瓦斯抽采鉆孔圍巖漏氣流場(chǎng)分析及 漏氣位置測(cè)定研究

郝晉偉，舒龍勇，齊慶新，霍中剛，楊偉東

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

鉆孔瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理及井下煤層氣開發(fā)的主要方式，而鉆孔密封性是保障鉆孔瓦斯高效抽采的關(guān)鍵基礎(chǔ)。由于我國(guó)煤層及瓦斯賦存條件的復(fù)雜性、鉆孔參數(shù)及密封參數(shù)的不合理性，致使我國(guó)煤礦井下瓦斯抽采存在抽采量高、利用率低和抽采效率低的“一高兩低”格局，且每年約有超過80億m3瓦斯資源由于濃度太低而無法規(guī)?；帽环趴眨s有 65%的回采工作面預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%，造成巨大的環(huán)境壓力及安全壓力。而鉆孔漏氣是造成抽采瓦斯?jié)舛绕偷母驹騕1-3]。目前，針對(duì)鉆孔漏氣位置及漏氣特征的研究，已取得較為豐碩的研究成果。其中周福寶[4]、胡勝勇[5]、王志明[6]等均認(rèn)為鉆孔漏氣可分為孔內(nèi)漏氣(即抽采管與孔壁之間的空隙及密封材料自身)和孔外漏氣(即鉆孔圍巖裂隙漏氣)兩個(gè)區(qū)域；成艷英[7]等還對(duì)巷道圍巖漏風(fēng)對(duì)瓦斯抽采的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，認(rèn)為巷道煤壁漏風(fēng)對(duì)鉆孔瓦斯抽采濃度具有重要影響作用；王永龍等[8]則研究了煤壁應(yīng)力峰值動(dòng)態(tài)移動(dòng)下的鉆孔漏氣特征；此外，鄒厚權(quán)等[9]還研究認(rèn)為密封材料與抽采管之間也存在漏氣。而針對(duì)鉆孔漏氣位置的測(cè)定研究，張?zhí)燔奫10]、任青山[11]、周俊[12]、常宇[13]等均從封孔質(zhì)量檢測(cè)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，并開發(fā)了相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備。以上研究結(jié)果均從不同方面研究了鉆孔的漏氣影響因素及檢測(cè)方法，但鉆孔圍巖漏氣裂隙是由巷道和鉆孔共同采動(dòng)形成的，且目前對(duì)其整個(gè)漏氣流場(chǎng)分布研究還不完整；同時(shí)，各漏風(fēng)檢測(cè)設(shè)備布點(diǎn)較小，不能完全準(zhǔn)確確定鉆孔漏氣位置及形成原因。因此，研究鉆孔密封段漏氣流場(chǎng)分布特征并合理全面構(gòu)建鉆孔漏氣位置判別模型，進(jìn)而開發(fā)簡(jiǎn)便快捷的檢測(cè)設(shè)備對(duì)鉆孔內(nèi)漏氣位置進(jìn)行快速準(zhǔn)確判定，并及時(shí)給出合理提濃方法，對(duì)于提高鉆孔瓦斯抽采效率和實(shí)現(xiàn)瓦斯礦井“安全-資源-環(huán)境”協(xié)調(diào)發(fā)展具有十分重要的科學(xué)及現(xiàn)實(shí)意義。

1 鉆孔密封段漏氣流場(chǎng)特征分析

隨著鉆孔密封材料及工藝的發(fā)展[14]，目前廣泛使用的“兩堵一注”鉆孔密封工藝對(duì)抽采鉆孔可以起到較好的密封作用[15]；但對(duì)于低滲煤層而言，即使初始密封完成的鉆孔，其抽采瓦斯?jié)舛绕同F(xiàn)象也較為普遍。這些現(xiàn)象充分說明，鉆孔圍巖漏氣對(duì)于鉆孔瓦斯抽采濃度的降低具有重要影響作用。此外，實(shí)踐證明，適當(dāng)增加鉆孔密封長(zhǎng)度可有效增加鉆孔圍巖漏氣阻力，在一定程度上可降低鉆孔圍巖漏氣量。因此，分析鉆孔密封段不同條件下的漏氣流場(chǎng)分布特征對(duì)于準(zhǔn)確分析鉆孔漏氣位置及漏氣原因具有重要的意義。

為此，利用FLUENT軟件分別對(duì)以下四種不同封孔長(zhǎng)度條件下的鉆孔密封段圍巖漏氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而為漏氣位置判定模型的準(zhǔn)確識(shí)別提供合理依據(jù)。相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔密封段漏氣流場(chǎng)分布模擬類型及參數(shù)

