程根銀，齊黎明，陳學(xué)習(xí)，程 宥

(1．河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065201； 2.華北科技學(xué)院 高教研究所，北京 東燕郊 101601；3.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

無論是煤層瓦斯參數(shù)測定，還是礦井瓦斯抽采(除了采空區(qū)抽采)，打鉆都是必不可少的一個環(huán)節(jié)[1-3]。因此，打鉆是煤礦瓦斯治理的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。在煤層內(nèi)施工完鉆孔后，鉆孔周圍煤層的瓦斯將向鉆孔孔壁方向滲流，并從宏觀上表現(xiàn)為鉆孔周圍煤層瓦斯壓力下降和鉆孔瓦斯涌出。為了有效防治礦井瓦斯災(zāi)害，國內(nèi)外很多學(xué)者從不同角度、采用不同方法對鉆孔周圍的瓦斯壓力分布規(guī)律開展了大量研究，并取得了很大成果，但是，這些研究成果在考慮瓦斯壓力和瓦斯含量的關(guān)系時，基本都是按吸附平衡來計(jì)算的[4-11]。

現(xiàn)場測壓實(shí)踐表明，在煤層抽放后，如果采用直接封孔法進(jìn)行殘余瓦斯壓力測定，基本測不到瓦斯壓力；但是，如果采取煤樣，又能夠測出瓦斯含量。這說明，抽放后的煤層裂隙與抽放鉆孔已經(jīng)溝通，在這類煤層的滲透容積內(nèi)瓦斯壓力很低或接近大氣壓力；而在吸附容積內(nèi)瓦斯壓力比較高，這直接導(dǎo)致在存在較高瓦斯含量的條件下測不出瓦斯壓力。因此，在煤層瓦斯流動的影響范圍內(nèi)，滲透容積的瓦斯壓力和吸附容積的瓦斯壓力并不完全一致，即存在非吸附平衡現(xiàn)象。針對這一問題，本文以煤體對瓦斯的吸附平衡特性實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，對非吸附平衡條件下的鉆孔周圍煤層瓦斯壓力進(jìn)行了研究。

1 瓦斯流動條件下的吸附平衡性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在煤礦井下，鉆孔周圍飽含瓦斯的煤體要承受很高的巖層自重應(yīng)力、采掘應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，而且煤體存在一定大小的尺度；在實(shí)驗(yàn)室完全模擬該條件的困難非常大，為此，采用相似模擬的方法對瓦斯流動條件下的吸附平衡開展實(shí)驗(yàn)研究，具體方案如下。

選取兩種不同粒度的煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，粒徑分別是0.17～0.25 mm和0.4～0.6 mm，將煤樣(約200 g)裝入罐內(nèi)，抽真空后，多次注入瓦斯，確保吸附平衡后的瓦斯壓力約為0.6 MPa(一般可燃性氣體的減壓閥出口壓力多為0.6 MPa)，最后，打開閥門，讓瓦斯自由流出，并待壓力表指針降至零刻度后，關(guān)閉閥門，等待重新吸附平衡，進(jìn)行下一輪回的操作,具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 煤樣解吸實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果具體如圖2和圖3所示。圖中的橫坐標(biāo)是解吸時間，縱坐標(biāo)是解吸過程中的瓦斯壓力；0.4～0.6 mm的煤樣在解吸過程中，當(dāng)瓦斯壓力降為零后，關(guān)閉閥門，等待一段時間，壓力表指針很容易反彈回來，該實(shí)驗(yàn)一共重復(fù)進(jìn)行了10來次，由于圖表空間有限，在此，選擇了前六次解吸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；反之，0.17～0.25 mm的煤樣，一共才進(jìn)行兩次解吸實(shí)驗(yàn)，第三次壓力表指針就不再反彈了。

同樣的煤樣，吸附平衡的壓力基本都是0.58 MPa，解吸過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻差別很大。煤樣小的顆粒經(jīng)過幾次反復(fù)解吸后，瓦斯基本滲透完畢，剩余少量瓦斯不足以推動壓力表指針旋轉(zhuǎn)，壓力表顯示無讀數(shù)；煤樣顆粒較大時，多次關(guān)閉閥門，等待重新平衡后，瓦斯壓力表指針都能顯示出讀數(shù)。

圖2 解吸過程中的瓦斯壓力變化趨勢圖(0.4～0.6 mm)

圖3 解吸過程中的瓦斯壓力變化趨勢圖(0.17～0.25mm)

由于壓力表所顯示的是罐內(nèi)游離瓦斯壓力，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可知，開罐解吸后，游離瓦斯壓力逐漸下降為零；閉罐一段時間后，壓力又恢復(fù)上升。這充分說明，在流動條件下，處于滲透容積的瓦斯很快流失，壓力大幅度下降，而處于吸附容積的瓦斯變化相對較?。婚]罐后，吸附容積內(nèi)的瓦斯會向滲透容積流動，直至達(dá)到新的吸附平衡。在同等條件下，隨著煤樣顆粒的增大，即，隨著瓦斯從吸附容積流向滲透容積阻力的增加，這種非吸附平衡性表現(xiàn)得更加顯著。在煤礦井下，飽含高壓瓦斯的煤樣，在高地應(yīng)力作用下，煤體透氣性能急劇下降，而且尺度要遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)煤樣的粒徑；因此，在該條件下的鉆孔周圍煤體瓦斯流動過程中，煤體對瓦斯的吸附也必然處于非平衡狀態(tài)。

