陳 鵬,彭是陽,陳西華,高圓圓

(1. 華北科技學院 安全工程學院,北京 東燕郊 065201;2. 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地,河南 焦作 454000;3. 中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院,北京 100083;4. 貴州豫能投資有限公司,貴州 貴陽 550000;5. 永貴能源開發(fā)有限責任公司新田煤礦,貴州 畢節(jié) 551799)

0 引言

我國是煤炭生產(chǎn)大國,高強度的開采和復雜的開采條件使得我國煤炭行業(yè)一直是安全生產(chǎn)重點領(lǐng)域,而瓦斯事故最為嚴重。在我國煤礦事故中,瓦斯事故發(fā)生次數(shù)占所有事故總次數(shù)的40%以上[1]。瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害的根本措施。早在20世紀50年代開始,瓦斯抽采就被作為治理高瓦斯礦井和突出礦井瓦斯災害事故的重要措施之一?！斗乐蚊号c瓦斯突出細則》中已經(jīng)明確了瓦斯防突工作必須先采取區(qū)域防突措施,后采取局部防突措施作為補充,二者共同治理瓦斯的原則,達到“先抽后掘、先抽后建、先抽后采、預抽達標”的四個要求。突出煤層必須采取兩個“四位一體”的綜合防突措施,做到多措并舉、可保必保、應抽盡抽、效果達標。區(qū)域防突措施分為開采上下保護層以及預抽煤層瓦斯兩類,具備開采條件的突出危險區(qū),必須開采保護層。對于無法開采保護層的礦井,預抽煤層瓦斯是必須采取的防突措施[2-5]。

目前煤層瓦斯抽采鉆孔的布置方式一共有兩種,包括穿層鉆孔抽采和順層鉆孔抽采[6]。但都存在一些問題,例如抽采效果不盡如人意,抽采流量小,抽采濃度達不到使用標準,防治瓦斯突出效果一般等。導致抽采效果不好的原因有很多,例如煤層透氣性系數(shù)較低,瓦斯在煤層中運移所受阻力大,難以從煤層中進入抽采鉆孔[7];抽采鉆孔的封孔質(zhì)量差,鉆孔與外界環(huán)境形成短路或者煤層中存在抽采盲區(qū);鉆孔施工質(zhì)量不高,鉆孔沒有沖孔導致孔內(nèi)有大量煤屑、鉆孔施工長度不到位、鉆孔在施工過程中發(fā)生位移、抽采負壓不合適,礦井瓦斯抽采系統(tǒng)無法提供抽采所需要的負壓或者盲目增大抽采負壓形成短路[8]。其中抽采負壓是直接影響抽采效果的重要因素,孔口抽采負壓不會全部傳遞到鉆孔底部,而是隨著鉆孔長度增加逐漸減少,孔壁摩擦阻力以及其他阻力造成了這一現(xiàn)象的發(fā)生。抽采負壓對抽采效果有重要影響,壓力損失不容忽視。因此,掌握抽采負壓沿孔長的變化規(guī)律,分析影響抽采負壓的因素有助于指導順層瓦斯抽采鉆孔的設(shè)計,有關(guān)參數(shù)的確定以及技術(shù)應用。在煤礦現(xiàn)有的技術(shù)條件下,改進相關(guān)抽采工藝參數(shù),為提升礦井抽采效果,提高抽采質(zhì)量提供參考。

