煤礦下向抽采鉆孔積水診斷與積水量計(jì)算方法研究

馬宏宇，趙清全，李 朝，張倍寧，石明富

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.國(guó)家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶 400037；3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201； 4.云南滇東雨汪能源有限公司 雨汪煤礦，云南 曲靖 655507； 5.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100070)

煤礦下向抽采鉆孔積水原因有地質(zhì)裂隙水(含承壓水)、施工廢水。診斷下向抽采鉆孔是否存在積水的方法主要為直觀診斷法，包括觀測(cè)鉆孔內(nèi)部的積水情況，聽取抽采管路內(nèi)部的超抽采聲音，觀察放水器的放水流量等。這種方法屬于經(jīng)驗(yàn)性的方法，需要人工長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，并且觀測(cè)的結(jié)果只能定性的分析積水情況，不能科學(xué)客觀地指導(dǎo)下向鉆孔積水診斷[1-6]。另外，采用直觀診斷法發(fā)現(xiàn)時(shí)下向抽采鉆孔也已經(jīng)積水，不能夠提前進(jìn)行預(yù)測(cè)把握排水時(shí)機(jī)。在上述直觀診斷法的基礎(chǔ)上，提出了下向鉆孔積水異常診斷方法，建立積水判斷標(biāo)準(zhǔn)，以提前預(yù)測(cè)下向鉆孔積水狀態(tài)，為及時(shí)采取有效的排水措施奠定基礎(chǔ)[7-11]。

1 下向抽采鉆孔積水原因

綜合分析下向鉆孔積水原因，主要包括煤巖層賦水和鉆孔施工用水。下向抽采鉆孔積水對(duì)瓦斯抽采效果影響很大，隨著抽采鉆孔被積水封堵的面積和長(zhǎng)度的增加，鉆孔內(nèi)部瓦斯運(yùn)移通道被封堵或直接減小，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)瓦斯抽采失效。鉆孔積水不僅降低了孔內(nèi)瓦斯氣流的有效斷面，而且增大了抽采負(fù)壓損耗。我國(guó)部分煤礦在煤層頂?shù)装宕嬖谫x水層，煤巖賦水層是瓦斯抽采過(guò)程中的重要影響因素之一，賦水層通常處于承壓狀態(tài)，具有一定的水壓。當(dāng)下向抽采鉆孔施工經(jīng)過(guò)賦水層時(shí)，在未采取堵水和排水措施的情況下，承壓水依靠壓力進(jìn)入抽采鉆孔，水壓足夠大的話，將充滿整個(gè)鉆孔且對(duì)鉆孔浸潤(rùn)產(chǎn)生破壞，抑制煤層瓦斯解吸和封存瓦斯，導(dǎo)致瓦斯抽采效果降低。因?yàn)橄孪蜚@孔積水導(dǎo)致不能正常抽采煤層瓦斯，給煤礦瓦斯治理工作帶來(lái)了困擾。因此，針對(duì)下向鉆孔穿越賦水層，必須選用合理的排水技術(shù)。國(guó)內(nèi)部分煤礦企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到下向鉆孔排水的重要性，先后進(jìn)行了下向鉆孔排水的有益嘗試，并取得了一定成效，如龍煤礦業(yè)集團(tuán)公司鶴崗分公司興山煤礦、淮南礦業(yè)集團(tuán)公司潘二煤礦等。

下向鉆孔積水指的是下向鉆孔內(nèi)的水不能被抽采瓦斯氣體有效攜帶出而使水在鉆孔中積聚的現(xiàn)象。隨著下向鉆孔的積水量的不斷增多，鉆孔有效抽采時(shí)間不斷縮短，瓦斯抽采量不斷下降，當(dāng)積水量足夠大的話，甚至無(wú)法抽出瓦斯。當(dāng)下向抽采鉆孔積水量較少時(shí)，鉆孔內(nèi)的負(fù)壓和流速足夠高，可以將部分積水以霧流形式攜帶出，少部分水滯留在鉆孔中；當(dāng)下向抽采鉆孔積水量較大時(shí)，鉆孔內(nèi)的抽采負(fù)壓和氣體流速不足以把積水帶出，在孔內(nèi)積聚大量積水，導(dǎo)致鉆孔抽采率降低。

