白建俠

（天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津，301636）

松軟煤層瓦斯抽采鉆孔控制技術(shù)及流動情況的分析與研究

白建俠

（天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津，301636）

本文針對煤礦瓦斯災(zāi)害現(xiàn)狀進行分析，提出松軟煤層瓦斯抽采鉆孔控制問題以及解決的策略。并對煤層瓦斯流場及流動情況進行分析，對我國煤層鉆孔瓦斯抽采效果的提高具有一定的指導(dǎo)意義。

煤礦瓦斯；控制技術(shù)；流動情況；抽采鉆孔

0 引言

隨著煤礦生產(chǎn)效率的提高和開采深度的逐年增加，煤礦瓦斯災(zāi)害問題也愈加突出，嚴重制約著我國煤炭資源的安全高效開采。為確保煤礦安全生產(chǎn)，國家煤礦安全監(jiān)察局系統(tǒng)完整的提出了“先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控，以風(fēng)定產(chǎn)”的十二字方針，由此推動了煤礦瓦斯抽采技術(shù)的快速發(fā)展。造成我國煤礦瓦斯抽采率低的客觀原因主要為地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層賦存不穩(wěn)定、透氣性差，從而導(dǎo)致抽采難度較大；對于不同的礦井，由于抽采煤層的賦存情況不同，所用鉆孔基本參數(shù)也有所不同，從而導(dǎo)致人為可控主觀影響因素對瓦斯抽采效果起著至關(guān)重大的影響。

1 煤礦瓦斯現(xiàn)狀分析

我國南方地區(qū)貴州、云南、四川、重慶、湖南和江西均以松軟高瓦斯煤層為主,比較有代表性的礦區(qū)如盤江、六枝和松藻等；華東地區(qū)安徽省同樣以松軟煤層為主,代表性的礦區(qū)主要為淮南和淮北；另外華北地區(qū)河南省和東北三省也分布有大量的松軟高瓦斯煤層,如平頂山、焦作、鄭州、鐵法和阜新等。其他省份如河北、內(nèi)蒙、山西、陜西、甘肅和寧夏等分布有少量的松軟高瓦斯煤層。松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工依然是困擾我國坑道鉆探技術(shù)發(fā)展的世界性難題,也是松軟突出煤層瓦斯災(zāi)害治理亟待解決的問題。

2 松軟煤層瓦斯抽采鉆孔存在的問題

松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工通常采用外平鉆桿和螺旋鉆桿進行鉆孔施工。外平鉆桿在鉆進過程中，對鉆孔內(nèi)鉆屑擾動小，鉆屑只能依靠沖洗介質(zhì)攜帶、運移能力才能排出孔外，因而在松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工中存在鉆孔深度導(dǎo)致鉆孔成孔率低、成孔深度淺，嚴重時甚至出現(xiàn)掉鉆桿等孔內(nèi)事故。

對于松軟煤體鉆孔,由于煤體具有蠕變特性,成孔后孔周圍煤體的應(yīng)變隨著時間一直在增加。這會導(dǎo)致孔徑隨著時間的縮小,甚至出現(xiàn)鉆孔閉合,極大限制了瓦斯抽采效果。目前工程中常采用向鉆孔內(nèi)下入護孔管、孔壁注漿等工藝對孔壁形成弱結(jié)構(gòu)支護,對孔徑的蠕變縮徑起到一定的防治作用。對于未支護的裸孔和支護鉆孔,其圍巖應(yīng)力場的分布差異是決定二者孔徑蠕變特性的關(guān)鍵[1]。鉆孔周圍煤層瓦斯含量、煤體基本力學(xué)特性、鉆孔埋深、應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)、護孔管力學(xué)特性等對其蠕變過程中的應(yīng)力場分布具有很大的影響[2]。

3 松軟煤層瓦斯抽采鉆孔控制策略

鉆孔周圍煤層屬于非均質(zhì)、非連續(xù)的,其加載條件和邊界條件比較復(fù)雜。目前尚無法用解析方法解決的實際工程問題。因此可以借助有限元分析的方法近似的獲取些規(guī)律來指導(dǎo)現(xiàn)場工程[3,4]。

