煤層注水對(duì)巷道瓦斯解吸釋放影響及控制機(jī)制

權(quán)紅星

(1.潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省長(zhǎng)治市，046100；2.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司，山西省長(zhǎng)治市，046100)

煤層注水是煤巖工作面防塵、降塵和抑制瓦斯涌出的重要措施之一[1]。在煤巖掘進(jìn)工作面打注水鉆孔，并通過注水鉆孔向煤體注入一定量的壓力水可抑制瓦斯的解吸/釋放，起到良好的防突效果。近年來，關(guān)于液態(tài)水對(duì)瓦斯解吸/釋放的影響，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究；高正等[2]提出從能量角度分析低階煤中不同宏觀煤巖類型的潤(rùn)濕性對(duì)甲烷吸附/解吸特征的影響；WANG等[3]認(rèn)為在不同瓦斯吸附平衡壓力和不同注水量條件下，吸附態(tài)瓦斯被液態(tài)水置換，且注入水分越多，液態(tài)水置換的吸附瓦斯也越多；馬東民等[4]研究了不同宏觀煤巖組分的煤層氣吸附/解吸的能力，從吸附熱力學(xué)角度解釋吸附/解吸差異。

目前，關(guān)于煤層含水率對(duì)瓦斯的解析釋放的影響研究多停留在宏觀理論方面，具體的試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面探索較少。筆者根據(jù)N2103運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面實(shí)際工程特點(diǎn)，構(gòu)建高壓注水模型，利用COMSUL數(shù)值模擬軟件和現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，探究不同注水壓力條件下鉆孔周圍煤體濕潤(rùn)情況及壓力水對(duì)巷道瓦斯解吸/釋放的影響，從而改變巷道瓦斯?jié)B流特性及涌出情況。該研究結(jié)果對(duì)消除或減小掘進(jìn)工作面瓦斯突出危險(xiǎn)性有一定的借鑒意義。

1 概況

在地下煤炭開采過程中均可觀察到多相流體在煤巖的孔隙裂隙中流動(dòng)現(xiàn)象，其中煤巖外部的結(jié)構(gòu)面和內(nèi)部的孔隙裂隙是多相流體流動(dòng)的主要通道。煤層中注入壓力水后，水在外部壓力和自身重力的條件下先沿著原生的孔隙裂隙滲流流動(dòng)，當(dāng)濕潤(rùn)了孔隙裂隙的表面之后，在毛細(xì)作用力的作用下，水繼續(xù)向煤體內(nèi)部滲透和浸潤(rùn)，使原生的處于閉合狀態(tài)的孔隙裂隙不斷地溝通開裂，從而增加了煤體水分的濕潤(rùn)程度和范圍[5]。

1.1 煤層裂隙兩相流流動(dòng)基本理論

每相流在滲透區(qū)域中能否連續(xù)是決定該相流能否發(fā)生流動(dòng)的決定因素之一。當(dāng)互不混溶的兩相流體在多孔隙介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，它們各自建立了與之相應(yīng)的曲折而穩(wěn)定的通道，此通道的穩(wěn)定性與濕潤(rùn)相或非濕潤(rùn)相流體的飽和度是密切關(guān)聯(lián)的，當(dāng)其飽和度發(fā)生變化而突然變小時(shí)，通道的穩(wěn)定性便受到破壞，最終破壞了流體流動(dòng)的連續(xù)性。

為研究互不相混溶的兩相流體的流動(dòng)，需要將已有相關(guān)成熟理論公式的單相滲流拓展到兩相滲流中[5-6]。相對(duì)滲透率的大小與以下3個(gè)因素有關(guān)：介質(zhì)的絕對(duì)滲透率、另一相流體的特性、該相流體的飽和度[7]。使用過程中，通常采用相對(duì)滲透率與絕對(duì)滲透率的比值：

