郝晉偉，舒龍勇，齊慶新，霍中剛，楊偉東

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

鉆孔瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理及井下煤層氣開發(fā)的主要方式，而鉆孔密封性是保障鉆孔瓦斯高效抽采的關(guān)鍵基礎(chǔ)。由于我國煤層及瓦斯賦存條件的復雜性、鉆孔參數(shù)及密封參數(shù)的不合理性，致使我國煤礦井下瓦斯抽采存在抽采量高、利用率低和抽采效率低的“一高兩低”格局，且每年約有超過80億m3瓦斯資源由于濃度太低而無法規(guī)模化利用被放空，約有 65%的回采工作面預抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%，造成巨大的環(huán)境壓力及安全壓力。而鉆孔漏氣是造成抽采瓦斯?jié)舛绕偷母驹騕1-3]。目前，針對鉆孔漏氣位置及漏氣特征的研究，已取得較為豐碩的研究成果。其中周福寶[4]、胡勝勇[5]、王志明[6]等均認為鉆孔漏氣可分為孔內(nèi)漏氣(即抽采管與孔壁之間的空隙及密封材料自身)和孔外漏氣(即鉆孔圍巖裂隙漏氣)兩個區(qū)域；成艷英[7]等還對巷道圍巖漏風對瓦斯抽采的影響進行數(shù)值模擬分析，認為巷道煤壁漏風對鉆孔瓦斯抽采濃度具有重要影響作用；王永龍等[8]則研究了煤壁應(yīng)力峰值動態(tài)移動下的鉆孔漏氣特征；此外，鄒厚權(quán)等[9]還研究認為密封材料與抽采管之間也存在漏氣。而針對鉆孔漏氣位置的測定研究，張?zhí)燔奫10]、任青山[11]、周俊[12]、常宇[13]等均從封孔質(zhì)量檢測方面進行了較為詳細的研究，并開發(fā)了相應(yīng)的檢測設(shè)備。以上研究結(jié)果均從不同方面研究了鉆孔的漏氣影響因素及檢測方法，但鉆孔圍巖漏氣裂隙是由巷道和鉆孔共同采動形成的，且目前對其整個漏氣流場分布研究還不完整；同時，各漏風檢測設(shè)備布點較小，不能完全準確確定鉆孔漏氣位置及形成原因。因此，研究鉆孔密封段漏氣流場分布特征并合理全面構(gòu)建鉆孔漏氣位置判別模型，進而開發(fā)簡便快捷的檢測設(shè)備對鉆孔內(nèi)漏氣位置進行快速準確判定，并及時給出合理提濃方法，對于提高鉆孔瓦斯抽采效率和實現(xiàn)瓦斯礦井“安全-資源-環(huán)境”協(xié)調(diào)發(fā)展具有十分重要的科學及現(xiàn)實意義。

1 鉆孔密封段漏氣流場特征分析

隨著鉆孔密封材料及工藝的發(fā)展[14]，目前廣泛使用的“兩堵一注”鉆孔密封工藝對抽采鉆孔可以起到較好的密封作用[15]；但對于低滲煤層而言，即使初始密封完成的鉆孔，其抽采瓦斯?jié)舛绕同F(xiàn)象也較為普遍。這些現(xiàn)象充分說明，鉆孔圍巖漏氣對于鉆孔瓦斯抽采濃度的降低具有重要影響作用。此外，實踐證明，適當增加鉆孔密封長度可有效增加鉆孔圍巖漏氣阻力，在一定程度上可降低鉆孔圍巖漏氣量。因此，分析鉆孔密封段不同條件下的漏氣流場分布特征對于準確分析鉆孔漏氣位置及漏氣原因具有重要的意義。

為此，利用FLUENT軟件分別對以下四種不同封孔長度條件下的鉆孔密封段圍巖漏氣流場進行模擬分析，進而為漏氣位置判定模型的準確識別提供合理依據(jù)。相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔密封段漏氣流場分布模擬類型及參數(shù)

