順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采工藝技術(shù)應(yīng)用研究

喬 偉，王 凱，程 波

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；3.重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶 400040)

煤炭在我國(guó)一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比較高，并且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，其在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將會(huì)占較高的比例[1-3]。而我國(guó)現(xiàn)階段，煤炭開采逐步向西部和深部轉(zhuǎn)移，煤層賦存條件更加復(fù)雜多變，煤與瓦斯突出災(zāi)害更加嚴(yán)重[4-6]。瓦斯抽采是煤礦瓦斯災(zāi)害防治的重要舉措[7-8]。本煤層順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)已被廣泛應(yīng)用且已較為成熟[9]。隨著鉆進(jìn)工藝技術(shù)水平的提高，順層鉆孔施工長(zhǎng)度和成孔率大幅提高，特別是大型定向千米鉆機(jī)成套裝備的引進(jìn)及成功研發(fā)，為順層長(zhǎng)距離鉆孔瓦斯抽采工藝技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了支撐。

順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采工藝技術(shù)與普通鉆孔相比，其通過(guò)定向、羽狀分支等工藝控制的區(qū)域更為廣泛。對(duì)于煤與瓦斯突出煤層可實(shí)現(xiàn)大面積消突，減少鉆孔施工及遷移次數(shù)，有效提高掘進(jìn)、回采效率，對(duì)緩解高瓦斯區(qū)域抽、掘、采銜接緊張亦有明顯優(yōu)勢(shì)[10-12]。

順層長(zhǎng)鉆孔與普通抽采鉆孔相比有諸多優(yōu)勢(shì)，但順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采的機(jī)制及鉆孔布置尚有待進(jìn)一步研究完善。目前國(guó)內(nèi)鉆孔抽采瓦斯理論成果主要針對(duì)普通短鉆孔抽采，技術(shù)理論主要建立在鉆孔內(nèi)瓦斯氣體均勻分布的基礎(chǔ)上，而在抽采鉆孔內(nèi)瓦斯在運(yùn)移過(guò)程中受黏性力學(xué)因素的影響研究尚屬空白。鑒于此，對(duì)順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采作用機(jī)制進(jìn)行分析，研究順層長(zhǎng)鉆孔孔壁黏性阻力、壓損沿孔長(zhǎng)方向分布規(guī)律，構(gòu)建考慮鉆孔負(fù)壓分布的順層長(zhǎng)鉆孔煤層瓦斯流—固耦合模型，進(jìn)一步分析影響瓦斯抽采效果的主控因素，旨在為順層長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯工藝技術(shù)推廣應(yīng)用提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

1 順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采理論分析

順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采過(guò)程中，瓦斯流動(dòng)分3個(gè)階段：一是吸附于煤基質(zhì)的瓦斯逐漸解吸為游離態(tài)瓦斯；二是原始游離瓦斯與煤層解吸的游離瓦斯在煤多孔介質(zhì)中滲流運(yùn)移；三是孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)。

3個(gè)階段瓦斯流動(dòng)的動(dòng)力源均是壓差，抽采負(fù)壓系統(tǒng)使得區(qū)域煤體形成一個(gè)負(fù)壓腔，產(chǎn)生壓力梯度，隨著鉆孔周圍煤體瓦斯運(yùn)移，壓差得到補(bǔ)償并逐步向深部傳遞，影響范圍向鉆孔周圍煤層延伸，鉆孔內(nèi)瓦斯抽采量逐漸減小直至孔底與周圍煤巖體瓦斯壓力重新平衡。

1.1 抽采負(fù)壓對(duì)煤體中瓦斯的解吸作用

煤是一種雙重介質(zhì)體，由內(nèi)生裂隙和外生裂隙構(gòu)成整個(gè)裂隙系統(tǒng)，煤體中的瓦斯主要以吸附態(tài)、游離態(tài)存在，其中，富集于煤體結(jié)構(gòu)孔、裂隙中的氣態(tài)游離瓦斯較少，而吸附于煤基質(zhì)內(nèi)表面的瓦斯較多[13-17]，如圖1所示。煤的透氣性由煤巖體自身裂隙的通導(dǎo)性及發(fā)育程度決定，煤體割理、節(jié)理連通裂隙，為瓦斯氣體運(yùn)移提供通道。