式中:Kr1、Kr2——流體1和流體2的相對(duì)滲透率[7]；

K1——流體1的滲透率；

K2——流體2的滲透率；

K——介質(zhì)的絕對(duì)滲透率。

1.2 煤層裂隙兩相流體滲流方程

在等溫狀態(tài)下的滲流控制方程主要由連續(xù)性方程及達(dá)西(Darcy)定律組成[6]：

式中：Q——流體流過橫截面的體積流量；

J——水力梯度；

A——圓筒段面積；

H1——測(cè)壓孔1的測(cè)管水壓；

H2——測(cè)壓孔2的測(cè)管水壓；

L——兩個(gè)測(cè)量管孔之間的距離；

ΔH——測(cè)管水壓1與測(cè)管水壓2差值；

K′——水力傳導(dǎo)滲透系數(shù)[6]。

根據(jù)達(dá)西定律推廣各向同性介質(zhì)中兩相滲流形式，可得兩相流體滲流方程組的矢量形式為[8]：

(5)

(6)

式中：V1——流體1的滲流速度；

V2——流體2的滲流速度；

?P1——流體1的壓力梯度；

?P2——流體2的壓力梯度；

μ1——流體1的粘度；

μ2——流體2的粘度。

式(5)、(6)同樣可應(yīng)用于兩相互不混溶流體滲流。

2 數(shù)值模型

2.1 模型選取與建立

應(yīng)用COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬軟件中的地球科學(xué)和模塊分支下的多孔介質(zhì)流體流動(dòng)及化學(xué)工程板塊中的多向流體流動(dòng)應(yīng)用模式，根據(jù)余吾煤業(yè)3號(hào)煤層N2103運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面實(shí)際工程特點(diǎn)，構(gòu)建高壓注水模型。選取粗糙裂隙和平行板2種模型模擬煤的多孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，以煤層瓦斯抽采鉆孔為原型，并在模型中心建立孔徑為120 mm的瓦斯抽采鉆孔，向鉆孔內(nèi)注入壓力分別為3、6、9 MPa 的水流，注水時(shí)間4 h，觀察距離鉆孔中心不同位置水壓分布、水流擴(kuò)散速度、飽和度分布及含水等值線變化規(guī)律。

考慮到瓦斯抽采鉆孔穿過煤體的距離較長(zhǎng)，沿著鉆孔建立模型計(jì)算量較大，因此選擇垂直于鉆孔建立5 m×5 m平面應(yīng)變模型，如圖1所示。根據(jù)研究中最優(yōu)參數(shù)[9-11]，選取模擬區(qū)域力學(xué)參數(shù)分別為：初始孔隙度θs為0.1，殘余孔隙度θr為0.021，水的密度ρw為1.0×103kg/m3，氣相密度ρα為1.25 kg/m3，水相動(dòng)力粘滯系數(shù)ηw為0.001 Pa·s，氣相動(dòng)力粘滯系數(shù)ηa為1.81×10-5Pa·s，擬合參數(shù)α為1.89 m-1，擬合參數(shù)N為2.811，擬合參數(shù)L為0.5，初始滲透率K為1.2×10-17m2。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 不同注水壓力下水壓分布云圖

不同注水壓力水壓分布云圖見圖2。由圖2可以看出，在注水壓力相同的條件下，距離鉆孔中心距離越遠(yuǎn)，區(qū)域水壓值越小，減小量呈現(xiàn)以鉆孔為中心向四周均勻分布；隨著注水壓力增大，水的濕潤(rùn)范圍越廣，以鉆孔為中心高水壓區(qū)域范圍越廣。

圖2 不同注水壓力水壓分布云圖

距鉆孔不同距離處水壓分布圖見圖3。由圖3可以看出，隨著注水壓力越大，鉆孔周圍區(qū)域水壓衰減程度越劇烈；相同注水壓力條件下，距離鉆孔中心距離越遠(yuǎn)，水壓衰減程度越緩慢?？梢?，注水初期水流在小范圍內(nèi)流動(dòng)較劇烈，鉆孔流量大，隨著注水時(shí)間延長(zhǎng)，水流流動(dòng)減緩，鉆孔流量減小，注水效率下降。

