順層鉆孔瓦斯抽采合理封孔深度

尚延龍,謝雄剛,馬瑞帥,蘇偉偉

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為在極短時(shí)間內(nèi)大量的煤與瓦斯涌向工作面[1].大量研究表明,煤與瓦斯突出的發(fā)生首先是在地應(yīng)力的作用下煤巖體發(fā)生破壞產(chǎn)生大量的孔隙、裂隙,隨后在高壓瓦斯的作用下大量能量被釋放到工作面,從而造成大量的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[2-4].簡而言之,煤與瓦斯突出是一種能量釋放的過程[5].但是,單一的地應(yīng)力或瓦斯壓力都不足以導(dǎo)致煤與瓦斯突出的發(fā)生.對于具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的煤層,瓦斯含量過大和瓦斯初始釋放時(shí)發(fā)生氣體膨脹是煤與瓦斯事故發(fā)生的基礎(chǔ)條件[6-8].隨著煤礦開采向深部進(jìn)行,煤體瓦斯含量急劇增加,這大大增加了煤礦開采過程中的危險(xiǎn)性[9].順層鉆孔瓦斯抽采是降低煤層瓦斯含量、確保采煤安全的有效手段,而合理的順層鉆孔封孔深度是決定瓦斯抽采效果的重要因素.當(dāng)封孔深度位于卸壓帶范圍時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)鉆孔漏風(fēng)嚴(yán)重等問題,因此,順層鉆孔瓦斯抽采過程中,準(zhǔn)確判斷卸壓帶范圍和設(shè)計(jì)合理的封孔深度對瓦斯抽采及采煤工作安全進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用.

近年來,不少學(xué)者對順層鉆孔瓦斯抽采時(shí)合理封孔深度進(jìn)行了研究.程歡等[10]通過理論分析與現(xiàn)場試驗(yàn)的方式,運(yùn)用穩(wěn)壓流量法對匯豐匯煤礦15111工作面?zhèn)葞托秹簬挾冗M(jìn)行了研究,并得出當(dāng)順層鉆孔瓦斯抽采封孔深度為10.5 m時(shí)可實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯持續(xù)性抽采;付帥[11]通過氣體漏失量法對煤巷側(cè)幫卸壓帶范圍進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)通過氣體漏失量法測定的卸壓帶范圍為11 m,略大于鉆孔參數(shù)法所確定的卸壓帶范圍,可實(shí)現(xiàn)順層鉆孔瓦斯持續(xù)性抽采;魏風(fēng)清等[12-13]從鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的角度出發(fā),對伍仲煤礦1105工作面?zhèn)葞托秹簬Х秶M(jìn)行了探究,并基于卸壓帶范圍對順層鉆孔瓦斯合理封孔深度及瓦斯抽采效果進(jìn)行了考察.上述研究在保證煤礦安全生產(chǎn)和煤炭高效回采方面做出了很大貢獻(xiàn),但是上述方法均為典型的點(diǎn)方法,操作過程復(fù)雜且很難保證順層鉆孔瓦斯封孔深度的合理性.

基于以上分析,本文通過理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對瓦斯壓力梯度與鉆孔初始瓦斯流量之間的關(guān)系進(jìn)行探討,后續(xù)以河南薛湖煤礦2306運(yùn)輸巷為試驗(yàn)對象,采用連續(xù)流量法,連續(xù)測定打鉆過程中采空區(qū)側(cè)方煤體涌出的瓦斯流量,用來確定卸壓帶寬度,以期為確定順層鉆孔瓦斯抽采合理封孔深度提供一種新方法.