郭鑫[9]使用數(shù)值模擬軟件得出持續(xù)增加抽采負壓對于瓦斯抽采效果并不能起到增強作用,對抽采鉆孔周圍的瓦斯壓力不會產(chǎn)生明顯的擾動,而負壓值過大的話會在鉆孔密封段形成漏風區(qū)域進而降低瓦斯抽采的效率。而在現(xiàn)實實驗中顯示一定的負壓條件下,抽采的瓦斯?jié)舛群土髁枯^高,增大負壓會短時間提高抽采濃度和流量但隨著時間推移而降低。王凱[10,11]基于流體力學、流量守恒方程加以邊界條件,通過解微分方程得到鉆孔內(nèi)負壓分布計算方式,得出鉆孔內(nèi)瓦斯氣體流量越大、鉆孔長度越長、孔徑越小則抽采負壓損失的就越大,反之亦然。張學博[12]搭建實驗平臺,模擬現(xiàn)場條件發(fā)現(xiàn)抽采負壓沿孔長呈線性分布,孔內(nèi)負壓損失較小,鉆孔內(nèi)不同位置的抽采負壓較為接近,抽采流量亦與孔長呈線性分布,且孔口抽采負壓越大,鉆孔內(nèi)負壓損失就越大,但孔底負壓與孔口負壓相差仍然較小。國外學者[13-15]研究了抽采負壓在抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌的影響下,在鉆孔內(nèi)的分布情況。徐超[16-17]等研究表明在鉆孔完整不變形的前提下,鉆孔內(nèi)抽采負壓損失很小,而孔口附近塌孔相對于孔底塌孔對抽采效果的影響較大,而鉆孔堵孔的影響更為嚴重,鉆孔失穩(wěn)坍塌對抽采負壓分布影響明顯。焦榮坤[18]使用現(xiàn)場條件作為模擬物理參數(shù),模擬表明孔內(nèi)抽采壓力隨著與孔口的距離的增加而逐漸減小,但整體的負壓損失量較小,孔內(nèi)抽采壓力損失隨著時間的延長也逐漸減小。

上述學者對抽采負壓、抽采時間以及封孔長度等對于抽采效果影響做出定性分析,為提高瓦斯抽采效果提供方向,但對于抽采負壓在孔內(nèi)具體的變化規(guī)律并沒有太多研究,沒有研究抽采鉆孔本身參數(shù)對抽采效果的影響,多數(shù)實驗難以真正模擬真實情況或者只進行數(shù)值模擬,沒有對現(xiàn)場實際情況去進行驗證,沒有確定的模型去指導實踐?，F(xiàn)場試驗工作量較小,沒有大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)以避免少量數(shù)據(jù)的特殊性。

本文以貴州新田煤礦現(xiàn)有抽采條件為基礎(chǔ),研究瓦斯抽采孔內(nèi)負壓的變化規(guī)律,利用COMSOL仿真軟件模擬不同條件下瓦斯抽采效果并進行現(xiàn)場測試驗證,提出改進意見,優(yōu)化抽采工藝,提升抽采效果。

1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場情況建立幾何模型,鉆孔長度120m,封孔段沒有瓦斯流入鉆孔,鉆孔在煤層中鉆進時沒有發(fā)生偏移,原始煤層瓦斯壓力0.9MPa,溫度為293K。模型邊界設(shè)置為無流量流動邊界。模擬所用的參數(shù)匯總見表1。

表1 煤層參數(shù)表

1.1 孔口負壓對抽采負壓分布規(guī)律的影響

(1) 為了與現(xiàn)場試驗相結(jié)合,設(shè)置孔口負壓為17.2kPa,封孔長度16m,鉆孔直徑113mm條件下,模擬抽采時間為10d、30d的抽采效果圖,如圖1所示。

圖1 孔口負壓為17.2kPa,不同抽采時間瓦斯壓力云圖、瓦斯壓力等值線圖

(2) 設(shè)置孔口負壓為28.4kPa,封孔長度16m,鉆孔直徑113mm條件下,模擬抽采時間為10d、30d的抽采效果圖,如圖2所示。

圖2 孔口負壓為28.4kPa,不同抽采時間瓦斯壓力云圖、瓦斯壓力等值線圖

由圖1、圖2的模擬結(jié)果中可知:

① 在抽采天數(shù)相同時,孔口負壓越大,在煤體中的影響范圍就越大;

② 隨著抽采時間的增長,負壓在煤體中的影響范圍會變大,說明其具有時效性。但范圍不會一直增大,增大到一定值時,即使增大孔口負壓,影響范圍不會出現(xiàn)較大變化,趨于穩(wěn)定;

③ 在鉆孔的封孔處以及孔底處,瓦斯壓力等值線呈現(xiàn)“U”型分布,說明在這兩處的瓦斯抽采效果不好,表現(xiàn)出明顯的不均衡性。

1.2 鉆孔直徑對抽采負壓分布規(guī)律的影響

(1) 設(shè)置孔口負壓為28.4kPa,封孔長度16m,鉆孔直徑94mm條件下,模擬抽采時間為10d、30d的抽采效果圖,如圖3所示。

圖3 鉆孔直徑為94mm,不同抽采時間瓦斯壓力云圖、瓦斯壓力等值線圖

(2) 設(shè)置孔口負壓為28.4kPa,封孔長度16m,鉆孔直徑113mm條件下,模擬抽采時間為10d、30d的抽采效果圖,如圖4所示。

圖4 鉆孔直徑為113mm,不同抽采時間瓦斯壓力云圖、瓦斯壓力等值線圖

由圖3、圖4的模擬結(jié)果可知:

① 抽采影響范圍會隨著時間的增加而增大,直至到某個邊界,增大抽采鉆孔直徑對抽采范圍的影響不會有較大的改變。

② 增大鉆孔的抽采直徑對抽采效果的影響較小,但增大直徑確實會加強抽采效果。

1.3 封孔長度對抽采負壓分布規(guī)律的影響

(1) 設(shè)置孔口負壓為28.4kPa,封孔長度10m,鉆孔直徑113mm條件下,模擬抽采時間為10d、30d的抽采效果圖,如圖5所示。

圖5 封孔長度為10m,不同抽采時間瓦斯壓力云圖、瓦斯壓力等值線圖

(2) 設(shè)置孔口負壓為28.4kPa,封孔長度22m,鉆孔直徑113mm條件下,模擬抽采時間為10d、30d的抽采效果圖,如圖6所示。

圖6 封孔長度為22m,不同抽采時間瓦斯壓力云圖、瓦斯壓力等值線圖

由圖5、圖6的模擬結(jié)果可知:

① 抽采影響范圍會隨著時間的增加而增大,增大鉆孔的封孔長度可以使得抽采負壓在鉆孔中傳遞的距離更遠,從而影響更深處的抽采效果。

② 封孔長度不僅會影響抽采效果,還與抽采是否有漏氣以及抽采盲區(qū)存在關(guān)聯(lián),由圖可知,如果封孔長度過短,鉆孔會與外界連通,導致鉆孔短路,產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。封孔長度過長,則對封孔段煤體中的瓦斯難以抽采,在封孔段抽采不均衡的前提下,封孔段的瓦斯抽采難以達標。

本節(jié)構(gòu)建物理模型,對不同條件下抽采負壓的分布規(guī)律利用COMSOL數(shù)值模擬軟件進行模擬,發(fā)現(xiàn)抽采效果具有時效性,即抽采時間對抽采效果的影響很大,抽采影響范圍會隨著抽采時間的延長而擴大,直至不變。封孔長度對抽采效果的影響較大,封孔長度可以影響抽采負壓在鉆孔中傳遞的距離,封孔長度越長,負壓傳遞越遠,而封孔長度過短則可能導致鉆孔發(fā)生漏氣、短路,影響抽采的效果。因此,可以通過現(xiàn)場實際改變孔口初始負壓、鉆孔直徑、封孔深度和抽采時間來確定合理的瓦斯抽采參數(shù)。

2 試驗測試結(jié)果分析

前一節(jié)對抽采負壓分布規(guī)律進行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)改變抽采參數(shù)對抽采負壓及抽采效果的影響較大。本節(jié)以現(xiàn)場試驗為主,對孔內(nèi)負壓分布影響因素進一步分析研究,得出基于新田煤礦的抽采效果達標評判體系,增強該煤礦的瓦斯抽采效果,最終達到合理治理瓦斯的目的。

2.1 不同孔口負壓抽采鉆孔負壓沿孔長變化現(xiàn)場測試結(jié)果分析

在鉆孔長度120m、抽采鉆孔直徑為113mm、封孔長度16m前提下,利用抽采負壓連續(xù)測定裝置,通過改變孔口負壓的大小,對抽采鉆孔不同孔深位置負壓進行測試,結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同孔口負壓鉆孔內(nèi)負壓變化圖

從圖7中可以看出:

(1) 改變孔口抽采負壓的大小后,鉆孔內(nèi)負壓變化趨勢并未發(fā)生較大變化,由圖7可知,不同孔口負壓的變化曲線基本保持平行,負壓逐漸降低,到一定程度后保持不變。

