不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果研究

閆 慶

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤炭資源為主，“十三五”期間，我國(guó)對(duì)煤炭的需求量保持平穩(wěn)上漲。但是隨著我國(guó)煤礦逐漸向深部開采，瓦斯成為煤礦第一“殺手”，瓦斯雖然有害，但是可利用能源，現(xiàn)階段煤礦從“瓦斯抽放”轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴咚钩椴伞?，不僅降低了瓦斯突出的危險(xiǎn)性，而且還起到資源利用的作用[1-4]。目前，多數(shù)煤礦瓦斯抽采效率低，不僅不能達(dá)到煤層氣利用的最低界限，而且還嚴(yán)重存在安全隱患。煤礦瓦斯抽采濃度低的原因主要有2個(gè)方面：①鉆孔周圍巖石低出現(xiàn)裂隙以及封孔質(zhì)量不佳；②瓦斯含量隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低。為此，本文研究了不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果，分析了鉆孔周邊裂隙發(fā)育程度、封孔深度和抽采時(shí)間3個(gè)漏氣影響因素，得到了鉆孔漏氣運(yùn)移規(guī)律及對(duì)瓦斯抽采效果的影響。研究為改善瓦斯抽采效果提供了技術(shù)支持。

1 瓦斯鉆孔孔外漏氣分析

煤體由于受到開挖的影響，煤體中的裂隙開始發(fā)育，鉆孔周圍裂隙形成了漏氣主要通道[5-7]。當(dāng)保證封孔質(zhì)量時(shí)，巷道煤壁漏氣通道可劃分為鉆孔周邊裂隙漏氣圈漏風(fēng)和巷道裂隙區(qū)漏風(fēng)。

1.1 鉆孔周邊裂隙漏氣圈范圍

當(dāng)鉆孔開始開挖后，鉆孔周圍的圍巖會(huì)遭到破壞，沿徑向方向依次：原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，其應(yīng)力降低區(qū)呈環(huán)形，也稱之“漏氣圈”。

由鉆孔周圍應(yīng)變及應(yīng)力彈塑性解算可知：

(1)

塑性區(qū)的位移和半徑的表達(dá)式為：

(2)

式中，Gr為剪切模量；p0為地應(yīng)力；up為塑性變形位移量；Rp為塑性區(qū)半徑。

把鉆孔破碎區(qū)看作鉆孔的漏氣區(qū)，則可到鉆孔漏氣圈半徑：

(3)

式中，RL為鉆孔漏氣圈半徑。

1.2 巷道裂隙區(qū)漏風(fēng)范圍

根據(jù)煤巖體彈塑性力學(xué)相關(guān)知識(shí)，煤體在開挖后，經(jīng)歷了彈塑性變化→破裂變化→破碎變化→松動(dòng)變化[8-10]。沿鉆孔從里到外，圍巖應(yīng)力劃分為原巖應(yīng)力區(qū)、峰前應(yīng)力升高區(qū)、峰后應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)。依據(jù)彈塑性軟化模型，將煤巖變形過程分為流動(dòng)階段、塑性軟化變形和彈性變形3個(gè)階段。則3個(gè)階段的應(yīng)力表達(dá)式為：

(4)

如巷道處于破碎區(qū)臨界狀態(tài)時(shí)，塑性區(qū)應(yīng)力公式和邊界條件a=r時(shí)，得到臨界狀態(tài)的塑性區(qū)半徑：

(5)

根據(jù)Rc和a/t的關(guān)系，判別圍巖是否出現(xiàn)破碎區(qū)。①Rc大于a/t時(shí)，圍巖出現(xiàn)裂隙區(qū)；②Rc等于a/t時(shí)，圍巖處于臨界狀態(tài)；③Rc小于a/t時(shí)，圍巖沒有出現(xiàn)裂隙區(qū)。

根據(jù)邊界條件和式(5)可得到塑性區(qū)半徑為：

(6)

2 數(shù)值模型建立

采用COMSOL數(shù)值模擬軟件，分析不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果，模型為矩形，尺寸為100 m×110 m，煤的殘余瓦斯強(qiáng)度為1.75 MPa，煤體泊松比0.339，煤體的抗壓強(qiáng)度為7.3 MPa，煤體的黏聚力為100 MPa，煤層內(nèi)摩擦角為30°，地應(yīng)力為8.5 MPa，巷道寬度為5 m，鉆孔直徑為100 mm，封孔材料的支護(hù)力為0.2 MPa。由式(3)計(jì)算得出，鉆孔周邊裂隙漏氣圈范圍為0.17 m；由式(6)計(jì)算得出，巷道裂隙區(qū)漏風(fēng)范圍為7.3 m。抽采瓦斯鉆孔二維界面如圖1所示。

圖1 抽采瓦斯鉆孔二維界面Fig.1 Two-dimensional interface of gas extraction and drilling

根據(jù)某礦井的實(shí)際工程概況，模型的煤巖物理參數(shù)見表1。

表1 模型的煤巖物理參數(shù)Tab.1 Coal physical parameters of model

3 模擬結(jié)果分析

3.1 鉆孔漏氣運(yùn)移規(guī)律分析

為了模擬分析鉆孔漏氣運(yùn)移規(guī)律，設(shè)置煤的煤層初始滲透率為2.8×10-20μm2，裂隙區(qū)煤層初始滲透率2.8×10-18μm2，抽采時(shí)間為60 d，抽采負(fù)壓為15 kPa，封孔深度為4 m。其模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，由于鉆孔抽采期間，處于抽采負(fù)壓，巷道內(nèi)的空氣由裂隙進(jìn)入煤層中，并在鉆孔內(nèi)移動(dòng)；其裂隙區(qū)的壓力明顯升高，在未擾動(dòng)的圍巖中，空氣的壓力接近于0，表明未擾動(dòng)區(qū)，煤層滲透率低，空氣很難向里移動(dòng)。

