張國華, 魯 婷, 梁 冰, 韓立鑫

基于水鎖機(jī)理的瓦斯超限防治理論

張國華1,2, 魯 婷1, 梁 冰2, 韓立鑫1

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150027; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

為防治煤礦井下回采工作面瓦斯超限,受石油天然氣開采領(lǐng)域中水鎖損害研究的啟示,提出利用水鎖抑制含瓦斯煤的瓦斯釋放的思想?；谒i機(jī)理,確定了含瓦斯煤中形成水鎖的條件及利用水鎖防治回采工作面瓦斯超限的實(shí)施途徑。結(jié)果表明,該思想具有理論可行性;含瓦斯煤的多裂隙和多孔隙性、近似干燥的環(huán)境,外液,孔隙內(nèi)外之間的壓力差小于毛細(xì)管阻力,分別為水鎖的形成提供了自然條件、物質(zhì)條件和壓力條件;采前“預(yù)抽 +抽后注液”順序作業(yè)、采前“抽放 +注液”平行作業(yè)、采前直接鉆孔注液、落煤過程中噴淋外液四種方式可防治工作面瓦斯超限。該思想的提出,對推動回采工作面瓦斯災(zāi)害的防治研究具有一定的借鑒意義。

水鎖;瓦斯超限;防治;回采工作面;含瓦斯煤

0 引 言

在煤礦生產(chǎn)中,瓦斯超限一直是影響回采工作面安全生產(chǎn)和生產(chǎn)能力正常發(fā)揮的關(guān)鍵因素。目前普遍采用瓦斯抽放的解決方式。然而,受抽放工藝、抽放時間等因素的影響,抽放不徹底致使工作面瓦斯超限的現(xiàn)象仍然存在。即使是低瓦斯礦井,由于通風(fēng)管理不善,也常出現(xiàn)回采工作面瓦斯超限現(xiàn)象。工作面瓦斯超限的根本原因在于瓦斯的涌入量過大,瓦斯釋放速度過快,利用正常通風(fēng)無法及時稀釋和外排,所以,在工作面風(fēng)量一定的條件下,合理的抽放技術(shù)以及有效的抑制瓦斯釋放和延緩?fù)咚贯尫潘俣鹊拇胧?成為防治工作面瓦斯超限的關(guān)鍵。

近年來,隨著研究的深入,瓦斯抽放技術(shù)日趨成熟,并在實(shí)踐中取得了較好效果,但對于如何抑制含瓦斯煤的瓦斯釋放和延緩?fù)咚贯尫潘俣鹊难芯可跎?。基于?筆者受石油天然氣開采領(lǐng)域中水鎖損害研究的啟示,提出了利用水鎖抑制含瓦斯煤的瓦斯釋放和延緩?fù)咚贯尫潘俣?防治工作面瓦斯超限的方法,并對其機(jī)理和實(shí)施途徑進(jìn)行了初步探討,以期為礦井安全生產(chǎn)和防治瓦斯超限提供參考。

1 水鎖機(jī)理

水鎖一詞來源于石油、天然氣開采領(lǐng)域,是指由于外液滲入儲層內(nèi)部孔道而產(chǎn)生毛細(xì)管阻力,如果儲層內(nèi)部的能量不足以克服這一阻力,就會堵塞滲流孔隙通道,使預(yù)采流體相對無外液侵入條件下的儲層滲透率降低,從而導(dǎo)致預(yù)采流體回采率降低的現(xiàn)象[1]。

在石油、天然氣開采領(lǐng)域,水鎖始終作為一種對儲層的損害來加以防治,研究熱點(diǎn)主要集中在其產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、解除技術(shù)三個方面,其中,解除技術(shù)主要包括水力壓裂、預(yù)熱地層、注混相水溶劑、添加表面活性劑、增大生產(chǎn)壓差、酸化處理等[2]?？傮w分析現(xiàn)有水鎖研究,可得到這樣一個啟示:對于氣藏而言,水鎖的存在阻礙了儲層內(nèi)氣體的外滲,不僅降低了氣體的外排量,而且延緩了氣體的外排速度。而對于煤礦井下回采工作面,瓦斯超限正是由于瓦斯氣體從割落煤體中釋放的速度過快造成的,所以利用水鎖來延緩和抑制瓦斯的釋放速度,勢必會對防治工作面瓦斯超限和保證礦井安全生產(chǎn)產(chǎn)生積極作用。

2 水鎖條件

2.1 自然條件

煤是一種雙重多孔介質(zhì),也是一種親水性物質(zhì),其內(nèi)存在大量的裂隙 (割理)和孔隙 (圖 1)[3],這為水鎖的形成提供了基本條件。

圖1 煤層塊體結(jié)構(gòu)Fig.1 Coal block structure

在天然氣勘探與開采界普遍認(rèn)為“有水則無瓦斯”[4],即對于某一煤巖層,若其中含有大量的水,則該煤巖層中不存在瓦斯或瓦斯含量很少。這說明水在煤體表面的吸附能力強(qiáng)于瓦斯氣體,故在競爭煤體表面吸附位時占有絕對優(yōu)勢,從而導(dǎo)致外來水浸入時會在含瓦斯煤表面發(fā)生置換效應(yīng),使吸附態(tài)瓦斯變?yōu)橛坞x態(tài)瓦斯,并在外來水的驅(qū)替作用下外排,于是該煤巖層儲層中不存在瓦斯或存在的瓦斯很少。這也說明,瓦斯含量比較大的煤層內(nèi)含水量很少,近似處于干燥狀態(tài),這為利用外來液注入形成水鎖提供了條件。