(2) 對每個鉆孔單獨分析,每個鉆孔的抽采負壓都與測試距離呈負相關(guān)關(guān)系,即鉆孔長度越大,對應位置處的負壓越小。

(3) 抽采負壓在鉆孔的0～45m范圍變化較小,而在45～100m區(qū)域內(nèi)負壓值變化的速度增加。分析認為,瓦斯流動所受到的沿程摩擦阻力損失隨著鉆孔長度的增加而增大,而沿程摩擦阻力損失是造成負壓損失主要原因;同時,鉆孔施工完畢后,在應力的作用下,鉆孔可能出現(xiàn)了較大的變形,有碎煤落入鉆孔中,甚至出現(xiàn)塌孔的情況,這是部分曲線負壓損失突然增大的原因,例如孔口負壓為21.2kPa時,在鉆孔70～80m處的負壓損失較大,推測應是此處鉆孔內(nèi)發(fā)生了變形,導致局部損失加大。

(4) 孔口負壓逐漸升高時,孔底的負壓會隨之升高,但負壓的損失量并沒有完全隨之升高。當孔口負壓達到28.4kPa,此時負壓的損失量達到最小值為26.0%。其他孔口負壓所對應的負壓損失量都大于這個值。

2.2 不同鉆孔直徑抽采鉆孔負壓變化現(xiàn)場測試結(jié)果分析

基于礦方現(xiàn)有條件及技術(shù),通過瓦斯抽采負壓定點連續(xù)測定法不同條件下鉆孔內(nèi)的負壓進行測試。設(shè)計抽采鉆孔參數(shù),提出限定條件。在2.1節(jié)分析中可知28.4kPa是最合適的抽采負壓,則將孔口負壓定為28.4kPa。鉆孔的封孔長度為16m,抽采鉆孔的鉆孔長度120m。在確定了孔口負壓以及封孔長度達到前提下,通過改變抽采鉆孔的直徑,測試抽采鉆孔孔內(nèi)不同距離的負壓值,結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同鉆孔直徑抽采鉆孔內(nèi)沿程負壓變化圖

從圖8中可以看出:

(1) 分析單個鉆孔,保持抽采鉆孔直徑不變,抽采負壓隨著測試長度的增加而減少,變化趨勢與2.1節(jié)中負壓變化趨勢相同,即孔口負壓不變條件下,抽采負壓會隨著測試距離的增加而減小。

(2) 當鉆孔直徑75mm增長到120mm時,抽采負壓的損失量分別為8.4kPa、7.6kPa、7.4kPa、7.0kPa、6.3kPa;與孔口負壓相比,負壓損失為22.2%～29.6%,這表明負壓損失量隨著鉆孔直徑的增大而減小。

雖然鉆孔直徑增大意味著更好的抽采效果,但是限于鉆機以及實際生產(chǎn)需求,抽采鉆孔不能直接選取最大直徑。當抽采鉆孔直徑增大到一定值后,可能會引發(fā)鉆孔噴孔,鉆孔更容易塑性變形,引發(fā)塌孔,極大影響抽采效果。因此,為了保證抽采安全、有效,鉆孔直徑選取103～113mm較為合適。

2.3 不同封孔深度抽采鉆孔負壓沿孔長變化現(xiàn)場測試結(jié)果分析

為了研究抽采負壓變化與鉆孔封孔之間的關(guān)系,對不同封孔長度鉆孔內(nèi)的負壓進行測試,此次封孔采用兩堵一注的封孔方式,注漿使用水泥漿,封堵材料使用聚氨酯材料。設(shè)計抽采鉆孔直徑為113mm,孔口負壓為28.4kPa,鉆孔長度為120m。在封孔深度不同的條件下,測試孔內(nèi)多個距離處的負壓值,結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同封孔深度抽采鉆孔內(nèi)沿程負壓變化圖

從圖9中可以看出:

(1) 在保證孔口負壓以及鉆孔直徑不變的情況下,抽采負壓會隨著鉆孔封孔長度的增加而減小,與負壓損失量的變化趨勢相同,都呈現(xiàn)降低的趨勢。

(2) 當封孔深度從10m增長為22m時,負壓損失量分別為11.1kPa、9.9kPa、8.9kPa、8.3kPa、7.7kPa、4.5kPa,負壓損失比率為15.8%～39.1%。整體來說負壓的損失并不大,封孔長度為10m時,負壓的損失量最大。