1—游離瓦斯;2—吸附瓦斯;3—吸收瓦斯;4—煤;5—孔隙。

在煤層中，瓦斯解吸、吸附是互逆的。當(dāng)煤層的瓦斯壓力出現(xiàn)下降時(shí)，會(huì)打破原始吸附解吸平衡，吸附態(tài)瓦斯逐漸解吸為游離瓦斯[18-19]。鉆孔抽采提供負(fù)壓，鉆孔周圍煤體產(chǎn)生壓差勢(shì)，從而促使吸附瓦斯氣體解吸并沿鉆孔運(yùn)移。

1.2 抽采負(fù)壓對(duì)煤體中的瓦斯?jié)B流作用

煤體裂隙中游離瓦斯在煤巖體非均質(zhì)體中運(yùn)移遵循達(dá)西定律，即流速與壓差呈正比關(guān)系。順層鉆孔抽采瓦斯過(guò)程中，鉆孔周圍瓦斯流場(chǎng)為徑向流動(dòng)，并且根據(jù)瓦斯涌出量是否參考時(shí)間因素可分為穩(wěn)定流動(dòng)和非穩(wěn)定流動(dòng)[20]。

非穩(wěn)定徑向流場(chǎng)單元孔長(zhǎng)段煤壁瓦斯流量方程如下：

(1)

穩(wěn)定徑向流場(chǎng)單位孔長(zhǎng)周圍煤壁瓦斯涌入流量方程如下：

(2)

1.3 抽采負(fù)壓對(duì)鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)的作用

壓差勢(shì)為鉆孔周圍煤體瓦斯運(yùn)移提供動(dòng)能，而瓦斯運(yùn)移則需克服黏滯力、慣性及鉆孔壁面摩擦等產(chǎn)生的阻滯、擾動(dòng)等反作用阻力。因此，鉆孔內(nèi)負(fù)壓在向鉆孔方向傳遞過(guò)程中壓差勢(shì)能會(huì)不斷衰減，鉆孔周圍煤體中的瓦斯不斷涌入到鉆孔內(nèi)。

2 順層長(zhǎng)鉆孔煤層瓦斯流—固耦合模型

2.1 鉆孔內(nèi)壓損分類

鉆孔內(nèi)瓦斯在運(yùn)移過(guò)程中產(chǎn)生的壓力損失，主要包括4部分：克服沿程摩擦阻力、黏滯阻力、鉆孔孔壁瓦斯流入擾動(dòng)阻力及局部阻力損失，如圖2 所示。

①—沿程摩擦阻力；②—黏滯阻力；③—擾動(dòng)阻力；④—局部阻力；v1、v2—截面1、2上的流體速度。

2.2 順層長(zhǎng)鉆孔負(fù)壓分布模型

由于順層長(zhǎng)鉆孔孔壁周圍不斷有瓦斯涌入，在瓦斯氣體沿孔底向孔口運(yùn)移過(guò)程中，質(zhì)量不斷變化。因此，鉆孔內(nèi)瓦斯運(yùn)移屬變質(zhì)流。為便于研究，假設(shè)在順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采過(guò)程中鉆孔孔壁不變形，暫不考慮局部壓損影響。

將鉆孔周圍煤體沿孔長(zhǎng)方向上離散成微元段積分，則每一個(gè)微元段內(nèi)的瓦斯涌入量均可以穩(wěn)定徑向流場(chǎng)單位長(zhǎng)度煤壁瓦斯涌出量計(jì)算表征。

由沿程摩擦阻力公式、連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別推導(dǎo)沿程摩擦阻力損失Δpfri和加速度壓損Δpacc，則以x為變量得到dx微元段總壓損如下[8-10]：

沿程摩擦阻力損失：

加速度壓損：

(3)

