成艷英 林柏泉 郝志勇 李子文 高亞斌

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

1 我國(guó)煤礦瓦斯抽采存在的主要問(wèn)題

煤礦瓦斯抽采是降低礦井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施。同時(shí)，瓦斯作為一種非常規(guī)天然氣，也是一種寶貴的能源財(cái)富。2011年我國(guó)煤層氣 （瓦斯）產(chǎn)量首次突破百億立方米，標(biāo)志著煤層氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展的初期階段。雖然瓦斯產(chǎn)量大，但是抽采量不均衡、濃度波動(dòng)大的現(xiàn)狀造成了瓦斯充分利用難、瓦斯利用率低的現(xiàn)狀。

導(dǎo)致我國(guó)煤礦瓦斯抽采效果差的主要原因來(lái)自?xún)煞矫妫环矫媸敲簩油笟庑缘?，煤層滲透率平均只有1.1974×10-18～1.1596×10-14m2，其中滲透率大于0.1987×10-15m2的僅占28%，而大于0.9187×10-15m2的極少；另一方面主要表現(xiàn)為抽采時(shí)間短、鉆孔工程量不足、封孔質(zhì)量差、抽采系統(tǒng)不匹配和管理不到位等。

針對(duì)煤層滲透率低的難題，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究人員的努力，發(fā)明了鉆孔卸壓增透法、高能液體擾動(dòng)卸壓增透法和爆生氣體擾動(dòng)卸壓增透法等，尤其是水力割縫、水力壓裂等鉆孔卸壓措施增大了鉆孔周?chē)臐B透性，提高了裂隙之間連接率及單孔瓦斯抽采率，較好地解決了煤層滲透性問(wèn)題。同時(shí)，隨著封孔工藝及封孔材料的改進(jìn)，鉆孔封孔質(zhì)量顯著提高。然而，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，抽采濃度普遍降低，一方面是因?yàn)橥咚购康臏p少；另一方面是由于瓦斯抽采過(guò)程中，巷道一側(cè)空氣從煤壁滲入鉆孔，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛鹊汀?/p>

煤礦巷道開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力重新分布，煤巷壁面產(chǎn)生大量裂隙。煤壁的裂隙與煤層內(nèi)部的裂隙連通，成為空氣混入煤層的通道。外部空氣滲入鉆孔示意圖如圖1所示。瓦斯抽采時(shí)，大量空氣沿煤壁裂隙混入煤層，導(dǎo)致抽采負(fù)壓損失，瓦斯抽采效率低。因此，解決瓦斯抽采效果差的關(guān)鍵是研究從煤壁滲入鉆孔的外部空氣，壁面噴涂能很好地解決空氣從煤壁裂隙的滲漏，因此研究壁面噴涂對(duì)瓦斯抽采的影響勢(shì)在必行。

圖1 外部空氣滲入鉆孔示意圖

2 模型建立

為研究壁面噴涂對(duì)瓦斯抽采的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)本煤層瓦斯抽采鉆孔布置情況，建立如圖2所示幾何模型，設(shè)置觀察點(diǎn)A （2，27）。其中，煤層沿鉆孔方向長(zhǎng)100 m，沿鉆孔徑向長(zhǎng)度50 m。鉆孔位于煤層中間，角度為0°，長(zhǎng)70 m，孔徑89 mm，鉆孔封孔長(zhǎng)度為10 m。將模型充分簡(jiǎn)化，封孔段及抽采管均不畫(huà)出。煤層給定多孔介質(zhì)滲流邊界條件，指定煤層滲透系數(shù)。鉆孔孔口抽采壓力為-20kPa，煤層壓力為2 MPa。湍流計(jì)算選用層流模型，瓦斯在煤層中流動(dòng)用多孔介質(zhì)模型，設(shè)定煤層孔隙率為10%，其內(nèi)部流動(dòng)由達(dá)西公式確定。

式中：Δp——滲流壓力降，Pa；

μ——?dú)怏w的粘性系數(shù)；

k——滲透率，取決于煤層的幾何結(jié)構(gòu)，計(jì)算中煤層滲透率取2×10-17m2；

v——瓦斯流動(dòng)速度，ml／s；

δ——瓦斯流過(guò)的距離，m。

圖2 煤層瓦斯抽采幾何模型

3 未噴涂巷道煤壁瓦斯抽采

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，隨著瓦斯抽采的進(jìn)行，巷道氣體會(huì)通過(guò)裂隙或者鉆孔封孔段進(jìn)入鉆孔，假設(shè)鉆孔封孔段密封性能良好，考察巷道一側(cè)漏風(fēng)情況。首先假設(shè)煤層巷道一側(cè)自然漏風(fēng)，即設(shè)置其壓力出口值是0，設(shè)置煤層上、下、右邊界為壓力入口，如考察A 點(diǎn)瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化規(guī)律，選取有代表性點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，如圖3所示。該曲線(xiàn)顯示A 點(diǎn)瓦斯壓力呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)規(guī)律下降，在16d以前A 點(diǎn)壓力急劇降低，之后開(kāi)始緩慢下降，在第26 d后降低為負(fù)值，開(kāi)始向鉆孔漏風(fēng)，最后無(wú)限趨近于-20kPa。圖3比較形象地說(shuō)明剛開(kāi)掘巷道煤壁壁面處瓦斯壓力變化情況，在實(shí)際巷道掘進(jìn)尤其是高瓦斯煤巷掘進(jìn)過(guò)程中，要時(shí)刻注意巷道瓦斯變化情況。