由于鉆孔密封段結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化計(jì)算步驟，達(dá)到流場(chǎng)規(guī)律分析的目的，選擇密封段垂直剖面的二分之一剖面作為模擬模型，鉆孔圍巖與密封材料緊密貼合條件下的漏氣模型如圖1所示。

圖1 鉆孔密封段漏氣模型

根據(jù)圖1和表1鉆孔密封段漏氣模型及相關(guān)參參數(shù)，可獲得如下鉆孔密封段漏氣流速流場(chǎng)分布情況，如圖2所示。

圖2 鉆孔密封段漏氣流速流場(chǎng)分布

通過對(duì)表1中四種鉆孔密封段漏氣流場(chǎng)進(jìn)行分析，可看出不同的漏氣條件，漏氣流速流場(chǎng)具有明顯的差異性。當(dāng)鉆孔密封深度為塑性區(qū)半徑時(shí)(6m)且考慮煤壁漏氣時(shí)，鉆孔密封段漏氣速度最大；相反，則漏氣速度最小。根據(jù)模擬結(jié)果，提取模型出入口處漏氣速度參數(shù)見表2。

由表2可看出，在漏氣出口面積相同情況下，考慮煤壁漏風(fēng)條件時(shí)其漏氣速度約為不考慮的2倍左右；而不考慮煤壁漏氣條件下，封孔長(zhǎng)度為6m時(shí)，其漏氣速度是封孔長(zhǎng)度10m的1.5倍；當(dāng)考慮煤壁漏風(fēng)時(shí)，漏氣速度增加至4.8倍；封孔長(zhǎng)度為6m且考慮煤壁漏氣時(shí)，漏氣速度為封孔長(zhǎng)度10m且不考慮煤壁漏氣的9.78倍。由此可得出，鉆孔密封長(zhǎng)度和煤壁漏氣對(duì)于鉆孔密封段漏氣流場(chǎng)和漏氣強(qiáng)度具有重要影響作用。

2 瓦斯抽采鉆孔漏氣分析及判定原理

2.1 瓦斯抽采鉆孔漏氣位置及原因分析

瓦斯抽采鉆孔漏氣分析是漏氣位置判定原理及測(cè)定設(shè)備開發(fā)的基礎(chǔ)，因此，厘清可能存在的漏氣點(diǎn)對(duì)于構(gòu)建漏氣位置判別模型具有重要意義。根據(jù)目前普遍使用的封孔方法、封孔材料及相關(guān)工藝，并結(jié)合上述鉆孔密封段漏氣流場(chǎng)特征，可將抽采鉆孔漏氣通道分為以下幾個(gè)方面：

1)抽采管漏氣。抽采管的漏氣主要是由管壁強(qiáng)度不足而發(fā)生破裂或管間連接處密封性差造成的，常發(fā)生在煤層地應(yīng)力較大而密封材料強(qiáng)度較低的鉆孔密封當(dāng)中和密封接頭不嚴(yán)的接口處。

表2 鉆孔密封段不同漏氣模型條件下漏氣參數(shù)

2)鉆孔孔壁圍巖漏氣。鉆孔孔壁圍巖漏氣主要是由封孔深度不足，即密封段未完全覆蓋由巷道采動(dòng)影響形成的松動(dòng)圈裂隙；或由于圍巖裂隙較為發(fā)育而密封效果較差且封孔長(zhǎng)度不足所造成的，在松軟煤層中尤為突出。

3)鉆孔密封段層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)層間空隙漏氣。該漏氣主要是由于密封材料充填性差造成的，也是目前鉆孔漏氣的主要原因之一，在近水平鉆孔密封中尤為明顯。

4)鉆孔密封材料漏氣。鉆孔密封材料漏氣主要是由于材料自身空隙結(jié)構(gòu)發(fā)育或受鉆孔圍巖變形壓力擠壓而其強(qiáng)度不足發(fā)生破壞所引起的，在化學(xué)發(fā)泡材料密封工程中較為常見。

5)相鄰鉆孔漏氣。相鄰鉆孔漏氣主要是由于鉆孔施工參數(shù)不合理所致，或煤層內(nèi)有較大構(gòu)造裂隙存在等產(chǎn)生的，主要發(fā)生在具有地面壓裂井附近、大構(gòu)造區(qū)及鉆孔間距不合理的抽采鉆孔中。