2 非吸附平衡條件下的鉆孔周圍瓦斯壓力分布規(guī)律研究

煤層鉆孔存在多樣性，本研究選取較為有代表性的穿層鉆孔為例進(jìn)行分析，具體如圖4所示。

圖4 穿層鉆孔示意圖

在圖4中，a為鉆孔半徑，m；r為瓦斯流動影響范圍內(nèi)某點(diǎn)距鉆孔中心的距離，m；R為瓦斯流動影響范圍邊界距鉆孔中心的距離，m。

選取圖4中的某個圓環(huán)為研究對象，圓環(huán)兩側(cè)的瓦斯流量之差即為圓環(huán)內(nèi)煤體的瓦斯損失量，可構(gòu)建如下平衡微分方程。

(1)

在式(1)中，t為時間，d；m為煤層厚度，m；p為瓦斯壓力，MPa；η為滲透容積比例；λ為煤體透氣性系數(shù)，m2/MPa2.d；q0為吸附容積內(nèi)的瓦斯向滲透容積流動的初始流量，m3/d；β為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；P為瓦斯壓力的平方，MPa2。

對式(1)進(jìn)行簡化，略去二階微小量，可得式(2)。

(2)

在式(2)兩邊，都是圓環(huán)內(nèi)的瓦斯損失量，如果取一邊進(jìn)行積分，即為整個流場范圍內(nèi)的瓦斯損失量，它應(yīng)該等于鉆孔瓦斯涌出量，具體如式(3)所示。

(3)

在式(3)中，q1為鉆孔初始瓦斯流量，m3/d。

鉆孔周圍的瓦斯壓力是瓦斯流動時間和距鉆孔中心距離的函數(shù)，采用分離變量法可將瓦斯壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€函數(shù)的乘積，可得式(4)。

(4)

在式(4)中，f(t)和g(r)分別為分離變量后瓦斯壓力與瓦斯流動時間和距鉆孔中心距離的函數(shù)，瓦斯壓力可以式(5)表示。

p=f(t)g(r)

(5)

根據(jù)現(xiàn)場瓦斯壓力和瓦斯含量實(shí)踐測定結(jié)果，隨離鉆孔距離的增加，瓦斯壓力和含量都會逐漸增加，但是，變化速度呈先緩慢增長，然后快速增長，最后又緩慢增長并趨于穩(wěn)定的形式[1,7]。根據(jù)這一變化規(guī)律，g(r)可用式(6)表示。

g(r)=p1-(p1-0.1)e-α(r-a)2

(6)

在式(6)中，p1為煤層原始瓦斯壓力，MPa；a為瓦斯壓力隨距鉆孔中心距離的變化系數(shù)，m-2。

將式(6)代入式(4)，并進(jìn)行積分，可得式(7)。

(7)

再對式(7)進(jìn)行積分，可得式(8)。

ln(10πmη+mπq0e-βt)+D

(8)

初始邊界條件：t=0,r=a,p=0.1

聯(lián)合初始邊界條件、式(5)、式(6)和式(8)可得式(9)。

(9)

根據(jù)式(9)可知，在瓦斯流動影響范圍內(nèi)，隨著流動時間的增加，瓦斯壓力基本呈線性規(guī)律下降。

3 實(shí)際應(yīng)用

對于無保護(hù)層開采條件的突出煤層，從頂?shù)装鍘r巷打穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯是一項(xiàng)常規(guī)的區(qū)域瓦斯消突技術(shù)措施，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，煤層瓦斯預(yù)抽消突后，需要進(jìn)行效果檢驗(yàn)，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》推薦優(yōu)先采用瓦斯壓力指標(biāo)進(jìn)行效果檢驗(yàn)。根據(jù)本文的研究成果，在穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯過程中，鉆孔周圍煤層瓦斯應(yīng)處于非吸附平衡狀態(tài)，即，滲透容積的瓦斯壓力不能代表整個煤體的瓦斯大小；如果采用瓦斯壓力指標(biāo)進(jìn)行效果檢驗(yàn)，所測瓦斯壓力值偏低，甚至于為零，可能會發(fā)生低指標(biāo)突出現(xiàn)象。因此，建議：在對預(yù)抽煤層瓦斯消突效果進(jìn)行檢驗(yàn)時，以瓦斯含量指標(biāo)為主，以瓦斯壓力指標(biāo)為輔。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)并開展了瓦斯流動條件下的吸附平衡性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在瓦斯流動條件下，煤體對瓦斯的吸附作用處于非平衡狀態(tài)。煤層打鉆后，鉆孔周圍煤體瓦斯也應(yīng)遵循這一規(guī)律。

2) 以非吸附平衡為基礎(chǔ)，對鉆孔周圍煤層瓦斯流動條件下的壓力分布規(guī)律進(jìn)行了理論分析，得出了瓦斯壓力計(jì)算表達(dá)式，它隨時間基本呈線性規(guī)律下降。

3) 采用瓦斯壓力指標(biāo)對預(yù)抽煤層瓦斯消突效果進(jìn)行檢驗(yàn)，容易出現(xiàn)低指標(biāo)突出現(xiàn)象。

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