下向鉆孔在施工后，細(xì)粒煤和巖粉沉淀、附著、膠結(jié)在鉆孔壁，隨著積聚量的增多，會(huì)發(fā)生堵孔的現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔抽采失效。多種因素綜合作用導(dǎo)致巖粉、細(xì)粒煤的產(chǎn)生，鉆孔施工工程擾動(dòng)是煤粉產(chǎn)出的誘因，煤巖自身的性質(zhì)是煤粉產(chǎn)出的基礎(chǔ)，細(xì)粒煤和煤粉的形成一方面來(lái)自于鉆孔周圍煤層本身變形破壞，更主要的來(lái)自于鉆孔施工過(guò)程中的機(jī)械破壞[12-15]。

隨著鉆孔內(nèi)含水量的增加，鉆孔周圍煤體有3個(gè)階段的特征：分別為“潤(rùn)滑”、“黏結(jié)”和“懸浮”。在“潤(rùn)滑”階段：含水率較低，煤體強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。在“黏結(jié)”階段：含水量增加，煤體表面張力對(duì)強(qiáng)度的影響大于摩擦力的影響，毛細(xì)管起主導(dǎo)作用，軟煤整體的剪切強(qiáng)度增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明剪切強(qiáng)度與含水量的關(guān)系如圖1所示。當(dāng)含水量達(dá)到10%時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值。在“懸浮”階段：煤體濕度達(dá)到了飽和，煤體顆粒之間充滿水導(dǎo)致表面張力消失，剪切強(qiáng)度開始減小。造成鉆孔底部煤體長(zhǎng)期浸泡在水中，達(dá)到煤體的含水飽和度。不管是硬煤還是軟煤煤體強(qiáng)度必然很低，這是造成下向積水鉆孔比上向孔易失穩(wěn)的原因之一[16-20]。

圖1 剪切強(qiáng)度與含水量的關(guān)系Fig.1 Relationship between shear strength and water content

在煤層底板含有泥巖，下向穿層鉆孔在泥巖段在積水壓差作用下會(huì)發(fā)生水化作用，水分子進(jìn)入到黏土礦物顆粒之間的宏觀孔隙和巖石微觀孔隙。水分子在黏土礦物中發(fā)生水化作用大致分為表面水化和滲透水化2個(gè)階段。從而形成一段致密的煤泥粉，造成堵孔，使得瓦斯抽采的難度增加。

2 下向抽采鉆孔積水的影響

(1)抽采純量(濃度)降低。下向抽采鉆孔孔底積水，大大降低了兩相流的氣流滲透率，流動(dòng)阻力增加，降低了抽采鉆孔的抽采流量。

統(tǒng)計(jì)了平慶煤礦117801工作面、117802工作面和117803 工作面回風(fēng)巷下向順層抽采鉆孔抽采純量。分析結(jié)果顯示，下向鉆孔積水后抽采純量降幅達(dá)到了17.07%～77.78%。

(2)抽采負(fù)壓降低。從煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)性和下向鉆孔的附加壓力損失角度分析，下向鉆孔積水將導(dǎo)致抽采負(fù)壓遞減加劇。分析平慶煤礦117801工作面、117802工作面和117803工作面回風(fēng)巷下向順層抽采鉆孔的抽采負(fù)壓降低率與積水量的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，積水量越大，抽采負(fù)壓降低率越大。隨著水量不斷增多，鉆孔內(nèi)耗增加，抽采負(fù)壓變小。分析結(jié)果顯示，下向鉆孔積水后抽采負(fù)壓降幅達(dá)到了20%～76.47%。

當(dāng)下向鉆孔抽采負(fù)壓上升至積水自重時(shí)，抽采鉆孔因?yàn)楸凰投Ｖ钩椴?，雖然抽采鉆孔周圍瓦斯有較高的壓力向孔內(nèi)運(yùn)移，但抽采鉆孔控制范圍的瓦斯量已被水封存，依靠瓦斯壓力和抽采負(fù)壓已不能抽采，這種情況通常稱為“水淹”，瓦斯的抽采率被大大地降低。