2.2 瓦斯抽采鉆孔漏氣位置判定原理

根據(jù)上述漏氣位置及漏氣原因分析結(jié)果可知，在負(fù)壓抽采條件下，鉆孔漏氣位置及漏氣影響因素是非常復(fù)雜的，且在較短區(qū)域內(nèi)，負(fù)壓的變化通常并不明顯。而單位時(shí)間內(nèi)，鉆孔所提供的瓦斯涌出量是相對(duì)恒定的值。在不發(fā)生漏氣的情況下，孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍谡麄€(gè)鉆孔內(nèi)應(yīng)與煤層內(nèi)含氣甲烷成分相近，但一旦其流動(dòng)通道上發(fā)生漏氣，則抽采瓦斯?jié)舛葘⒖焖傧陆?。因此，采用瓦斯?jié)舛炔顏砼卸▋牲c(diǎn)之間的漏氣狀態(tài)，進(jìn)而分析其漏氣原因及漏氣強(qiáng)度是科學(xué)可行的，并在此技術(shù)上可針對(duì)性提出相應(yīng)的解決方案，其判定原理如圖3所示。

圖3 鉆孔漏氣位置及強(qiáng)度判定原理示意圖

由圖3可知，在瓦斯流動(dòng)方向上，存在兩個(gè)可能漏氣點(diǎn)a，b，假設(shè)在其左右分別布置3個(gè)濃度測(cè)點(diǎn)，并測(cè)定該點(diǎn)瓦斯?jié)舛确謩e為N1、N2和N3，則可作出如下漏氣特性判定結(jié)果：①若N1

3 鉆孔定點(diǎn)濃度測(cè)定裝置及漏氣位置判定模型

3.1 鉆孔定點(diǎn)濃度測(cè)定裝置及測(cè)定原理

為及時(shí)準(zhǔn)確分析抽采瓦斯鉆孔漏氣發(fā)生位置并制定相應(yīng)提濃措施，根據(jù)上述瓦斯抽采鉆孔漏氣位置及強(qiáng)度判定原理，開發(fā)了一種束管式定點(diǎn)測(cè)定抽采鉆孔甲烷濃度裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—測(cè)點(diǎn)位置；2—PVC硬質(zhì)套管；3—半硬質(zhì)礦用PE彩色束管；4—抽采管密封蓋；5—裝置出氣端口；6—導(dǎo)氣膠管；7—本安型負(fù)壓氣樣采集泵；8—本安型紅外瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀；9—抽采管；10—鉆孔密封材料；11—鉆孔孔壁；12—煤體；13—孔口取氣點(diǎn)圖4 束管式定點(diǎn)測(cè)定抽采鉆孔甲烷濃度裝置示意圖

其測(cè)定原理如下：

1)通過閉孔正壓取氣并利用氣相色譜儀測(cè)定煤層原始瓦斯氣體甲烷濃度Q原。

2)按照?qǐng)D4分別組裝抽采鉆孔甲烷濃度裝置1—3，并送入瓦斯抽采鉆孔9內(nèi)，使其結(jié)構(gòu)4、5在瓦斯抽采狀態(tài)下保持良好密封性；同時(shí)連接氣體采集泵7和瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀8。

3)通過抽采管開始抽采瓦斯，利用瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀對(duì)抽采管上的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)孔O處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，得出孔口處瓦斯?jié)舛萉O。

4)關(guān)閉所有導(dǎo)氣管上的氣閥，然后依次打開每條導(dǎo)氣管上的氣閥，開啟氣體采集泵，分別記錄每個(gè)測(cè)段的瓦斯?jié)舛?，從鉆孔口向內(nèi)依次記錄為QA、QB、QC、QD、QE、QF和QG。

5)將測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出漏氣位置及漏氣強(qiáng)度特征。

3.2 瓦斯抽采鉆孔漏氣判定模型

對(duì)3.1節(jié)中裝置所設(shè)測(cè)點(diǎn)QO、QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG的瓦斯?jié)舛燃懊簩釉技淄闈舛萉原值測(cè)定后，根據(jù)2.2節(jié)中鉆孔漏氣位置及強(qiáng)度判定原理可判定瓦斯抽采鉆孔漏氣位置及原因見表3。

表3 瓦斯抽采鉆孔漏氣位置判定模型

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

4.1 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)概況

山西高河能源3#煤煤層W4301工作面平均瓦斯壓力為0.44MPa，平均瓦斯含量為8.26m3/t，為高瓦斯工作面；煤層透氣性系數(shù)為0.026MPa2·d，屬典型低滲煤層?，F(xiàn)場(chǎng)抽采效果表明，該區(qū)域普遍鉆孔抽采效果較差，平均抽采瓦斯?jié)舛炔蛔?0%；而根據(jù)其地勘數(shù)據(jù)可知，煤層原始含氣平均甲烷濃度值為83%～95%，因此，判定該區(qū)域瓦斯抽采鉆孔存在較大漏氣情況。