我國抽采瓦斯最普遍的方法是利用鉆孔對開采工作面煤層瓦斯提前預(yù)抽。瓦斯抽采鉆孔的形式包括地面垂直鉆孔、地面垂直-井下水平定向鉆孔和井下本煤層鉆孔。然而我國松軟煤層遭受了地質(zhì)構(gòu)造運動,導(dǎo)致煤體原生裂隙被破壞,煤體變軟,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,透氣性減小(104-103mD),極大限制了地面垂直鉆井預(yù)抽未卸壓煤層瓦斯技術(shù)的應(yīng)用。由于煤體變軟,長距離定向鉆孔遭受塌孔的危害而容易卡鉆失效。因此短距離的井下本煤層鉆孔被大量應(yīng)用到松軟低透煤層,這類鉆孔的長度為工作面的寬度的1/2到2/3之間,一般為80到120m之間。由于煤體強度比巖層小,本煤層鉆孔大都是空氣或者水力排渣,孔內(nèi)支撐壓力非常小,另外受地應(yīng)力、煤層瓦斯含量和煤體強度等因素影響,松軟煤層瓦斯抽采孔鉆進時極易變形甚至坍塌,造成抱鉆。煤礦井下松軟煤層瓦斯抽采鉆孔成孔后,受到煤體抗破壞能力差的影響,在地應(yīng)力作用下孔壁會發(fā)生變形、冒落甚至是坍塌。并且隨著抽采時間的延長,松軟煤體會發(fā)生蠕變,導(dǎo)致孔徑收縮甚至是閉合。開采保護層是提高煤層滲透性、提高瓦斯抽采效率、消除煤層突出危險的主要途徑。

抽采鉆孔孔壁會發(fā)生形變，形變以后嚴重影響了瓦斯抽采效率,在抽采負壓不變的情況下抽采流量與有效橫截面幾何特征相關(guān)。對于未變形的圓形鉆孔：

采用次鉆進工藝,鉆進過程中,使護孔篩管保持在鉆桿內(nèi),隨鉆桿鉆進煤層,鉆桿和護孔管同時換接,鉆頭到達預(yù)定深度后,護孔管從鉆頭穿出,鉆桿繼而退出,護孔管留在鉆孔內(nèi)。該過程中,護孔管的跟管鉆進是關(guān)鍵,在第二根鉆桿全部鉆入煤壁后,停止鉆進和供風(fēng),將帶有“引導(dǎo)”的第 節(jié)護孔篩管送入鉆桿內(nèi),然后接好下節(jié)鉆桿和供風(fēng)裝置,繼續(xù)鉆進;第二根鉆桿推進完成后,先加裝一節(jié) 護孔篩管,再加裝一節(jié)鉆桿,之后繼續(xù)鉆進,如此循環(huán),直至鉆到設(shè)計深度,停止鉆進。此時,用護孔篩管尖端將鉆頭內(nèi)磁芯頂出并使護孔篩管穿過鉆頭;最后鉆機提鉆，將全部篩管留在抽采鉆孔內(nèi)，繼而封孔抽采瓦斯。此外，為了方便護孔管順利通過鉆桿內(nèi)孔，需要將鉆桿內(nèi)部設(shè)計成等直徑的圓形空間，在結(jié)構(gòu)上避免變徑的出現(xiàn)?？梢匀斯た刂频闹饔^影響因素中，通過對影響因素的測試與分析，確定其與瓦斯抽采效果的相互關(guān)系，最終得出比較合理的煤層鉆孔瓦斯抽采基本參數(shù)，這對我國本煤層鉆孔瓦斯抽采效果的提高具有較大指導(dǎo)意義。

4 瓦斯流場分析

根據(jù)煤層瓦斯流動理論，鉆孔瓦斯流量隨著時間的推移而衰減，變化規(guī)律基本符合負指數(shù)規(guī)律。百米鉆孔瓦斯流量與時間的關(guān)系式如下：

鉆孔在煤層中抽采瓦斯,考察區(qū)域需抽采的瓦斯總量為

根據(jù)分子擴散理論，在擴散體系中流體分子由高濃度向低濃度運動，流體的擴散速度與流體的濃度梯度呈線性正比關(guān)系。國外學(xué)者從20世紀(jì)50代開始對煤粒瓦斯擴散理論進行研究，建立了第一類邊界條件下氣體在多孔介質(zhì)中的解吸擴散數(shù)學(xué)模型，并求出了解析解；并結(jié)合具體煤樣的試驗研究，對解析解進行修正，給出了許多煤粒瓦斯放散與時間關(guān)系的半經(jīng)驗或試驗關(guān)系式。在國內(nèi)，1986年楊其鑾和王佑安系統(tǒng)地建立了煤粒瓦斯擴散的微分方程，求出了第一類邊界條件下的解析解[5]，解析解和陽泉煤樣實測結(jié)果一致。該研究也系統(tǒng)地從擴散理論論述了煤層瓦斯涌出、突出規(guī)律。1988年他們把擴散理論應(yīng)用到煤層瓦斯的流動中，針對掘進巷道瓦斯涌出提出了球向瓦斯擴散運動的數(shù)學(xué)模型[6]。建立數(shù)值模型，應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件對噴孔孔洞周圍煤體的移動變形規(guī)律、應(yīng)力分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，得出噴孔孔洞周圍煤體的移動變形規(guī)律、應(yīng)力分布規(guī)律及其影響因素，為誘導(dǎo)噴孔孔群增透機理及孔群增透技術(shù)提供理論支持。