1 理論分析

由前人研究與理論分析可知,鉆孔初始瓦斯流量主要包括3個(gè)分布[14],分別是鉆頭附近涌出的瓦斯流量、鉆進(jìn)過程中鉆孔孔壁涌出的瓦斯流量以及鉆進(jìn)過程中形成的鉆屑涌出的瓦斯流量.煤體瓦斯賦存形式包括吸附態(tài)與游離態(tài),并且在外部條件改變時(shí)二者會(huì)相互轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致鉆孔瓦斯涌出是一個(gè)很復(fù)雜的過程.為了簡化研究,同時(shí)在考慮主要因素的情況下,假設(shè):①煤層頂?shù)装鍥]有裂隙且對瓦斯吸附能力很弱;②煤體瓦斯是理想氣體并且遵守達(dá)西定律;③煤層均質(zhì);④煤體溫度保持恒定;⑤煤層瓦斯?jié)B透率不隨瓦斯壓力的變化而變化.

鉆進(jìn)過程中,鉆頭附近首先形成瓦斯流動(dòng)的通道,在高壓瓦斯壓力梯度的作用下鉆頭附近的瓦斯服從球向滲流,其滲流方程的推導(dǎo)過程如式(1)和式(2)所示.

(1)

式中:a1為煤層瓦斯含量系數(shù);r為球向滲流模型半徑,m;P為球向滲流模型對應(yīng)煤層瓦斯壓力,MPa;t為時(shí)間,s;R1為鉆孔半徑,m;P1為球向滲流模型鉆孔瓦斯壓力,MPa;p1為鉆孔瓦斯壓力,MPa;P0為球向滲流模型煤層原始瓦斯壓力,MPa;p0為煤層原始瓦斯壓力,MPa.

對式(1)進(jìn)行拉氏變換并將初始條件、邊界條件及達(dá)西定律代入,可得鉆頭附近瓦斯涌出量:

(2)

式中:qA為鉆頭附近瓦斯涌出量,m3/(m2·d) ;λ為煤層滲透系數(shù),m2/(MPa2·d ).

由式(2)可以看出:鉆頭前方煤體瓦斯涌出量與時(shí)間、瓦斯壓力梯度及鉆孔半徑相關(guān),受時(shí)間影響較大,隨著涌出時(shí)間持續(xù)增加而逐漸趨于一個(gè)定值.

相比于煤層,可將鉆孔看作無限小的孔洞.鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)方式符合徑向滲流,如式(3)所示.

(3)

對式(3)進(jìn)行拉氏變換,并將初始條件與邊界條件代入,再進(jìn)行無量綱化處理后可得鉆孔孔壁瓦斯涌出量:

(4)

式中:qB為鉆孔孔壁瓦斯涌出量,m3/(m2·d);Y為無量綱常數(shù).

由式(4)可以看出:鉆孔孔壁的瓦斯涌出量與瓦斯壓力梯度及煤層透氣性系數(shù)正相關(guān),與鉆孔半徑負(fù)相關(guān).

隨著鉆孔的鉆進(jìn),由鉆屑中涌出的瓦斯流量逐漸變大.假設(shè)煤屑為球形、各向同性且均質(zhì),鉆進(jìn)過程中煤屑直徑保持不變,在鉆進(jìn)時(shí)符合質(zhì)量守恒定律.基于上述假設(shè),鉆孔內(nèi)部鉆屑涌出瓦斯的流動(dòng)方程推導(dǎo)過程如式(5)～式(8)所示.

(5)

將初始條件和邊界條件代入式(5),并進(jìn)行拉氏變換求解可得

(6)

式中:E0為鉆頭前方煤體瓦斯在均質(zhì)煤層中球向不穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的瓦斯壓力;F0為時(shí)間準(zhǔn)數(shù).

根據(jù)達(dá)西定律可得煤壁瓦斯涌出量為

(7)

式中:qC為煤壁瓦斯涌出量.

對式(6)進(jìn)行無量綱化處理,代入式(7)可得鉆孔內(nèi)部鉆屑瓦斯涌出量:

(8)

式中:qD為鉆孔內(nèi)部鉆屑瓦斯涌出量.

由式(8)可以看出:煤屑中的瓦斯涌出量受多方面因素影響,其中瓦斯壓力梯度對其影響最大.