4.2 漏氣特性測(cè)定結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為確定該區(qū)域瓦斯抽采鉆孔漏氣位置，分析其漏氣原因，進(jìn)而提出合理的提濃措施，根據(jù)表1所示瓦斯抽采鉆孔漏氣位置判定模型，對(duì)W4301回風(fēng)巷121-1#和121-3#兩個(gè)鉆孔進(jìn)行定點(diǎn)濃度測(cè)定；同時(shí)，配合閉孔分析法進(jìn)行測(cè)定(閉孔法即對(duì)鉆孔實(shí)施抽采負(fù)壓關(guān)閉，然后測(cè)定孔內(nèi)氣體正負(fù)壓及氣體成分，進(jìn)而間接判定鉆孔漏氣位置。)測(cè)定結(jié)果見表4。

表4 鉆孔漏氣位置測(cè)定

由表4瓦斯抽采鉆孔漏氣位置判定模型及表2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，鉆孔121-1#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛冉档忘c(diǎn)在D、E點(diǎn)附近，D處降低嚴(yán)重，因此該鉆孔主要漏氣位置為密封段漏氣，漏氣主要原因?yàn)殂@孔密封性差和密封深度不足所致；且閉孔后壓力上升，說明瓦斯?jié)舛冉档偷脑虺耸茔@孔漏氣影響瓦斯，主要還由鉆孔圍巖瓦斯涌出供給不足引起，而根據(jù)瓦斯?jié)舛瓤刂品匠炭芍?，漏風(fēng)條件不變，瓦斯涌出量越低，相同漏風(fēng)量稀釋瓦斯?jié)舛雀鼑?yán)重，導(dǎo)致抽采瓦斯?jié)舛仍降汀６?21-3#鉆孔孔內(nèi)瓦斯?jié)舛日w偏低，均低于煤層原始含氣甲烷濃度值Q原，因此，可判定其漏氣主要由鉆孔深部發(fā)生竄孔和鉆孔密封段漏氣共同作用造成，且通過閉孔后抽采鉆孔處于負(fù)壓抽采狀態(tài)也可以確定。

4.3 鉆孔提濃措施及效果分析

根據(jù)上述測(cè)定結(jié)果，優(yōu)化山西高河能源W4301回風(fēng)巷126#鉆孔施工參數(shù)及密封參數(shù)，并與125#鉆孔抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析改變各參數(shù)后的鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況，兩組鉆孔及密封參數(shù)見表5。

表5 鉆孔及密封參數(shù)

對(duì)上述兩組鉆孔分別跟蹤測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表6。

表6 抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比表

由表6可知，增加鉆孔密封長(zhǎng)度和深度后對(duì)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛染哂酗@著效果，平均單孔瓦斯?jié)舛瓤商岣?～5倍，說明W4301工作面預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采濃度偏低受密封長(zhǎng)度和深度不足影響較大，可通過增加密封長(zhǎng)度或深度來實(shí)現(xiàn)鉆孔提濃。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)鉆孔圍巖漏氣流場(chǎng)分布特征可知，鉆孔圍巖煤壁漏氣和鉆孔密封段長(zhǎng)度對(duì)于鉆孔圍巖漏氣流場(chǎng)分布和漏氣強(qiáng)度具有主要控制作用，在漏氣出口面積相同情況下，考慮煤壁漏風(fēng)條件時(shí)其漏氣速度約為不考慮的2倍左右。

2)研發(fā)了束管式定點(diǎn)測(cè)定抽采鉆孔甲烷濃度裝置，并建立了相應(yīng)的瓦斯抽采鉆孔漏氣判定模型，為瓦斯抽采鉆孔快速檢漏提供技術(shù)途徑。

3)通過對(duì)山高河能源W4301回風(fēng)巷瓦斯抽采鉆孔漏氣特征分析，鉆孔密封深度和長(zhǎng)度不足及鉆孔間距較小是造成抽采濃度下降的主要原因之一；通過增加鉆孔密封深度和長(zhǎng)度后，平均單孔瓦斯抽采濃度可增加3～5倍，證明了束管式定點(diǎn)測(cè)定抽采鉆孔甲烷濃度裝置和瓦斯抽采鉆孔漏氣判定模型的可靠性。