其算法的基礎(chǔ)是快速拉格朗日計算方法。拉格朗日法是流體力學(xué)中研究流體運輸?shù)膬煞N方法之一，它通過單個流體質(zhì)點運動參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，以及相鄰質(zhì)點間參數(shù)的變化規(guī)律，來研究整個流場中流體的運動。將拉格朗日法移植到固體力學(xué)中，將所研究的區(qū)域劃分成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)格節(jié)點相當(dāng)于流體的質(zhì)點，然后按時間步用拉格朗日法來研究網(wǎng)格節(jié)點的運動，這種方法就稱為拉格朗日法。該方法最適合于求解非線性大變形問題。三維快速拉格朗日分析采用了顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程，并應(yīng)用了混合單元離散模型，可以準(zhǔn)確模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形。

煤層中，按瓦斯流場空間幾何形狀劃分的話，主要可分為單向流動、徑向流動和球向流動。單向流動指的在流場的xyz三軸方向上，煤層內(nèi)瓦斯僅有一個方向的流速不單向流場內(nèi)，所有的瓦斯流動方向均相互平行、且方向相同，徑向流動指的是在流場xyz三軸方向上，煤層內(nèi)瓦斯僅在兩個方向的流動有速度或分速度時對應(yīng)的流場。徑向流場內(nèi)，瓦斯流動方向在平面上相互平行、呈放射圓柱狀（指向軸線）球向流動指的是在流場的xyz三軸方向上，煤層內(nèi)瓦斯的流動方向在xyz三軸上的分速度都不為0時所形成的流場。球向流場內(nèi)瓦斯的流動方向呈放射網(wǎng)狀，且煤層中瓦斯等壓線呈同心球形。

根據(jù)上述對穩(wěn)定流場和非穩(wěn)定流場的分析論述，煤層鉆孔內(nèi)瓦斯流動形態(tài)依據(jù)時間可劃分為兩個階段。

第一個階段為鉆孔剛成型的初期，此時的流動屬于非穩(wěn)定流動狀態(tài)。鉆孔附近煤層瓦斯含量有限，且沒有固定瓦斯源。隨著鉆孔內(nèi)瓦斯的不斷涌出，煤層中瓦斯含量也隨之不斷下降，鉆孔附近煤層瓦斯壓力梯度逐漸降低，流場也不斷擴大。

第二個階段為鉆孔瓦斯涌出的后期（相對于抽采后期），此時的流動屬于穩(wěn)定流動狀態(tài)。由于鉆孔內(nèi)瓦斯含量的不斷降低與衰竭，導(dǎo)致鉆孔周邊煤層內(nèi)吸附瓦斯和游離瓦斯置換逐漸趨于平衡，從而鉆孔周邊煤層內(nèi)瓦斯含量和壓力及瓦斯涌出量也逐漸趨于穩(wěn)定。

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5 結(jié)論

通過對每個功能模塊的不斷測試、代碼的修改及完善，基于Socket和Java Swing的小說閱讀器基本功能均已實現(xiàn)，此次設(shè)計主要涉及到：1）客戶端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類的實現(xiàn)：包括連接到遠程服務(wù)器，向服務(wù)器端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接等操作。2）服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類的實現(xiàn)：包括繼承線程類，創(chuàng)建ServerService接口，監(jiān)聽客戶端請求；判斷客戶端傳遞的標(biāo)識,通過標(biāo)識調(diào)用服務(wù)端業(yè)務(wù)類操作數(shù)據(jù)的方法，并給與客戶端響應(yīng)。3）XML文件讀取、遍歷、存儲工具類的設(shè)計與實現(xiàn)。相信簡便易用的小說閱讀器的到來能為人們每天繁忙的工作和生活帶來壓力的釋放，成為人們的心靈雞湯。

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作者簡介

朱浩悅(1980-)，女，講師，陜西韓城人，碩士，主要研究方向為計算機軟件、智能信息處理。

The Control Technique of Methane-rich Coal Seam and Study of the Flow Distribution

Bai Jianxia
（Ren’ai College of Tianjin University,Tianjin,301636,China）

This article analyzes the damage of the methane-rich coal seam ,the trategy of control technique is put forward .the flow field and distribution are both analyzed, there are some guiding significances to improving the effect of coal seam extraction in China.

Coal seam；control technique；flow distribution;；coal seam extraction

TD712.6

A

白建俠（1982-），女，河北滄州人，講師，碩士研究生，研究方向：基礎(chǔ)數(shù)學(xué)。

合作研究項目：“鉆桿鉆探過程內(nèi)部流動測試系統(tǒng)開發(fā)與測試”（項目編號：HX14037M）