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)雜的動力現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為在極短時間內(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性的煤層,瓦斯含量過大和瓦斯初始釋放時發(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,往往會出現(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)計合理的封孔深度對瓦斯抽采及采煤工作安全進行起著至關(guān)重要的作用.

近年來,不少學(xué)者對順層鉆孔瓦斯抽采時合理封孔深度進行了研究.程歡等[10]通過理論分析與現(xiàn)場試驗的方式,運用穩(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時可實現(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,但是上述方法均為典型的點方法,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)系進行探討,后續(xù)以河南薛湖煤礦2306運輸巷為試驗對象,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個分布[14],分別是鉆頭附近涌出的瓦斯流量、鉆進過程中鉆孔孔壁涌出的瓦斯流量以及鉆進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二者會相互轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致鉆孔瓦斯涌出是一個很復(fù)雜的過程.為了簡化研究,同時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.

鉆進過程中,鉆頭附近首先形成瓦斯流動的通道,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)進行拉氏變換并將初始條件、邊界條件及達西定律代入,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間、瓦斯壓力梯度及鉆孔半徑相關(guān),受時間影響較大,隨著涌出時間持續(xù)增加而逐漸趨于一個定值.

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

(3)

對式(3)進行拉氏變換,并將初始條件與邊界條件代入,再進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),與鉆孔半徑負相關(guān).

隨著鉆孔的鉆進,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),鉆進過程中煤屑直徑保持不變,在鉆進時符合質(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)定流動時的瓦斯壓力;F0為時間準(zhǔn)數(shù).

根據(jù)達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、鉆進深度、鉆進時間、煤體的物理性質(zhì)以及瓦斯壓力梯度有關(guān).當(dāng)煤層及鉆進方式確定時,影響鉆孔瓦斯流量的前5個因素往往是確定的,這時影響鉆孔瓦斯流量的主要因素為瓦斯壓力梯度.基于此,本文運用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件進行數(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時的上覆壓力,含水率為5.6%,鉆進時間為3 min,鉆進深度為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,隨著鉆進過程的進行,初始瓦斯涌出量迅速增加.在整個鉆進過程中,初始瓦斯涌出率隨鉆進深度的增加而減小.此外,對于特定的鉆進時間,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行積分計算,同時為減小誤差,對各個瓦斯壓力梯度下流量積分取平均值,并對所求平均值進行線性擬合,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到最大值.

3 封孔深度確定

為進一步確定合理的封孔深度,本文選用現(xiàn)場試驗的方法進行驗證.試驗地點為薛湖煤礦2306運輸巷,屬于薛湖煤礦二號煤層,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)泥巖或細粒砂巖構(gòu)成,底板由細粒砂巖和砂質(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)試驗條件.

基于數(shù)值模擬分析結(jié)果,本文運用線性突出預(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),鉆機打鉆是一個動態(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,實時監(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;15.煤電鉆;16.位移傳感器.

試驗過程中,首先在預(yù)定位置施工一個直徑為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,同時運行數(shù)據(jù)接收程序;然后再改用直徑為42 mm的鉆桿持續(xù)鉆進至2306運輸巷采空區(qū)邊緣煤層15 m處;最后停止數(shù)據(jù)接收程序,運行數(shù)據(jù)處理程序.該試驗過程共布置5個鉆孔,孔間距為50 m,其中1#與2#鉆孔由線性突出預(yù)測裝置進行鉆進,同時實時測定鉆孔初始瓦斯流量;3#，4#，5#鉆孔由普通鉆機鉆進,鉆進深度與1#和2#鉆孔保持一致.后續(xù)對各個鉆孔進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.因為巷道卸壓煤體被破碎,導(dǎo)致地應(yīng)力轉(zhuǎn)移.地應(yīng)力較高時,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)的方法易造成試驗誤差,導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn),上述試驗裝置配備了高-低速流量傳感器,可避免相應(yīng)的誤差.運用該試驗裝置連續(xù)測定薛湖煤礦2306運輸巷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)域煤體瓦斯梯度達到最大值的分析結(jié)果相吻合,圖5所示峰值所處區(qū)域為卸壓帶與應(yīng)力集中帶的交界區(qū)域.

圖5 鉆孔瓦斯流量與鉆進深度的變化趨勢

試驗過程中,由于1#鉆孔打鉆過程中鉆進速度過快,瓦斯流量信號不能及時傳到信號接收器,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#鉆孔由于鉆進速度產(chǎn)生誤差,2#鉆孔在打鉆時放緩鉆進速度,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運輸巷的卸壓帶寬度為9～10 m.

為進一步驗證所測卸壓帶寬度的準(zhǔn)確性,同時檢驗不同封孔深度下的瓦斯抽采效果.后續(xù)繼續(xù)施加3個鉆孔,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,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,抽采瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)為53.68 %,是封孔深度為8 m時的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時可實現(xiàn)瓦斯的持續(xù)性抽采.當(dāng)封孔深度為8 m時,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,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,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、鉆進深度、鉆進時間、煤體的物理性質(zhì)以及瓦斯壓力梯度密切相關(guān),且當(dāng)鉆進方式與煤層確定時,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,鉆孔初始瓦斯流量隨著鉆進深度的增加而增加;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時可實現(xiàn)瓦斯的持續(xù)性抽采,驗證了連續(xù)流量法所測得的卸壓帶寬度的準(zhǔn)確性.