(3)積水引起放水量加劇。下向抽采鉆孔孔底積水，導(dǎo)致抽采鉆孔抽采純量和抽采負(fù)壓均發(fā)生不同程度的降低，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平慶煤礦117801工作面、117802工作面和117803工作面回風(fēng)巷下向順層抽采鉆孔的抽采純量降低率、抽采負(fù)壓降低率與積水量的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，隨著抽采純量和抽采負(fù)壓的降低率的增加，當(dāng)放水量小于100 L時(shí)，抽采純量降低率、抽采負(fù)壓降低率均小于30%；當(dāng)放水量大于100 L且小于400 L 時(shí)，抽采純量降低率、抽采負(fù)壓降低率均小于30%～60%；當(dāng)放水量大于400 L時(shí)，抽采純量降低率、抽采負(fù)壓降低率均大于60%(表1，圖2)。

表1 積水診斷方法Tab.1 Diagnostic methods of hydroponding

圖2 抽采鉆孔積水前后抽采參數(shù)及放水量對(duì)比Fig.2 Comparison of extraction parameters and water discharge before and after drilling water extraction

3 積水診斷方法

根據(jù)下向抽采鉆孔的條件，綜合應(yīng)用抽采純量(濃度)、抽采負(fù)壓、放水量等方法對(duì)下向抽采鉆孔進(jìn)行積水判斷，并建立積水判斷標(biāo)準(zhǔn)，分別為輕微積水、中等積水和嚴(yán)重積水，從而提前預(yù)測(cè)下向抽采鉆孔積水狀態(tài)，為及時(shí)采取有效的排水措施奠定基礎(chǔ)。

4 積水量計(jì)算方法

(1)積水量計(jì)算方法。根據(jù)上節(jié)的積水診斷方法，判斷下向抽采鉆孔孔底積水后，根據(jù)清水情況，采取不同的措施。當(dāng)輕微積水時(shí)，綜合考慮鉆孔軌跡偏斜和積水量影響較小，積水量按照100 L計(jì)算。當(dāng)中等積水和嚴(yán)重積水時(shí)，根據(jù)鉆孔直徑、鉆孔孔長(zhǎng)計(jì)算計(jì)算出鉆孔空間體積，采用YHJ-200J礦用本安型激光測(cè)距儀測(cè)量孔口至積水界面的距離，鉆孔積水量按照式(1)計(jì)算。

T=π×(L-l)×(d/2)2×ρ

(1)

式中，T為鉆孔積水量；L為鉆孔總長(zhǎng)度；l為鉆孔無(wú)水段長(zhǎng)度；d為鉆孔直徑；ρ為鉆孔積水密度。

(2)使用儀器。①YZC5便攜式瓦斯抽放管道綜合參數(shù)測(cè)定儀，主要用來(lái)測(cè)試下向抽采鉆孔積水前后抽采純量和抽采負(fù)壓的變化。②YHJ-200J 礦用本安型激光測(cè)距儀，主要用來(lái)測(cè)試鉆孔孔口至鉆孔積水液面的距離。

5 現(xiàn)場(chǎng)積水量計(jì)算

平慶煤礦117804工作面回風(fēng)巷26號(hào)和178號(hào)下向順層預(yù)抽鉆孔的抽采純量(濃度)、抽采負(fù)壓、放水量在積水前后發(fā)生了明顯的變化。26號(hào)鉆孔抽采純量降低67.44%，抽采負(fù)壓降低63.64%，放水量為410 L，判斷為嚴(yán)重積水。178號(hào)鉆孔抽采純量降低37.14%，抽采負(fù)壓降低31.25%，放水量為280 L，判斷為中等積水(表2)。

表2 抽采鉆孔積水前后對(duì)比Tab.2 Comparison of borehole water extraction before and after

在判斷117804工作面回風(fēng)巷26號(hào)和178號(hào)分別屬于嚴(yán)重積水和中等積水后，停止抽采鉆孔抽采，采用YHJ-200J礦用本安型激光測(cè)距儀測(cè)量孔口至積水界面的距離。26號(hào)鉆孔長(zhǎng)110 m，孔徑94 mm，無(wú)水段長(zhǎng)23 m，鉆孔積水量為603 454.6 g；178號(hào)鉆孔長(zhǎng)105 m，孔徑94 mm，無(wú)水段長(zhǎng)43 m，鉆孔積水量為430 048.1 g。

6 結(jié)論

本文分析了下向抽采鉆孔積水原因，綜合應(yīng)用抽采純量(濃度)、抽采負(fù)壓、放水量等方法對(duì)下向抽采鉆孔進(jìn)行積水判斷，并建立積水判斷標(biāo)準(zhǔn)，分別為輕微積水、中等積水和嚴(yán)重積水，并建立了積水量計(jì)算方法。