2 瓦斯壓力梯度影響下的鉆孔瓦斯流量變化規(guī)律的數(shù)值模擬

由理論分析可知,鉆孔瓦斯流量與地應(yīng)力、鉆孔直徑、鉆進(jìn)深度、鉆進(jìn)時(shí)間、煤體的物理性質(zhì)以及瓦斯壓力梯度有關(guān).當(dāng)煤層及鉆進(jìn)方式確定時(shí),影響鉆孔瓦斯流量的前5個(gè)因素往往是確定的,這時(shí)影響鉆孔瓦斯流量的主要因素為瓦斯壓力梯度.基于此,本文運(yùn)用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,探究瓦斯壓力梯度對鉆孔瓦斯流量的影響規(guī)律,數(shù)值模型如圖1所示.

圖1 三維數(shù)值模型

該模型彈性模量為675 MPa,內(nèi)聚力為0.136 MPa,內(nèi)摩擦角為22°,溫度為303 K,煤體密度為1 350 kg/m3,泊松比為0.45,瓦斯密度為0.716 kg/m3,動(dòng)力黏度為1.85e-5 Pa/s.模型長度為1.5 m,寬和高均為2 m,鉆孔直徑為42 mm.模型上方施加煤層埋深為900 m時(shí)的上覆壓力,含水率為5.6%,鉆進(jìn)時(shí)間為3 min,鉆進(jìn)深度為1 m.模擬瓦斯壓力由0.5 MPa增到3.0 MPa,瓦斯壓力梯度分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 MPa.模擬得到不同的瓦斯壓力梯度下鉆孔瓦斯流量曲線如圖2所示.

由圖2可知:在不同的瓦斯壓力梯度下,隨著鉆進(jìn)過程的進(jìn)行,初始瓦斯涌出量迅速增加.在整個(gè)鉆進(jìn)過程中,初始瓦斯涌出率隨鉆進(jìn)深度的增加而減小.此外,對于特定的鉆進(jìn)時(shí)間,對比不同的壓力梯度下的初始瓦斯涌出量,發(fā)現(xiàn)初始瓦斯涌出量與壓力梯度之間存在明顯的正相關(guān),即隨著瓦斯壓力梯度的逐漸增大,初始瓦斯涌出量也相應(yīng)增大.

為更直觀表明鉆孔初始瓦斯流量與瓦斯壓力梯度之間的關(guān)系,對圖2鉆孔瓦斯流量曲線進(jìn)行積分計(jì)算,同時(shí)為減小誤差,對各個(gè)瓦斯壓力梯度下流量積分取平均值,并對所求平均值進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖3所示.

圖2 不同的瓦斯壓力梯度下鉆孔瓦斯流量曲線

圖3 鉆孔初始瓦斯流量與瓦斯壓力梯度擬合曲線

由圖3可得到:鉆孔初始瓦斯流量與瓦斯壓力梯度的函數(shù)關(guān)系式為

qE=0.388ΔP+0.098.

(9)

式中:qE為單位面積上瓦斯涌出量;ΔP為瓦斯壓力梯度,MPa.

結(jié)合圖3和式(9)可知:鉆孔初始瓦斯流量與瓦斯壓力梯度之間呈線性關(guān)系,兩者的相關(guān)系數(shù)R2= 0.994 9.此外,前人研究表明受采動(dòng)影響煤巷側(cè)幫呈“三帶”分布[15].結(jié)合圖2和圖3分析可知,卸壓帶內(nèi)的煤體由于孔隙與裂隙急劇增加導(dǎo)致大量瓦斯釋放到外界,因此卸壓帶煤體瓦斯壓力梯度較小;在地應(yīng)力的作用下,位于集中應(yīng)力帶內(nèi)的煤體滲透率開始下降,此部分煤體含有大量的瓦斯但難以釋放到外界,使得在卸壓帶與集中應(yīng)力帶交界區(qū)域煤體瓦斯壓力梯度達(dá)到最大值.