2.4 不同抽采時間抽采鉆孔負壓沿孔長變化現(xiàn)場測試結(jié)果分析

對抽采鉆孔優(yōu)化之后,利用新的負壓測試裝置測試鉆孔內(nèi)不同位置處的抽采負壓與抽采時間的關(guān)系。設(shè)計抽采鉆孔參數(shù)為:抽采鉆孔長度為120m、孔口負壓28.4kPa,鉆孔直徑113mm,封孔長度16m。改變抽采的時間,測試鉆孔孔內(nèi)負壓值,結(jié)果如圖10所示。

圖10 抽采鉆孔內(nèi)負壓隨鉆孔深度變化圖

從圖10中可以看出:

(1) 鉆孔內(nèi)抽采負壓在隨著抽采時間變化的情況下,其變化趨勢與改變空空負壓、鉆孔直徑以及封孔深度的趨勢相同,都是逐漸減低。

(2) 抽采鉆孔在1d、10d、15d、20d、25d、30d的負壓損失量分別為8.4kPa、6.4kPa、6.1kPa、5.6kPa、5.2kPa、5.1kPa,與各自的孔口負壓相比,負壓損失率為25.6%～29.6%。

2.5 抽采效果優(yōu)化分析

通過以上幾節(jié)的分析,新田煤礦1902運輸順槽的抽采鉆孔參數(shù)以及抽采工藝可以設(shè)計為:鉆孔長度120m,鉆孔直徑113mm,封孔深度16～18m,孔口負壓28.4kPa,瓦斯抽采時間應大于30d時可達到最佳的抽采效果。重新制定抽采方案,取封孔深度18m,此條件下鉆孔內(nèi)的負壓數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 抽采工藝優(yōu)化后負壓沿程變化

由圖11可看出,在抽采工藝優(yōu)化過后,負壓損失量較小,擬合系數(shù)R2達到0.97179,相關(guān)性較高。

未改變鉆孔參數(shù)以及抽采工藝之前所測的瓦斯流量與濃度數(shù)據(jù),與改進之后的測試結(jié)果分別進行繪圖比對分析,如圖12和圖13所示。

圖12 改進前后瓦斯流量隨抽采時間變化對比曲線圖

由圖13可以看出,在抽采工藝優(yōu)化前后,瓦斯的抽采流量以及濃度都會隨著抽采時間的增加而逐漸減低,因測試時間較短,無法將之后的變化趨勢完全體現(xiàn)出來。但是可以看出改進后瓦斯流量與濃度較改進之前有了很大的提升,瓦斯流量較改進前增加了19%,瓦斯?jié)舛容^改進前增加了15%,說明此次鉆孔參數(shù)以及抽采工藝的改變是有效果的。

3 結(jié)論

(1) 利用COMSOL軟件對不同條件下的抽采鉆孔進行模擬,分析得出抽采效果具有時效性,抽采影響范圍會隨著抽采時間的延長而擴大,直至擴大到一定距離,并且封孔深度對抽采效果的影響較大。

(2) 無論改變何種條件,抽采負壓在鉆孔內(nèi)都是逐漸減低的變化趨勢;對不同孔口負壓的數(shù)據(jù)進行分析計算,當孔口負壓為28.4kPa時,鉆孔孔底與孔口之間的負壓損失量最小;在改變鉆孔直徑條件下,抽采負壓隨著鉆孔直徑的增大而減低。選取113mm最為合適;封孔深度對負壓的分布也會有影響,鉆孔封孔深度在10～16m、18～22m段時,負壓衰減速度變化很快;抽采負壓隨著抽采時間的延長呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,并且隨著時間的增加,負壓的損失量也會逐漸減小。

(3) 基于本次研究結(jié)果,確定合理的抽采參數(shù)為抽采孔徑113mm、孔口負壓28.4kPa、鉆孔長度120m、封孔長度18m且抽采時間大于30d。采用改進之后的鉆孔參數(shù)以及抽采工藝與之前的做對比,改進之后的瓦斯抽采量以及濃度都有較大增長,瓦斯流量較改進前增加了19%,瓦斯?jié)舛容^改進前增加了15%,說明有效的改進抽采鉆孔參數(shù)對煤層抽采效果有顯著的提升,形成基于抽采負壓為基礎(chǔ)的抽采技術(shù)體系。