圖3 距鉆孔中心不同位置水壓分布圖

2.2.2 不同注水壓力下水流擴(kuò)散速度圖

距鉆孔不同位置處水?dāng)U散速度如圖4所示。由圖4可以看出，相同注水壓力條件下，距離鉆孔中心越近，水流擴(kuò)散速度越快，但水流擴(kuò)散度衰減也越劇烈；隨注水壓力增大，同一區(qū)域水流擴(kuò)散速度和擴(kuò)散半徑均逐步增大。可見，當(dāng)提高注水壓力時(shí)，輸水動(dòng)力增大，加劇煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度，溝通孔隙裂隙，提高滲透率，增大了煤體的導(dǎo)水性。

圖4 距鉆孔中心不同位置處水?dāng)U散速度

2.2.3 不同注水壓力下飽和度分布云圖

不同注水壓力時(shí)飽和度分布云圖見圖5。由圖5可以看出，隨著注水壓力增大，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的飽和度發(fā)生較大的變化，特別是在水氣交界面變化程度較為劇烈。由此可見，隨注水壓力增大，由于液態(tài)水對(duì)瓦斯的驅(qū)替作用，促使瓦斯不斷向邊界移動(dòng)，抑制了瓦斯的吸附解吸作用，注水影響范圍不斷擴(kuò)大。

圖5 不同注水壓力時(shí)飽和度分布云圖

2.2.4 不同注水壓力下含水率等值線分布圖

煤層含水量是反映煤層注水效果的重要指標(biāo)之一，有數(shù)據(jù)表明當(dāng)煤體水分每增加1%時(shí)，降塵和抑制瓦斯解吸的效果有明顯的提升[12-14]。根據(jù)AQ1020-2006煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范要求，注水總量應(yīng)使?jié)櫇衩后w的含水增加1.5%[15-17]。N2103工作面煤層初始含水率為2.5%，因此試驗(yàn)潤(rùn)濕半徑以注水孔為中心，周圍煤體水分達(dá)到4%確定為潤(rùn)濕半徑。

不同注水壓力時(shí)含水率等值線如圖6所示。由圖6可以看出，在不同注水壓力條件下，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的煤體有不同程度的濕潤(rùn)效果，隨著注水壓力增大，同一位置的含水率值增大；同一注水壓力條件下，距離鉆孔中心越近，含水率值越大，其中最大含水率達(dá)到6%，最小含水率為2%。

圖6 不同注水壓力時(shí)含水率等值線

離鉆孔不同位置處含水率分布圖見圖7，圖中黑色線段表示含水率4%界限，在注水壓力3、6、9 MPa時(shí)，動(dòng)壓注水4 h，滿足含水率4%界限條件的濕潤(rùn)半徑分別為2.8、3.9、4.7 m。

圖7 距離鉆孔不同位置處含水率分布圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為進(jìn)一步了解煤層注水條件對(duì)巷道瓦斯解吸釋放影響，選取余吾煤業(yè)N2103運(yùn)輸巷作為試驗(yàn)工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并根據(jù)測(cè)定的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析。

3.1 試驗(yàn)工作面概況

N2103運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面位于余吾煤業(yè)工業(yè)場(chǎng)地東北部的北二采區(qū)，煤層平均厚度6.15 m，傾角3°～15°，煤層底板標(biāo)高為+333～+520 m，地面標(biāo)高+959～+1 069 m，煤層原始瓦斯含量為9.2 m3/t，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 351 m，設(shè)計(jì)斷面尺寸為5.4 m×3.8 m，實(shí)際斷面尺寸為5.8 m×3.8 m，實(shí)際通風(fēng)量1 792 m3/min，風(fēng)量富裕系數(shù)1.34，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕骄禐?.567%，風(fēng)排瓦斯量為10.16 m3/min。

3.2 試驗(yàn)方案

(1)在N2103運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面選取合適的地點(diǎn)作為試驗(yàn)鉆場(chǎng)，分別標(biāo)記1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)，每個(gè)鉆場(chǎng)選取5個(gè)鉆孔(分別編號(hào)n-1、n-2、n-3、n-4、n-5號(hào))注入壓力水，選取2號(hào)、4號(hào)和6號(hào)鉆場(chǎng)每個(gè)鉆孔注入6 MPa壓力水，1號(hào)、3號(hào)和5號(hào)鉆場(chǎng)每個(gè)鉆孔注入9 MPa壓力水，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中每個(gè)注水鉆孔孔深為130 m，傾角0°，以1號(hào)鉆場(chǎng)為例，注水鉆孔布置如圖8所示。