3 封孔深度確定

為進(jìn)一步確定合理的封孔深度,本文選用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證.試驗(yàn)地點(diǎn)為薛湖煤礦2306運(yùn)輸巷,屬于薛湖煤礦二號(hào)煤層,該煤層為主采煤層,煤層平均厚度為2.23 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單且較穩(wěn)定,頂板由砂質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖構(gòu)成,底板由細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖構(gòu)成.煤層瓦斯壓力為1.12～1.73 MPa,普氏系數(shù)為0.94,破壞類型為Ⅱ類[16].薛湖煤礦2306運(yùn)輸巷為原始開挖巷道,此巷道周圍無斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造影響,煤體暴露時(shí)間為120 d以上,該巷道應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定,符合相應(yīng)試驗(yàn)條件.

基于數(shù)值模擬分析結(jié)果,本文運(yùn)用線性突出預(yù)測裝置(見圖4)連續(xù)測定煤巷側(cè)幫初始鉆孔瓦斯流量.觀察發(fā)現(xiàn),鉆機(jī)打鉆是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,若采用常規(guī)的密封方法,密封效果較差.密封效果直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,基于此,本文選取了一種新型的密封裝置,該裝置的特點(diǎn)是能夠利用鉆孔過程中產(chǎn)生的巖屑以及煤渣漏斗中的煤屑密封瓦斯氣體,保證氣體在鉆進(jìn)過程中通過流量傳感器.此外,利用氣體流量校準(zhǔn)系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的初始瓦斯排放速度,實(shí)時(shí)監(jiān)測和測定煤巷側(cè)幫鉆孔初始瓦斯涌出初速度的變化情況,保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1.麻花鉆桿;2.封孔裝置;3.雙錐體過濾筒;4.流量管;5.高速傳感器;6.低速傳感器;7.導(dǎo)流裝置;8.推桿;9.料位開關(guān);10.煤屑漏斗;11.定位擋板;12.煤屑排出管;13.手壓泵;14.主機(jī);15.煤電鉆;16.位移傳感器.

試驗(yàn)過程中,首先在預(yù)定位置施工一個(gè)直徑為94 mm長度為1 m的鉆孔;再通過手壓泵向封孔膠囊中注水,注水壓力為3 MPa,直至膠囊完全展開;后續(xù)安裝流量傳感器與位移傳感器,同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)接收程序;然后再改用直徑為42 mm的鉆桿持續(xù)鉆進(jìn)至2306運(yùn)輸巷采空區(qū)邊緣煤層15 m處;最后停止數(shù)據(jù)接收程序,運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序.該試驗(yàn)過程共布置5個(gè)鉆孔,孔間距為50 m,其中1#與2#鉆孔由線性突出預(yù)測裝置進(jìn)行鉆進(jìn),同時(shí)實(shí)時(shí)測定鉆孔初始瓦斯流量;3#，4#，5#鉆孔由普通鉆機(jī)鉆進(jìn),鉆進(jìn)深度與1#和2#鉆孔保持一致.后續(xù)對各個(gè)鉆孔進(jìn)行不同深度的封孔處理,以判斷合理的順層鉆孔瓦斯抽采封孔深度.因?yàn)橄锏佬秹好后w被破碎,導(dǎo)致地應(yīng)力轉(zhuǎn)移.地應(yīng)力較高時(shí),煤體骨架被壓縮,張開的裂隙閉合,滲透率下降,煤體涌向鉆孔的瓦斯流量減少.常見的用于測定煤巷側(cè)幫卸壓區(qū)的方法易造成試驗(yàn)誤差,導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn),上述試驗(yàn)裝置配備了高-低速流量傳感器,可避免相應(yīng)的誤差.運(yùn)用該試驗(yàn)裝置連續(xù)測定薛湖煤礦2306運(yùn)輸巷1#和2#鉆孔15 m范圍的初始瓦斯流量,其結(jié)果如圖5所示.由圖5可知隨著鉆進(jìn)深度增加,鉆孔初始瓦斯流量呈現(xiàn)低—高—低的變化規(guī)律,與上述第2節(jié)卸壓帶與集中應(yīng)力帶交界區(qū)域煤體瓦斯梯度達(dá)到最大值的分析結(jié)果相吻合,圖5所示峰值所處區(qū)域?yàn)樾秹簬c應(yīng)力集中帶的交界區(qū)域.