由于鉆孔密封段結(jié)構(gòu)具有對稱性，為簡化計算步驟，達到流場規(guī)律分析的目的，選擇密封段垂直剖面的二分之一剖面作為模擬模型，鉆孔圍巖與密封材料緊密貼合條件下的漏氣模型如圖1所示。

圖1 鉆孔密封段漏氣模型

根據(jù)圖1和表1鉆孔密封段漏氣模型及相關(guān)參參數(shù)，可獲得如下鉆孔密封段漏氣流速流場分布情況，如圖2所示。

圖2 鉆孔密封段漏氣流速流場分布

通過對表1中四種鉆孔密封段漏氣流場進行分析，可看出不同的漏氣條件，漏氣流速流場具有明顯的差異性。當鉆孔密封深度為塑性區(qū)半徑時(6m)且考慮煤壁漏氣時，鉆孔密封段漏氣速度最大；相反，則漏氣速度最小。根據(jù)模擬結(jié)果，提取模型出入口處漏氣速度參數(shù)見表2。

由表2可看出，在漏氣出口面積相同情況下，考慮煤壁漏風條件時其漏氣速度約為不考慮的2倍左右；而不考慮煤壁漏氣條件下，封孔長度為6m時，其漏氣速度是封孔長度10m的1.5倍；當考慮煤壁漏風時，漏氣速度增加至4.8倍；封孔長度為6m且考慮煤壁漏氣時，漏氣速度為封孔長度10m且不考慮煤壁漏氣的9.78倍。由此可得出，鉆孔密封長度和煤壁漏氣對于鉆孔密封段漏氣流場和漏氣強度具有重要影響作用。

2 瓦斯抽采鉆孔漏氣分析及判定原理

2.1 瓦斯抽采鉆孔漏氣位置及原因分析

瓦斯抽采鉆孔漏氣分析是漏氣位置判定原理及測定設(shè)備開發(fā)的基礎(chǔ)，因此，厘清可能存在的漏氣點對于構(gòu)建漏氣位置判別模型具有重要意義。根據(jù)目前普遍使用的封孔方法、封孔材料及相關(guān)工藝，并結(jié)合上述鉆孔密封段漏氣流場特征，可將抽采鉆孔漏氣通道分為以下幾個方面：

1)抽采管漏氣。抽采管的漏氣主要是由管壁強度不足而發(fā)生破裂或管間連接處密封性差造成的，常發(fā)生在煤層地應(yīng)力較大而密封材料強度較低的鉆孔密封當中和密封接頭不嚴的接口處。

表2 鉆孔密封段不同漏氣模型條件下漏氣參數(shù)

2)鉆孔孔壁圍巖漏氣。鉆孔孔壁圍巖漏氣主要是由封孔深度不足，即密封段未完全覆蓋由巷道采動影響形成的松動圈裂隙；或由于圍巖裂隙較為發(fā)育而密封效果較差且封孔長度不足所造成的，在松軟煤層中尤為突出。

3)鉆孔密封段層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)層間空隙漏氣。該漏氣主要是由于密封材料充填性差造成的，也是目前鉆孔漏氣的主要原因之一，在近水平鉆孔密封中尤為明顯。

4)鉆孔密封材料漏氣。鉆孔密封材料漏氣主要是由于材料自身空隙結(jié)構(gòu)發(fā)育或受鉆孔圍巖變形壓力擠壓而其強度不足發(fā)生破壞所引起的，在化學發(fā)泡材料密封工程中較為常見。

5)相鄰鉆孔漏氣。相鄰鉆孔漏氣主要是由于鉆孔施工參數(shù)不合理所致，或煤層內(nèi)有較大構(gòu)造裂隙存在等產(chǎn)生的，主要發(fā)生在具有地面壓裂井附近、大構(gòu)造區(qū)及鉆孔間距不合理的抽采鉆孔中。