圖3 A 點(diǎn)瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化圖

選取不同抽采時(shí)間段 （2d，4d，6d，10d，14d，60d）煤層瓦斯壓力云圖，見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，在煤壁巷道側(cè)自然漏風(fēng)情況下，鉆孔附近煤層瓦斯壓力下降較快，壓力梯度明顯，瓦斯壓力云圖呈現(xiàn)倒鐘狀。隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，卸壓范圍增大，即抽采有效半徑增大。巷道側(cè)瓦斯被抽采管抽走的同時(shí)，也會(huì)向巷道涌出。隨著抽采的進(jìn)行，瓦斯壓力進(jìn)一步降低，巷道一側(cè)煤層壓力如呈現(xiàn)負(fù)壓，說(shuō)明外部氣體通過(guò)煤壁向鉆孔處漏風(fēng)情況嚴(yán)重，有必要對(duì)巷道進(jìn)行保護(hù)。

圖4 未噴涂巷道煤壁漏風(fēng)下瓦斯壓力云圖

4 噴涂巷道壁面瓦斯抽采

在巷道一側(cè)煤壁采取保護(hù)措施即壁面噴涂情況下，考察煤層抽采瓦斯壓力變化情況。將模型巷道一側(cè)設(shè)為壁面，即假設(shè)巷道完全不漏風(fēng)，考察A 點(diǎn)瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化規(guī)律，選取有代表性點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，見(jiàn)圖5。該曲線(xiàn)顯示A 點(diǎn)瓦斯壓力呈現(xiàn)明顯指數(shù)規(guī)律下降，前25d下降迅速，后期下降緩慢，最后無(wú)限趨近于一個(gè)定值。說(shuō)明在理想的壁面噴涂情況下，巷道壁面處瓦斯被鉆孔抽采管逐步抽走，但是不會(huì)降低到零，說(shuō)明了鉆孔抽采能力有限，抽采半徑不會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)無(wú)限期增大。

圖5 A 點(diǎn)瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化圖

選取不同抽采時(shí)間段 （2d，4d，6d，10d，14d，60d）煤層瓦斯壓力云圖如圖6所示。從圖6可以看出，在巷道一側(cè)煤壁采取保護(hù)措施、壁面完全不漏風(fēng)的理想情況下，A 點(diǎn)位置瓦斯壓力始終保持正值。瓦斯壓力云圖呈現(xiàn)橢圓狀，下降速度變小。瓦斯抽采鉆孔附近煤層瓦斯壓力下降較快，在一定時(shí)間內(nèi)，抽采時(shí)間越長(zhǎng)，卸壓范圍越大，即鉆孔抽采有效半徑隨著時(shí)間延長(zhǎng)而變大，但是過(guò)了一定時(shí)間后，抽采有效半徑會(huì)維持在一定范圍內(nèi)。

圖6 巷道一側(cè)煤壁完全密閉下瓦斯壓力云圖

在理想的壁面噴涂情況下，煤壁壁面完全不漏風(fēng)，在一定期限內(nèi)，抽采有效半徑隨時(shí)間延長(zhǎng)而變大，煤層瓦斯抽采效果很好。然而，理想的煤巷壁面噴涂所用膠粘材料必須滿(mǎn)足密封性、施工性、時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、不可燃性、無(wú)腐蝕性等要求，而目前工程中常用的膠粘材料由于自身的缺點(diǎn)不能滿(mǎn)足這些要求。并且在實(shí)際工作中，由于煤層地應(yīng)力變化，巷道變形造成煤壁垮落，特別是在煤質(zhì)較軟情況下，破碎煤體容易脫落，導(dǎo)致噴漿效果不好。此外，壁面噴涂成本較高，造成了實(shí)際壁面噴涂應(yīng)用的局限性，應(yīng)當(dāng)對(duì)壁面噴涂技術(shù)及工藝進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

另外，受鉆孔密封質(zhì)量的限制，隨著抽采的進(jìn)行，鉆孔封孔段因地應(yīng)力變化產(chǎn)生裂隙，為外部氣體進(jìn)入鉆孔提供了通道，造成瓦斯抽采負(fù)壓不高、瓦斯抽采濃度過(guò)低，嚴(yán)重影響抽采效果，此時(shí)，應(yīng)當(dāng)增補(bǔ)其他措施以保證瓦斯抽采效果。

5 結(jié)論

（1）在巷道煤壁未采取噴涂措施進(jìn)行瓦斯抽采過(guò)程中，瓦斯壓力云圖呈現(xiàn)倒鐘狀，巷道側(cè)瓦斯被抽采管抽走的同時(shí)，也會(huì)向巷道涌出。隨著抽采時(shí)間延長(zhǎng)，最終變?yōu)樨?fù)值，說(shuō)明煤壁向鉆孔處漏風(fēng)情況嚴(yán)重。

（2）在巷道煤壁采取理想的噴涂措施，即噴涂狀況完好下進(jìn)行瓦斯抽采過(guò)程中，瓦斯壓力云圖呈現(xiàn)橢圓狀，瓦斯抽采效果良好，在一定范圍內(nèi)，隨著抽采時(shí)間的變長(zhǎng)，抽采有效半徑變大。因此，在實(shí)際瓦斯抽采工作中，壁面噴涂能夠有效減少負(fù)壓損耗，應(yīng)當(dāng)盡一切可能地進(jìn)行壁面噴涂。

（3）在煤壁破碎嚴(yán)重等無(wú)法進(jìn)行噴涂的地點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)增補(bǔ)其他保證瓦斯抽采效果的措施。

（4）盡管模擬沒(méi)有把裂隙帶涵蓋進(jìn)去，但是還是說(shuō)明了外部漏氣的問(wèn)題，考慮到煤體中裂隙發(fā)育的復(fù)雜性，模擬還是不能完全顯示出真實(shí)的瓦斯流動(dòng)情況，因此，筆者會(huì)著重通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)試驗(yàn)情況來(lái)對(duì)措施進(jìn)行改進(jìn)。

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