圖5 鉆孔瓦斯流量與鉆進(jìn)深度的變化趨勢

試驗(yàn)過程中,由于1#鉆孔打鉆過程中鉆進(jìn)速度過快,瓦斯流量信號(hào)不能及時(shí)傳到信號(hào)接收器,導(dǎo)致測定的卸壓帶寬度較大,位于9.5～10 m,如圖5a所示.鑒于1#鉆孔由于鉆進(jìn)速度產(chǎn)生誤差,2#鉆孔在打鉆時(shí)放緩鉆進(jìn)速度,最終測定的卸壓帶寬度位于9～10 m,如圖5b所示.結(jié)合1#和2#鉆孔測試的結(jié)果,最終確定薛湖煤礦2306運(yùn)輸巷的卸壓帶寬度為9～10 m.

為進(jìn)一步驗(yàn)證所測卸壓帶寬度的準(zhǔn)確性,同時(shí)檢驗(yàn)不同封孔深度下的瓦斯抽采效果.后續(xù)繼續(xù)施加3個(gè)鉆孔,分別為3#,4#,5#鉆孔.1#與2#鉆孔的封孔深度為10 m,3#,4#以及5#鉆孔封孔深度采用國家標(biāo)準(zhǔn)最終確定為8 m.封孔后測定各個(gè)鉆孔50 d內(nèi)的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和瓦斯抽采量,結(jié)果如圖6所示.

圖6 瓦斯抽采效果

由圖6可知:當(dāng)封孔距離為8 m時(shí),抽采瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)為25.13%,50 d后抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于20%;當(dāng)封孔深度為10 m時(shí),抽采瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)為53.68 %,是封孔深度為8 m時(shí)的2倍多,且50 d后抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)依舊大于30%,這說明封孔深度為10 m時(shí)可實(shí)現(xiàn)瓦斯的持續(xù)性抽采.當(dāng)封孔深度為8 m時(shí),平均瓦斯抽采量為0.081 m3/min,50 d后瓦斯抽采量保持在0.049 m3/min左右;封孔深度為10 m時(shí),平均瓦斯抽采量為0.233 m3/min,50 d后瓦斯抽采量保持在0.182 m3/min附近.這說明封孔深度為8 m時(shí),鉆孔封孔深度未處于卸壓帶與集中應(yīng)力帶交界區(qū)域,大量氣體向卸壓帶區(qū)域泄露.由不同封孔深度的瓦斯抽采效果來看,采用連續(xù)流量法測定的卸壓帶寬度基本準(zhǔn)確可靠,可用來指導(dǎo)順層鉆孔瓦斯抽采.

4 結(jié)論

1)鉆孔初始瓦斯流量與地應(yīng)力、鉆孔直徑、鉆進(jìn)深度、鉆進(jìn)時(shí)間、煤體的物理性質(zhì)以及瓦斯壓力梯度密切相關(guān),且當(dāng)鉆進(jìn)方式與煤層確定時(shí),影響鉆孔初始瓦斯流量的主要因素為瓦斯壓力梯度.

2)瓦斯壓力梯度確定時(shí),鉆孔初始瓦斯流量隨著鉆進(jìn)深度的增加而增加;鉆孔初始瓦斯流量與瓦斯壓力梯度之間存在明顯的線性關(guān)系.

3)隨著鉆進(jìn)深度的增加,鉆孔初始瓦斯流量呈現(xiàn)低—高—低的變化規(guī)律,封孔深度為10 m時(shí)可實(shí)現(xiàn)瓦斯的持續(xù)性抽采,驗(yàn)證了連續(xù)流量法所測得的卸壓帶寬度的準(zhǔn)確性.