2.2 瓦斯抽采鉆孔漏氣位置判定原理

根據(jù)上述漏氣位置及漏氣原因分析結(jié)果可知，在負壓抽采條件下，鉆孔漏氣位置及漏氣影響因素是非常復雜的，且在較短區(qū)域內(nèi)，負壓的變化通常并不明顯。而單位時間內(nèi)，鉆孔所提供的瓦斯涌出量是相對恒定的值。在不發(fā)生漏氣的情況下，孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍谡麄€鉆孔內(nèi)應(yīng)與煤層內(nèi)含氣甲烷成分相近，但一旦其流動通道上發(fā)生漏氣，則抽采瓦斯?jié)舛葘⒖焖傧陆怠Ｒ虼?，采用瓦斯?jié)舛炔顏砼卸▋牲c之間的漏氣狀態(tài)，進而分析其漏氣原因及漏氣強度是科學可行的，并在此技術(shù)上可針對性提出相應(yīng)的解決方案，其判定原理如圖3所示。

圖3 鉆孔漏氣位置及強度判定原理示意圖

由圖3可知，在瓦斯流動方向上，存在兩個可能漏氣點a，b，假設(shè)在其左右分別布置3個濃度測點，并測定該點瓦斯?jié)舛确謩e為N1、N2和N3，則可作出如下漏氣特性判定結(jié)果：①若N1

3 鉆孔定點濃度測定裝置及漏氣位置判定模型

3.1 鉆孔定點濃度測定裝置及測定原理

為及時準確分析抽采瓦斯鉆孔漏氣發(fā)生位置并制定相應(yīng)提濃措施，根據(jù)上述瓦斯抽采鉆孔漏氣位置及強度判定原理，開發(fā)了一種束管式定點測定抽采鉆孔甲烷濃度裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—測點位置；2—PVC硬質(zhì)套管；3—半硬質(zhì)礦用PE彩色束管；4—抽采管密封蓋；5—裝置出氣端口；6—導氣膠管；7—本安型負壓氣樣采集泵；8—本安型紅外瓦斯?jié)舛葯z測儀；9—抽采管；10—鉆孔密封材料；11—鉆孔孔壁；12—煤體；13—孔口取氣點圖4 束管式定點測定抽采鉆孔甲烷濃度裝置示意圖

其測定原理如下：

1)通過閉孔正壓取氣并利用氣相色譜儀測定煤層原始瓦斯氣體甲烷濃度Q原。

2)按照圖4分別組裝抽采鉆孔甲烷濃度裝置1—3，并送入瓦斯抽采鉆孔9內(nèi)，使其結(jié)構(gòu)4、5在瓦斯抽采狀態(tài)下保持良好密封性；同時連接氣體采集泵7和瓦斯?jié)舛葯z測儀8。

3)通過抽采管開始抽采瓦斯，利用瓦斯?jié)舛葯z測儀對抽采管上的瓦斯?jié)舛葯z測孔O處測點進行瓦斯?jié)舛葯z測，得出孔口處瓦斯?jié)舛萉O。

4)關(guān)閉所有導氣管上的氣閥，然后依次打開每條導氣管上的氣閥，開啟氣體采集泵，分別記錄每個測段的瓦斯?jié)舛?，從鉆孔口向內(nèi)依次記錄為QA、QB、QC、QD、QE、QF和QG。

5)將測定結(jié)果進行對比分析，得出漏氣位置及漏氣強度特征。

3.2 瓦斯抽采鉆孔漏氣判定模型

對3.1節(jié)中裝置所設(shè)測點QO、QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG的瓦斯?jié)舛燃懊簩釉技淄闈舛萉原值測定后，根據(jù)2.2節(jié)中鉆孔漏氣位置及強度判定原理可判定瓦斯抽采鉆孔漏氣位置及原因見表3。

表3 瓦斯抽采鉆孔漏氣位置判定模型

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

4.1 應(yīng)用現(xiàn)場概況

山西高河能源3#煤煤層W4301工作面平均瓦斯壓力為0.44MPa，平均瓦斯含量為8.26m3/t，為高瓦斯工作面；煤層透氣性系數(shù)為0.026MPa2·d，屬典型低滲煤層?，F(xiàn)場抽采效果表明，該區(qū)域普遍鉆孔抽采效果較差，平均抽采瓦斯?jié)舛炔蛔?0%；而根據(jù)其地勘數(shù)據(jù)可知，煤層原始含氣平均甲烷濃度值為83%～95%，因此，判定該區(qū)域瓦斯抽采鉆孔存在較大漏氣情況。