式中：fi為煤體經(jīng)過(guò)孔壁面流入鉆孔摩擦阻力系數(shù)，根據(jù)鉆孔在該微元段的流動(dòng)狀態(tài)解算，通過(guò)解算各個(gè)鉆孔微元段的雷諾數(shù)Re，求解摩擦系數(shù)fi;p(x)為距孔口x長(zhǎng)度處的鉆孔內(nèi)壓力，Pa；q(x)為距孔口x處微元段瓦斯涌出量，m3；Q(x)為距孔口x處孔內(nèi)瓦斯流量，m3；ρ為瓦斯氣體密度，kg/m3；D為鉆孔直徑，m。

基于流體動(dòng)力學(xué)分析，流量守恒，在距孔口x處瓦斯流量方程如下：

(4)

將孔內(nèi)流量方程、壓力分布模型進(jìn)行耦合：

(5)

邊界條件：

x=0,p(0)=p1；x=0,q(0)=Q。

解定解公式(5)，解算順層長(zhǎng)鉆孔孔內(nèi)負(fù)壓分布方程：

[fi(2L+1)2+8D(2L+1)]x}+p1

(6)

式中：L為鉆孔長(zhǎng)度，m；p1為鉆孔孔口抽采負(fù)壓，MPa。

由公式(6)可知，鉆孔流量越大、長(zhǎng)度越長(zhǎng)、孔徑越小，則摩擦阻力系數(shù)越大，壓損越大；反之亦然。

3 順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采主控因素分析

影響鉆孔內(nèi)負(fù)壓分布及瓦斯抽采效果主要因素有：孔長(zhǎng)L、孔徑D、透氣性系數(shù)λ、孔口負(fù)壓p1等。

3.1 鉆孔長(zhǎng)度、孔徑影響因素分析

1)當(dāng)鉆孔直徑和抽采負(fù)壓確定后，理論上存在一個(gè)極限的鉆孔長(zhǎng)度，超過(guò)該極限長(zhǎng)度，孔內(nèi)壓力與煤層瓦斯壓力相同，負(fù)壓勢(shì)為0，瓦斯運(yùn)移停滯。

假設(shè)邊界平衡情況：在x=L處，若鉆孔孔壁無(wú)瓦斯流動(dòng)，即q(x)=0，p(x)=p0，代入公式(6)可以解得極限鉆孔長(zhǎng)度值。

2)由公式(6)可以看出：鉆孔壓損與瓦斯流體過(guò)流斷面積呈反比關(guān)系，即鉆孔孔徑越大，壓損越小，同時(shí)，周圍煤體卸壓影響區(qū)域也會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大。

3.2 透氣性系數(shù)影響因素分析

透氣性系數(shù)是瓦斯抽采主要影響指標(biāo)，由公式(1)、(2)可以得出煤體透氣性系數(shù)與鉆孔瓦斯涌入量呈正比關(guān)系，煤體透氣性系數(shù)越好，瓦斯抽采量越大，同時(shí)，孔內(nèi)壓損衰減也會(huì)增大。對(duì)于煤體孔隙、裂隙發(fā)育區(qū)域，透氣性系數(shù)較好，適當(dāng)增大瓦斯抽采負(fù)壓，可有效延長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯有效長(zhǎng)度，增大鉆孔煤體控制區(qū)域。

原始煤體受鉆孔影響，孔周圍煤體將發(fā)生變形，壓力釋放，會(huì)形成一個(gè)卸壓區(qū)，即彈塑性區(qū)，如圖3所示。卸壓區(qū)內(nèi)煤體發(fā)生彈塑性變形，原始瓦斯壓力平衡被打破，煤體中吸附瓦斯開始解吸，煤基質(zhì)進(jìn)一步收縮變形，煤體孔隙、裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展連通，促進(jìn)鉆孔周圍煤體內(nèi)瓦斯的運(yùn)移。

圖3 鉆孔周圍應(yīng)力分布圖

基于上述分析，順層長(zhǎng)鉆孔工藝技術(shù)是在鉆孔主孔進(jìn)入煤層后，再定向分支形成羽狀進(jìn)行抽采，可有效增大鉆孔控制區(qū)域，對(duì)煤體進(jìn)行大面積的二次擾動(dòng)，形成更多彈塑性區(qū)，以增大鉆孔周圍的煤層透氣性，提高抽采效果。