圖8 1號(hào)鉆場(chǎng)注水鉆孔示意圖

(2)注水設(shè)備選取型號(hào)為SZKF-3.0QB注水泵；注水材料為水和一定濃度的阻化劑；注水時(shí)間選擇4 h左右；注水溶液量為5.5 t左右。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 鉆場(chǎng)煤體濕潤(rùn)情況測(cè)定

為了測(cè)定鉆場(chǎng)煤體濕潤(rùn)情況，每個(gè)鉆孔取樣深度分別為1、3、6、9、12 m，然后送至實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)檢測(cè)分析。

各鉆場(chǎng)取樣含水量變化曲線如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)注水壓力相同時(shí)，在鉆孔3 m周圍處煤樣的含水量高于其他地點(diǎn)的煤樣，同時(shí)，距離鉆孔3 m處距離越遠(yuǎn)，煤樣的含水量越低；當(dāng)注水壓力不同時(shí)，注入壓力水為9 MPa，煤體最大含水量為13.6%，比注入壓力水為6 MPa時(shí)增大4%；注入9 MPa壓力水煤層的濕潤(rùn)半徑比注入6 MPa壓力水煤層的濕潤(rùn)半徑大，這表明增加注水壓力可提高水的濕潤(rùn)半徑。

圖9 各鉆場(chǎng)取樣含水量變化曲線

若以含水量增量4%處作為注水煤層的潤(rùn)濕半徑邊界，徑向方向上，最大潤(rùn)濕半徑約為5.50 m，最小為約0.65 m。

3.3.2 鉆場(chǎng)瓦斯涌出量測(cè)定

在生產(chǎn)班停機(jī)20 min后對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行測(cè)量，此時(shí)N2103運(yùn)輸巷正處于暫停掘進(jìn)階段，巷道瓦斯涌出量受掘進(jìn)落煤影響相對(duì)較小。

在N2103運(yùn)輸巷距掘進(jìn)工作面5 m處布置第1個(gè)測(cè)點(diǎn)，之后每隔30 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。注水作業(yè)施工前后分別測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量，依次計(jì)算各段注水前巷道瓦斯涌出量，測(cè)量結(jié)果見表1。計(jì)算各段注水后巷道瓦斯涌出量，測(cè)量結(jié)果見表2。

表1 實(shí)施注水前瓦斯涌出量參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表2 實(shí)施注水后瓦斯涌出量參數(shù)測(cè)試結(jié)果

注水前后不同測(cè)點(diǎn)瓦斯涌出量變化如圖10所示。由圖10可知，注水后瓦斯涌出量明顯減少，其中，實(shí)施高壓注水前，N2103運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量最高達(dá)到6.20 m3/min，實(shí)施高壓注水后，可將其降低到1.48 m3/min，高壓水抑制瓦斯涌出效果維持在15 d左右，15 d以后瓦斯涌出量有增大的趨勢(shì)。

圖10 注水前后不同測(cè)點(diǎn)瓦斯涌出量變化

4 結(jié)語

(1)通過分析煤層裂隙兩相流流動(dòng)基本理論和兩相流滲流方程，分析液態(tài)水和瓦斯在煤體孔隙裂隙間流動(dòng)規(guī)律。

(2)通過數(shù)值模擬結(jié)果可得，在相同注水時(shí)間條件下，隨著注水壓力增大，鉆孔中心周圍區(qū)域的水壓、水流擴(kuò)散速度及含水率值都相應(yīng)的增大；隨著注水壓力增大，由于液態(tài)水對(duì)瓦斯的驅(qū)替作用，促使瓦斯不斷向邊界移動(dòng)，抑制了瓦斯的解吸釋放。

(3)選取余吾煤礦N2103運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面作為試驗(yàn)鉆場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，可知隨著注水壓力增大，煤層含水量和煤層濕潤(rùn)半徑都相應(yīng)的增大；注水前瓦斯涌出量最高達(dá)6.20 m3/min，注水后降低至1.48 m3/min，瓦斯涌出量明顯減少，最佳抑制效果維持在15 d，超過15 d瓦斯涌出量開始緩慢增加。