦斯抽采與鉆孔注水原理

盡管兩者在與煤體的作用機(jī)制上存在一定差別，煤體與瓦斯存在吸附解吸的過程，而水與煤體也存在潤(rùn)濕與接觸的作用過程，但兩者同作為流體介質(zhì)在煤層內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律具有一定相似性。依據(jù)滲流理論，在忽略介質(zhì)與煤體的相互作用過程的條件下，通常認(rèn)為瓦斯與水在煤體內(nèi)的運(yùn)移均滿足達(dá)西滲流模型，見下式。

式中：μ為瓦斯、水的動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s；dx為和流動(dòng)方向一致的極小長(zhǎng)度，m；v為介質(zhì)流速，m/s；dp為在dx長(zhǎng)度內(nèi)的壓差，Pa；K為煤層滲透率，m2；λ為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)。

對(duì)于瓦斯介質(zhì)而言，需要在原始滲流模型中添加瓦斯含量、瓦斯壓力等因素，同時(shí)也應(yīng)考慮滲透率隨瓦斯抽采的變化過程。而對(duì)于水介質(zhì)而言，則需要在原始滲流模型中考慮煤體對(duì)水的潤(rùn)濕狀況，水的表面張力等因素。而兩者在邊界條件上的參數(shù)類型相同，但數(shù)值上卻相反。因此，在實(shí)際計(jì)算中，通?？梢圆捎孟嗤慕馑隳Ｐ停ㄟ^計(jì)算機(jī)方便的進(jìn)行計(jì)算。

2　瓦斯抽采影響半徑與注水濕潤(rùn)半徑模擬分析

實(shí)際礦井1214工作面走向可采長(zhǎng)度1392m，傾斜長(zhǎng)度為200m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤層最大瓦斯壓力為0.63MPa，工作面孔隙率0.069，煤層滲透率為1.5×10-3μm2，在鉆孔直徑95mm，抽采負(fù)壓為13kPa時(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出80m深的瓦斯抽采鉆孔影響半徑為3m。為確定鉆孔濕潤(rùn)半徑，通過實(shí)際鉆孔影響半徑和模擬半徑之間的誤差分析后，進(jìn)行濕潤(rùn)半徑的模擬分析從而從理論上得出濕潤(rùn)半徑值[5-7]。

2.1瓦斯抽采理論影響半徑與實(shí)際半徑比較分析

首先在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)假定煤層為各向異性的多孔介質(zhì)，瓦斯在煤層內(nèi)的運(yùn)移屬于滲流，其規(guī)律符合達(dá)西定律，物理模型也簡(jiǎn)化為達(dá)西滲流模型。

在應(yīng)用Fluent進(jìn)行模擬時(shí)應(yīng)用到其內(nèi)含的多孔介質(zhì)模型，通過對(duì)流場(chǎng)區(qū)域添加用于表征多孔介質(zhì)性質(zhì)的阻力參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)過程的模擬。而且需要對(duì)相關(guān)條件進(jìn)行優(yōu)化處理：①煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層滲透率、孔隙率恒?；?；②瓦斯氣體為不可壓縮理想氣體且解析過程穩(wěn)定不變[8-9]。

其次進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，具體參數(shù)值見表1。將表1參數(shù)代入fluent多孔介質(zhì)模型中，利用計(jì)算機(jī)求解煤層鉆孔周邊瓦斯壓力的分布狀態(tài)，從而確定理論有效抽采半徑。其中，鉆孔軸線方向上的瓦斯壓力模擬結(jié)果見圖2。

表1　抽采半徑模型的主要參數(shù)

圖2　抽采穩(wěn)定后瓦斯壓力分布曲線

依據(jù)瓦斯抽采影響半徑要求，在P為0.9倍的原始瓦斯壓力時(shí)，可認(rèn)定孔間距為影響半徑，由圖可得x=2.98m，由此，理論抽采半徑為2.98m。模擬值與實(shí)際值誤差為0.67%，誤差較小，模擬正確。

2.2基于瓦斯抽采半徑模擬的基礎(chǔ)參數(shù)，進(jìn)行注水濕潤(rùn)半徑研究[10]