3.3 孔口抽采負(fù)壓

在相同條件下，抽采系統(tǒng)提供的負(fù)壓越大，孔內(nèi)負(fù)壓傳遞有效距離越遠(yuǎn)，在鉆進(jìn)技術(shù)條件允許的情況下，鉆孔的有效抽采長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，控制煤體的范圍越大。但受抽采系統(tǒng)負(fù)荷限制，單孔瓦斯抽采負(fù)壓增大到一定程度，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)抽采干、支管及單孔封孔段兩端壓差過(guò)大，漏氣量、管道阻力、系統(tǒng)成本均會(huì)增加。鑒于此，應(yīng)用公式(6)，在一定的鉆孔長(zhǎng)度條件下，根據(jù)鉆孔孔底的負(fù)壓值解算出合理的孔口負(fù)壓并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)高效瓦斯抽采。

4 順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)應(yīng)用研究

在煤礦井下掘進(jìn)工作面進(jìn)行順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采工藝技術(shù)試驗(yàn)分析，對(duì)建立的模型及得出的規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步分析研究順層長(zhǎng)鉆孔內(nèi)負(fù)壓分布規(guī)律及瓦斯抽采效果。

4.1 順層長(zhǎng)鉆孔施工參數(shù)確定

試驗(yàn)礦井區(qū)域主采3號(hào)煤層，為單一厚煤層，煤層平均厚度5.65 m，煤層平均傾角5°，原始煤層瓦斯含量約13.81 m3/t，瓦斯壓力1.2 MPa，順層鉆孔孔徑設(shè)計(jì)為94 mm。

首先，利用COMSOL-Multiphysics數(shù)值模擬軟件，設(shè)定抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為30 d，對(duì)試驗(yàn)礦井順層瓦斯抽采鉆孔不同孔間距抽采效果進(jìn)行模擬，確定合理鉆孔間距為4 m。鉆孔間距為4 m時(shí)區(qū)域煤層瓦斯壓力分布規(guī)律及鉆孔周圍瓦斯壓力分布情況分別如圖4和圖5 所示。

圖4 孔間距為4 m時(shí)區(qū)域煤層瓦斯壓力分布規(guī)律

圖5 孔間距為4 m時(shí)鉆孔周圍瓦斯壓力分布

由圖4和圖5可以看出，抽采時(shí)間為30 d時(shí)，2個(gè)鉆孔間煤層瓦斯壓力下降至0.5 MPa左右，可以抽采達(dá)標(biāo)。因此，確定鉆孔間距為4 m是合理的。

試驗(yàn)礦井抽采鉆孔孔口負(fù)壓設(shè)計(jì)為13 kPa，將以上參數(shù)代入到公式(6)中計(jì)算得到合理鉆孔長(zhǎng)度為398 m，因此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)順層長(zhǎng)鉆孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為400 m。

采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研發(fā)的ZYWL-6000DS型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)在試驗(yàn)礦井主運(yùn)大巷端頭施工2個(gè)順層長(zhǎng)鉆孔，鉆孔開孔位于巷道端頭，高1.6 m，2個(gè)鉆孔控制巷道煤體，鉆孔長(zhǎng)度400 m，孔間距為4 m。

為了對(duì)比抽采效果，在另一掘進(jìn)工作面設(shè)計(jì)2個(gè)普通鉆孔，鉆孔開口位置距巷道底板高度1.4 m，孔間距4 m，鉆孔水平投影長(zhǎng)度100 m。

普通鉆孔采用“兩堵一注”封孔工藝，而順層定向長(zhǎng)鉆孔封孔采用千米鉆機(jī)開孔，使用?170 m取心鉆頭取心，最大程度保證鉆孔孔型完整，取心開孔后下封孔管封孔。取心9 m后停止取心，將孔內(nèi)煤渣洗盡后下入?127 mm封孔管封孔，封孔示意圖見圖6。