4.2 漏氣特性測定結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為確定該區(qū)域瓦斯抽采鉆孔漏氣位置，分析其漏氣原因，進而提出合理的提濃措施，根據(jù)表1所示瓦斯抽采鉆孔漏氣位置判定模型，對W4301回風巷121-1#和121-3#兩個鉆孔進行定點濃度測定；同時，配合閉孔分析法進行測定(閉孔法即對鉆孔實施抽采負壓關(guān)閉，然后測定孔內(nèi)氣體正負壓及氣體成分，進而間接判定鉆孔漏氣位置。)測定結(jié)果見表4。

表4 鉆孔漏氣位置測定

由表4瓦斯抽采鉆孔漏氣位置判定模型及表2實測數(shù)據(jù)可知，鉆孔121-1#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛冉档忘c在D、E點附近，D處降低嚴重，因此該鉆孔主要漏氣位置為密封段漏氣，漏氣主要原因為鉆孔密封性差和密封深度不足所致；且閉孔后壓力上升，說明瓦斯?jié)舛冉档偷脑虺耸茔@孔漏氣影響瓦斯，主要還由鉆孔圍巖瓦斯涌出供給不足引起，而根據(jù)瓦斯?jié)舛瓤刂品匠炭芍?，漏風條件不變，瓦斯涌出量越低，相同漏風量稀釋瓦斯?jié)舛雀鼑乐?，導致抽采瓦斯?jié)舛仍降汀６?21-3#鉆孔孔內(nèi)瓦斯?jié)舛日w偏低，均低于煤層原始含氣甲烷濃度值Q原，因此，可判定其漏氣主要由鉆孔深部發(fā)生竄孔和鉆孔密封段漏氣共同作用造成，且通過閉孔后抽采鉆孔處于負壓抽采狀態(tài)也可以確定。

4.3 鉆孔提濃措施及效果分析

根據(jù)上述測定結(jié)果，優(yōu)化山西高河能源W4301回風巷126#鉆孔施工參數(shù)及密封參數(shù)，并與125#鉆孔抽采數(shù)據(jù)進行對比，分析改變各參數(shù)后的鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況，兩組鉆孔及密封參數(shù)見表5。

表5 鉆孔及密封參數(shù)

對上述兩組鉆孔分別跟蹤測定，測定結(jié)果見表6。

表6 抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ缺?/p>

由表6可知，增加鉆孔密封長度和深度后對鉆孔抽采瓦斯?jié)舛染哂酗@著效果，平均單孔瓦斯?jié)舛瓤商岣?～5倍，說明W4301工作面預抽鉆孔瓦斯抽采濃度偏低受密封長度和深度不足影響較大，可通過增加密封長度或深度來實現(xiàn)鉆孔提濃。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)鉆孔圍巖漏氣流場分布特征可知，鉆孔圍巖煤壁漏氣和鉆孔密封段長度對于鉆孔圍巖漏氣流場分布和漏氣強度具有主要控制作用，在漏氣出口面積相同情況下，考慮煤壁漏風條件時其漏氣速度約為不考慮的2倍左右。

2)研發(fā)了束管式定點測定抽采鉆孔甲烷濃度裝置，并建立了相應(yīng)的瓦斯抽采鉆孔漏氣判定模型，為瓦斯抽采鉆孔快速檢漏提供技術(shù)途徑。

3)通過對山高河能源W4301回風巷瓦斯抽采鉆孔漏氣特征分析，鉆孔密封深度和長度不足及鉆孔間距較小是造成抽采濃度下降的主要原因之一；通過增加鉆孔密封深度和長度后，平均單孔瓦斯抽采濃度可增加3～5倍，證明了束管式定點測定抽采鉆孔甲烷濃度裝置和瓦斯抽采鉆孔漏氣判定模型的可靠性。