首先還是假設(shè)煤層為多孔介質(zhì)，水在煤層中的流動(dòng)也屬于滲流，其流動(dòng)規(guī)律也符合達(dá)西定律，因此煤層注水向瓦斯抽采一樣，基本動(dòng)力均為鉆孔壓力與瓦斯壓力之間的壓力差，也即壓頭。通常，滲流問題的數(shù)學(xué)模擬都是通過求解滲透壓頭的拉普拉斯方程來進(jìn)行計(jì)算求解，而為了利用fluent軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力及其前后處理功能，我們通過在一般流體力學(xué)控制方程的基礎(chǔ)上增加滲流阻力系數(shù)的方法，以源項(xiàng)的形式加入到fluent軟件的求解器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)水滲流的數(shù)值模擬，并采用求解自由面的VOF多相流法對(duì)水在煤層中浸潤(rùn)面擴(kuò)展的計(jì)算模擬。假設(shè)前提：①煤層均質(zhì)，且各向滲透率相同；②瓦斯、水均為不可壓縮流體；③不考慮煤層瓦斯對(duì)水滲流的阻滯效應(yīng)。

其次進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體值見表2。

利用相同的模型，將表2參數(shù)代入fluent求解器中，得出煤層有效潤(rùn)濕邊界隨時(shí)間的變換關(guān)系，見圖3。從圖3可以清楚地看出，隨著注水時(shí)間的延長(zhǎng)，水流通過鉆孔逐漸向四周煤層內(nèi)滲流，當(dāng)注水時(shí)間到48h時(shí)，鉆孔的徑向的潤(rùn)濕半徑已經(jīng)超過6m，忽略注水時(shí)效問題，這樣的注水效果已經(jīng)可以滿足礦井實(shí)際。圖3展示了鉆孔徑向軸線上潤(rùn)濕邊界的隨時(shí)間的運(yùn)移過程，由于模型未考慮煤層所占體積比，因此，圖中的含水率我們可以看成是煤層內(nèi)水分的飽和程度，飽和度為1，則表示該處的煤已經(jīng)完全被水分浸潤(rùn)，無法再吸收水分了。達(dá)到5%即為滿足要求，因此得出5%注水濕潤(rùn)半徑為6m。

表2　濕潤(rùn)半徑模型的主要參數(shù)

圖3　不同時(shí)刻鉆孔徑向軸線1上水分含量分布曲線

3　1214工作面注水試驗(yàn)及其注水效果

依據(jù)瓦斯抽采鉆孔影響半徑3m和模擬的煤層注水濕潤(rùn)半徑6m，進(jìn)行工作面的瓦斯抽采和注水

一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)。工作面高4m，可采長(zhǎng)度1392m，埋深520m。以回采工作面20m處作為起始位置，每隔一個(gè)抽采孔進(jìn)行煤層注水。具體布孔方式見圖4、圖5。

圖4　工作面順槽注水孔布置示意圖

圖5　注水孔平、剖面示意圖

據(jù)實(shí)際情況，煤層注水信息如下：①均孔注水量為134t；②單孔總注水時(shí)間為48h；③同時(shí)注水孔數(shù)為2個(gè)；④注水孔間距為12m；⑤ 注水孔長(zhǎng)度為80m；⑥封孔深度為10m；⑦單孔注水流量為2t/h；⑧注水壓力為5MPa。

煤層實(shí)際注水量與封孔深度、注水壓力、注水流量、煤層的孔隙率及瓦斯參數(shù)等有關(guān)，在注水工作開展過程中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整[11-12]；注水時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況關(guān)系密切，若注水容易，則注水量大，注水時(shí)間短，因此實(shí)際注水時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作調(diào)整。注水時(shí)間以煤壁出水或者相鄰不注水孔出水時(shí)為準(zhǔn)。