圖2 不同抽采時(shí)間下鉆孔漏氣壓力分布Fig.2 Pressure distribution of borehole air leakage under different extraction times

3.2 漏氣影響因素分析

為了研究不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果，本文從鉆孔周邊裂隙發(fā)育程度、封孔深度和抽采時(shí)間3方面進(jìn)行分析，分析了期漏氣范圍及漏氣量變化。

(1)鉆孔周邊裂隙發(fā)育程度。為了研究鉆孔周邊裂隙發(fā)育程度對(duì)鉆孔漏氣的影響，本文設(shè)置封孔段和巷道裂隙段的滲透率分別為2.8×10-18、1.4×10-18、0.7×10-18μm2，其他區(qū)域煤層滲透率設(shè)置為2.8×10-20μm2，封孔深度設(shè)置為4 m，抽采負(fù)壓設(shè)置為15 kPa，不同滲透率下鉆孔漏氣流線如圖3所示。

圖3 不同滲透率下鉆孔漏氣流線Fig.3 Drilling air leakage line under different permeability

由圖3可知，當(dāng)封孔段和巷道裂隙段的滲透率為2.8×10-18μm2時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為3.0 L/min；當(dāng)封孔段和巷道裂隙段的滲透率為1.4×10-18μm2時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為1.0 L/min；當(dāng)封孔段和巷道裂隙段的滲透率為0.7×10-18μm2時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為0.5 L/min。研究表明，封孔段和巷道裂隙段滲透性越低，此時(shí)裂隙發(fā)育程度越低，漏氣量越小，流線也密集。因此，在實(shí)際瓦斯抽放中，應(yīng)提高封孔質(zhì)量和降低裂隙的滲透率。

(2)封孔深度。為了研究封孔深度對(duì)鉆孔漏氣的影響，本文設(shè)定封孔深度分別為4、6、8 m，得到鉆孔漏氣變化規(guī)律(圖4)。

圖4 不同封孔深度下鉆孔漏氣流線分布Fig.4 Distribution of air leakage from drilling holes under different sealing depths

由圖4可知，當(dāng)封孔深度為4 m時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為2.8 L/min；當(dāng)封孔深度為6 m時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為1.5 L/min；當(dāng)封孔深度為8 m時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為1.2 L/min。研究表明，隨著封孔深度的增加，漏氣范圍逐漸減小，鉆孔周圍的漏氣線也逐漸稀疏，增加封孔深度，可有效減少鉆孔的漏氣量。

(3)抽采時(shí)間。為了研究抽采時(shí)間對(duì)鉆孔漏氣的影響，本文設(shè)置模擬抽采總時(shí)間為60 d，抽采負(fù)壓為15 kPa，封孔段和巷道裂隙段的滲透率分別為2.8×10-18μm2，其他區(qū)域煤層滲透率設(shè)置為2.8×10-20μm2，分析不同抽采時(shí)間下鉆孔漏氣流線分布如圖5所示。

圖5 不同抽采時(shí)間下鉆孔漏氣流線分布Fig.5 Distribution of air leakage in boreholes at different extraction times

由圖5可知，當(dāng)抽采第10天時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為1.6 L/min；當(dāng)抽采第30天時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為2.5 L/min；當(dāng)抽采第60天時(shí)，模型測(cè)得最大漏氣量為2.7 L/min。研究表明，隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔漏氣范圍逐漸擴(kuò)大。

4 瓦斯抽采效果分析

為了研究不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果，本文分別分析了章節(jié)3中的鉆孔周邊裂隙發(fā)育程度、封孔深度和抽采時(shí)間鉆孔漏氣因素下瓦斯抽采效果。不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果如圖6所示。

由圖6可知，隨著抽采時(shí)間的增加，由于游離態(tài)瓦斯逐漸減小，使得鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸減低；隨著封孔深度逐漸提高，瓦斯抽采濃度也逐漸提高，當(dāng)封孔深度為8 m時(shí)比封孔深度為4 m時(shí)的瓦斯抽采濃度提高了15%左右，但是考慮成本以及巷道裂隙區(qū)漏風(fēng)范圍為7.3 m，得出封孔深度以8 m為宜。

圖6 不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果Fig.6 Effect of gas drainage under different borehole air leakage factors

5 結(jié)論

(1)由于鉆孔抽采期間，巷道內(nèi)的空氣由裂隙進(jìn)入煤層中，并在鉆孔內(nèi)移動(dòng)，裂隙區(qū)的壓力明顯升高。

(2)封孔段和巷道裂隙段滲透性越低，此時(shí)裂隙發(fā)育程度越低，漏氣量越小，流線也密集。在實(shí)際瓦斯抽放中，應(yīng)提高封孔質(zhì)量和降低裂隙的滲透率；隨著封孔深度的增加，漏氣范圍逐漸減小，鉆孔周圍的漏氣線也逐漸稀疏，增加封孔深度，可有效減少鉆孔的漏氣量；隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔漏氣范圍逐漸擴(kuò)大。

(3)隨著抽采時(shí)間的增加，由于游離態(tài)瓦斯逐漸減小，鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸減低；隨著封孔深度逐漸提高，瓦斯抽采濃度也逐漸提高，封孔深度以8 m為宜。