對于外來水作用下的驅(qū)替作用,一些學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究[5],并認(rèn)為:對于煤這種雙重多孔介質(zhì),在外來水的驅(qū)動下瓦斯會沿著裂隙網(wǎng)絡(luò)形成滲流,而位于孔隙內(nèi)的瓦斯氣體分子,則由于毛細(xì)管自吸作用,在孔隙壓力增加的條件下,沿著孔隙另一端進(jìn)入裂隙網(wǎng)絡(luò),從而形成吸滲。因此,不難推斷,對于孔隙中的瓦斯氣體,若孔隙兩端均有外來水存在,必會產(chǎn)生毛細(xì)管自吸作用,假如此時孔隙內(nèi)外之間的壓力差不足以克服毛細(xì)管阻力,吸滲勢必會停止,于是便形成瓦斯?jié)B流與擴(kuò)散的“閉鎖”,即形成水鎖。

由此可見,含瓦斯煤自身多孔隙和多裂隙的結(jié)構(gòu)條件,以及近似干燥的環(huán)境條件,均為外來液浸入形成水鎖提供了自然條件。

2.2 壓力條件

瓦斯通常以游離、吸附、吸收三種狀態(tài)存在于煤層中。其中,游離態(tài)的瓦斯主要存在于裂隙和大孔隙中,隨著外液浸入,會在壓力差的驅(qū)動作用下瞬間形成滲流,而其他孔隙中的瓦斯則必須在吸滲作用下,先由孔隙運(yùn)移到裂隙后方可形成滲流。若保證形成吸滲,則必須要求孔隙內(nèi)外之間的壓力差足以克服外液在毛細(xì)管中形成的毛細(xì)管阻力。依據(jù) Poisetille公式,在驅(qū)動壓差作用下,從毛細(xì)管中克服毛細(xì)管阻力所排出的外液流量為[6-7]

式中:qV——排出的流體流量;

r——毛細(xì)管半徑;

Δp——孔隙內(nèi)外之間的壓力差;

pm——毛細(xì)管阻力,pm=2σ·cosθ/r;

σ——液體的表面張力;

θ——液體在煤表面的浸潤角;

μ——流體的黏度; l——液柱的長度。

將pm代入式(1),得

由式(1)、(2)可以看出,若保證孔隙內(nèi)的瓦斯外滲,則必須先消除毛細(xì)管阻力的影響,此時孔隙內(nèi)外之間的壓力差Δp必須滿足

否則,若Δp≤2σ·cosθ/r,則會形成水鎖。于是得到水鎖形成的壓力條件,即

由式(3)可知,外來浸入液的表面張力越大,孔隙半徑越小,則越容易形成水鎖。同時由式(1)也可以看出,外來浸入液的黏度越大,突破水鎖效應(yīng)的難度也越大。

綜合以上分析,可得含瓦斯煤體產(chǎn)生水鎖的三個必備條件,即:

(1)自然條件。主要包括含瓦斯煤體自身所具有的多孔隙、多裂隙性,以及所處的近似干燥的環(huán)境。

(2)物質(zhì)條件。水鎖的形成必須依托于外液的浸入,外液是形成水鎖的物質(zhì)條件。

(3)壓力條件。毛細(xì)管阻力是形成水鎖的力源,只有在孔隙內(nèi)外之間的壓力差不足以克服外液在孔隙內(nèi)所形成的毛細(xì)管阻力的條件下,才能有水鎖的存在。

在這三個條件中,后兩者具有人為可控性。

3 瓦斯超限防治途徑

在工作面配風(fēng)量一定的條件下,防治含瓦斯煤工作面瓦斯超限一般從三方面入手:一是減少單位時間內(nèi)的落煤量;二是減少原始煤體中的瓦斯含量;三是抑制含瓦斯煤的瓦斯釋放量和瓦斯釋放速度。減少單位時間內(nèi)的落煤量不利于保證工作面的產(chǎn)量,故不宜采用。減少原始煤體中的瓦斯含量則必須依靠采前預(yù)抽,但需有足夠的抽放時間做保障,否則會影響工作面正常生產(chǎn),使抽放與回采在時間上相互制約。文中利用水鎖來抑制含瓦斯煤的瓦斯釋放量和瓦斯釋放速度,可采取兩種途徑:

(1)抽放和水鎖聯(lián)合。利用抽放和水鎖聯(lián)合防治工作面瓦斯超限有兩種方式:一是采前“預(yù)抽 +抽后注液”順序作業(yè)。即通過采前預(yù)抽將煤體內(nèi)的瓦斯壓力降低到某一壓力之后,再利用抽放鉆孔向煤體注入外液形成水鎖。二是采前“抽放 +注液”平行作業(yè)。即注液孔與抽放孔之間間隔布置,注液與抽放平行作業(yè),一方面利用注液的驅(qū)替和吸滲作用促使瓦斯外排;另一方面增加注液孔(正壓)與抽放孔(負(fù)壓)之間的壓力差,促使瓦斯定向流動以便于瓦斯抽放,同時也利用該壓力差促進(jìn)毛細(xì)管對外液的自吸并形成水鎖。

這兩種方式均需通過抽放使煤層內(nèi)的瓦斯壓力降到某一壓力pb以下,才能保證水鎖形成后真正起到抑制含瓦斯煤釋放瓦斯的作用。由于工作面煤壁和切割后破碎的煤塊均暴露在工作面空氣當(dāng)中,所以外圍環(huán)境壓力為工作面空氣壓力p0,則抽放后孔隙內(nèi)的瓦斯壓力pb與周圍環(huán)境之間的壓力差Δp為

將式(4)代入式(3)可得

pb即為抽放后煤體內(nèi)瓦斯壓力。

以上兩種方式比較適合于煤層原始瓦斯含量和瓦斯壓力均比較大的條件。

(2)單一水鎖。若煤層原始瓦斯壓力滿足式(5),可采取以下兩種方式直接形成水鎖:一是采前直接向煤體鉆孔注液;二是在工作面落煤過程中噴淋外液,利用毛細(xì)管自吸作用。對于后一種方式,已有相關(guān)研究并取得了一定效果,但它僅從溫度影響瓦斯解吸的角度進(jìn)行解釋[8],沒有注意到,在噴淋外液的過程中,根據(jù)吸附作用原理[9],外液必然會在塊煤表面對原吸附的瓦斯形成瞬間置換,促進(jìn)其脫附,容易使水鎖形成過程中工作面瓦斯?jié)舛仍诰植繀^(qū)域出現(xiàn)短時間內(nèi)增高的現(xiàn)象。但局部短時的瓦斯?jié)舛仍龈卟蛔阋栽斐晒ぷ髅嫱咚钩蕖?/p>

為促使式(5)條件的形成,可以附加一些提高外液表面張力的措施,如調(diào)整外液的組分、降低環(huán)境溫度等。

4 結(jié) 論

(1)利用水鎖抑制含瓦斯煤的瓦斯釋放防治工作面瓦斯超限具有理論上的可行性。其機(jī)理為,外液在含瓦斯煤的瓦斯運(yùn)移孔隙通道中利用其毛細(xì)管自吸作用形成毛細(xì)管阻力,從而降低瓦斯釋放量,延緩?fù)咚贯尫潘俣取?/p>

(2)含瓦斯煤的多裂隙和多孔隙性、近似干燥的環(huán)境是水鎖形成的自然條件;外液是水鎖形成所依托的物質(zhì)條件;毛細(xì)管阻力是水鎖形成的力源,孔隙內(nèi)外之間的壓力差小于毛細(xì)管阻力是水鎖形成的壓力條件。

(3)利用水鎖防治工作面瓦斯超限,可采用抽放和水鎖聯(lián)合、單一水鎖兩種途徑,以及采取采前“預(yù)抽+抽后注液”順序作業(yè)、采前“抽放 +注液”平行作業(yè)、采前直接鉆孔注液、落煤過程中噴淋外液四種方式。同時,為提高水鎖效果,可通過調(diào)整外液的組分、降低環(huán)境溫度等附加措施來增加外液的表面張力。

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Theory on preventing and controlling gas exceeding l im it based on water lock mechanism

ZHANG Guohua1,2,LU Ting1,L IANG B ing2,HAN L ixin1
(1.College of Safety Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China; 2.College of Resource&Enviroment Engineering,Liaoning TechnicalUniversity,Fuxin 123000,China)

Aimed atpreventing and control gas from exceeding limit in breakage face,thispaperproposes an approach to usingwater lock to restrain gas release in gas-coal,drawing on study of water lock damage in oil and natural gas exploitation field.The paper gives the conditions ofwater lock fo rmation in gas-coal identified depending on the mechanism ofwater lock,and the steps of using water lock to prevent and control gas from exceeding l imit in breakage face.The results show that the approach has theoretical feasibility;the more fractured and porous nature of gas-bearing coal and approximate dry conditions,outside liquid,pressure difference between the inside and outside of void less than capillary resistance,provides natural condition,physical condition and pressure conditions respectively for the formation of water lock;the fourways,such as gas drainage and liquid injection in sequence prior to mine,parallel gas drainage and injection prior to mine,drill and inject liquid prior to mine,spray liquid during coal mining,can prevent and control gas exceeding limit in breakage face.The approach has certain reference significance to promoting the study of gas disaster prevention and control in breakage face.

water lock;gas from exceed limit;prevent and control;breakage face;gas-coal

TD712.54

A

1671-0118(2010)02-0103-04

2010-03-08

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(11513098)

張國華(1971-),男,黑龍江省訥河人,教授,博士,研究方向:礦山安全,E-mail:zgh710828131@163.com。

(編輯荀海鑫)