圖6 封孔示意圖

4.2 流—固耦合模型試驗(yàn)驗(yàn)證分析

在抽采達(dá)標(biāo)后，工作面掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)比統(tǒng)計(jì)了順層長(zhǎng)鉆孔和普通鉆孔各區(qū)域煤層殘存瓦斯含量，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1和表2。

表1 順層長(zhǎng)鉆孔抽采后掘進(jìn)期間瓦斯含量統(tǒng)計(jì)

表2 普通鉆孔間距為4 m時(shí)抽采后殘存瓦斯含量

由表1可以看出，原煤瓦斯含量13.81 m3/t，經(jīng)順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采后，區(qū)域殘存瓦斯含量均在7.83 m3/t以下，大面積降低了煤層瓦斯含量，瓦斯抽采率在43.30%以上，煤層殘存瓦斯含量沿鉆孔方向降幅逐步減小，印證了前章節(jié)順層長(zhǎng)鉆孔孔內(nèi)負(fù)壓及有效抽采影響范圍呈衰減趨勢(shì)分布規(guī)律。同時(shí)與表2普通鉆孔瓦斯抽采效果對(duì)比，抽采率比較接近，但是順層長(zhǎng)鉆孔控制區(qū)域是普通鉆孔的4倍，且大幅減少鉆孔施工搬家頻率并可減少封孔、接抽等工藝及耗材。

4.3 順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果分析

試驗(yàn)區(qū)域掘進(jìn)工作面施工普通鉆孔接抽后連續(xù)觀測(cè)19 d，抽采瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞髁拷y(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。可以看出，普通鉆孔抽采觀測(cè)19 d，1#和2#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)平均在57.3%左右，鉆孔平均抽采瓦斯純流量為0.21 m3/min。

表3 普通鉆孔間距4 m時(shí)的瓦斯抽采測(cè)試數(shù)據(jù)

順層長(zhǎng)鉆孔接抽后，連續(xù)觀測(cè)25 d，抽采瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞髁拷y(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。可以看出，鉆孔瓦斯?jié)舛仍?1%以上，鉆孔單孔標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下抽采瓦斯純流量在0.77 m3/min以上。

表4 順層定向長(zhǎng)孔瓦斯抽采測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)比表3、表4可以看出，順長(zhǎng)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單孔抽采瓦斯純流量在0.77 m3/min以上，對(duì)比普通鉆孔0.21 m3/min，順層長(zhǎng)鉆孔單孔抽采瓦斯純流量是普通鉆孔的3.73倍，消除了瓦斯涌出異常現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面快速安全掘進(jìn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)揭示了順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采的作用機(jī)制，在順層長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯的3個(gè)過(guò)程中，孔口抽采負(fù)壓為瓦斯的解吸、滲流、流動(dòng)提供了壓力差，使得煤層中的瓦斯源源不斷地被抽采系統(tǒng)抽出；分析了長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采負(fù)壓沿孔長(zhǎng)方向損失分布規(guī)律，建立了順層長(zhǎng)鉆孔煤層瓦斯流—固耦合模型，得到了順層長(zhǎng)鉆孔孔內(nèi)負(fù)壓分布方程。

2)對(duì)順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采工藝技術(shù)主控因素進(jìn)行了分析，得到了合理的孔口負(fù)壓、鉆孔長(zhǎng)度、鉆孔間距的計(jì)算方法。

3)實(shí)測(cè)分析了順層長(zhǎng)鉆孔抽采區(qū)域沿孔長(zhǎng)方向殘存瓦斯含量分布情況，驗(yàn)證了順層長(zhǎng)鉆孔孔內(nèi)負(fù)壓及有效抽采影響范圍呈衰減趨勢(shì)。

4)分析對(duì)比了普通鉆孔與順層長(zhǎng)鉆孔抽采效果，順層長(zhǎng)鉆孔單孔瓦斯?jié)舛染?1%以上，實(shí)現(xiàn)了大面積遠(yuǎn)距離消突。