通過煤層注水后工作面煤塵下降明顯，不同工序時(shí)的降塵效果見表3。由表3數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過煤層注水后，工作面產(chǎn)塵量大幅度下降，產(chǎn)塵地點(diǎn)降塵率提高比較明顯，尤其是在割煤過程，總粉塵濃度降低率達(dá)65%以上，效果明顯，能極大的降低工作面的產(chǎn)塵量，對(duì)保護(hù)員工身體健康非常有利。加之完善其他防塵、降塵措施，加強(qiáng)了監(jiān)督檢查，達(dá)到了工作面預(yù)期的防塵降塵目的。

表3　生產(chǎn)工序與降塵效果

4　抽采與注水一體化效益分析

采煤工作面進(jìn)行煤層注水后，粉塵濃度大幅度降低，勞動(dòng)條件改善，表現(xiàn)在以下4方面。

1)降低了工作面浮游煤塵濃度。在進(jìn)行煤層水降塵的工作面，一般都取得較好的降塵效果，降塵率在60%左右。隨著工作面浮塵的大幅度下降，井巷系統(tǒng)的沉積煤塵也相應(yīng)減少，沖洗和清掃工作量減輕，全礦井煤塵管理局面將得到根本改善。

2)有效利用瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行煤層注水具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。一方面，通過瓦斯抽采鉆孔的回收再利用，可節(jié)省大量注水打鉆所需費(fèi)用，另一方面瓦斯抽采可增大煤層透氣性，從而降低注水阻力，節(jié)約注水動(dòng)力資金。

3)順層鉆孔瓦斯抽采完成后，對(duì)煤層注水具有良好的促進(jìn)作用。通過數(shù)值模擬與理論研究可知瓦斯抽采可以增大煤層滲透性，從而擴(kuò)大注水影響半徑，提高煤層濕潤(rùn)速度，增強(qiáng)注水效果。

4)通過理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果可知瓦斯抽采越容易的煤層，利用其抽采鉆孔進(jìn)行煤層注水效果就越理想。

總之，對(duì)于必須進(jìn)行瓦斯抽采的礦井而言，有效利用瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行煤層注水，無論在經(jīng)濟(jì)效益還是安全生產(chǎn)方面均有著十分顯著的提高作用。

5　結(jié)論及展望

本文通過數(shù)值解算，確定了鉆孔瓦斯抽采的理論有效半徑約為2.98m，而利用瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行煤層注水48h后的有效影響半徑約為6m，進(jìn)而設(shè)計(jì)

實(shí)際注水鉆孔間距為12m。從實(shí)際的注水降塵效果可以看出，不同工序下的降塵率均超過了56%，降塵效果明顯，也即該設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了有效的降塵效果。

雖然“一孔兩用”中的一抽一注關(guān)鍵理論還需要完善，其推廣應(yīng)用還需要因礦適宜，具體分析，但其應(yīng)用對(duì)于煤礦瓦斯和煤塵災(zāi)害的防治具有深遠(yuǎn)的意義。

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The integration application of gas drainage and water injection in coal seam drilling

WEI Shan-yang1，2，DONG Li-hui3，GUO Peng-fei4，KANG Huai-yu1，2

(1.Key Lab of Mine Disaster Prevention and Control，Sanhe 065201，China； 2.School of Safety & Engineering，North China Institute of Science & Technology，Sanhe 065201，China； 3.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083， China；4.Mining College，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

This paper researched the integration application effects of gas drainage and water injection in coal seam drilling by using theory analysis，numerical simulation and field test.It concluded that the effective influencing radius of 80 meters depth drilling was 3 meters on the condition of 0.63 MPa of gas pressure，0.069 porosity of coal seam，1.5×10-3μm2of permeability of coal seam，95mm of drilling diameter and 13kPa of extraction pressure.The water injection wetting radius became 6m when injected water into the same drilling 48 hours.As can be seen from the actual effect，dust fall rate were more than 56% at different work stages and achieved the aim of “double efficacies of one drilling”.

gas drainage；water injection；integration application

2015-12-21

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：3142014012)；河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：KJZH2013K08)

韋善陽(1983-)，男，廣西河池人，博士，任職于華北科技學(xué)院，主要從煤礦事災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)及煤巖動(dòng)力災(zāi)害研究。E-mail：weishanyang@126.com。

TD712+.6

A

1004-4051(2016)10-0114-04