陳 鵬,成 瑋,陳祖國,張 浩,陳西華
(1. 華北科技學院 礦山安全學院,北京 東燕郊 065201;2. 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室,河南 焦作454000;3. 永貴能源開發(fā)有限責任公司 新田煤礦,貴州 畢節(jié) 551799;4. 中煤昔陽能源有限責任公司 白羊嶺煤礦,山西 晉中030600;5. 貴州豫能投資有限公司,貴州 貴陽 550000)
我國的煤炭資源在世界上占據了一定的地位,我國當前的煤炭資源占了一次性資源大概超過70%,并且在未來的幾十年中難以改變現(xiàn)狀。隨著中國經濟的快速增長,對煤炭資源的需求日益增長,高強度開采工作致使瓦斯事故頻出,在煤礦開采作業(yè)事故中超過了30%[1]。為了有效防止瓦斯災害發(fā)生,《防治煤與瓦斯突出細則》條例規(guī)定劃分區(qū)域執(zhí)行防突措施是防止瓦斯災害發(fā)生的安全措施[2-4]。在目前,關于《煤礦瓦斯的抽采暫行規(guī)范》只是對鉆孔內部的負壓做出了一定標準規(guī)定,而在進行鉆孔參數設計的時間長短很難把握,過長會導致資源的浪費但過短又會影響抽放效果,在進行煤炭開采工作中容易造成瓦斯事故。所以對鉆孔沿程負壓分布規(guī)律進行探究,夠得到孔內抽放負壓規(guī)律,進而優(yōu)化現(xiàn)有瓦斯抽放工藝,對礦井瓦斯防治具有重要的意義。
我國礦井的瓦斯抽采技術歷程較為長遠,總的來說可分為高透氣性煤層瓦斯預抽、鄰近層卸壓瓦斯抽采、低透氣性煤層強化抽采瓦斯、綜合抽采技術、立體抽采瓦斯五個歷程[5-6]。因此礦井瓦斯抽采一直被作為防治瓦斯災害發(fā)生重要技術手段。但針對礦井抽采負壓與抽采量的關系專家學者之間還存在不同的觀點。屠錫根、馬丕梁[7]、林柏泉[8]等專家認為負壓的改變對瓦斯抽采效率的影響十分有限。王兆豐[9]、程遠平[10]、王繼仁[11]等專家認為,瓦斯的總抽采量與負壓密切相關。辛新平[12-13]等專家認為瓦斯的抽采量與負壓關系隨著抽采時間的變化影響會不一樣。因此,研究學者對瓦斯抽采參數進行了一定的分析研究,但再研究觀點上還有爭議,所以應針對各項參數之間的問題進行綜合分析研究。
以上專家學者通過理論結合實驗的方法對礦井抽采鉆孔孔內負壓分布規(guī)律進行模擬研究,得出礦井在抽采過程中負壓損失量較小,但孔口到孔底的負壓損失變化會相差很大的結論[14-15];并且可以用數學關系式表示,但具體為什么會有這樣的變化,還沒有定論,主要是缺少礦井抽采鉆孔孔內負壓損失與孔口初始負壓、抽采鉆孔直徑、抽采時間、封孔深度等抽采鉆孔參數之間的具體研究,沒有對礦井抽采負壓在抽采鉆孔孔內分布特性及其對瓦斯抽采效果的影響進行深入研究分析。
本文在沿程負壓損失的理論分析的基礎上,通過瓦斯抽采鉆孔負壓連續(xù)測定裝置測定瓦斯抽采鉆孔內沿程負壓,理清鉆孔內部不同位置處的負壓分布情況,研究鉆孔周圍煤體抽采效果的變化規(guī)律及改進傳統(tǒng)的抽采工藝,形成以抽采負壓為基礎的瓦斯抽采效果評價技術體系,減少不必要的資源浪費,為瓦斯抽采效果評價及其工藝參數的優(yōu)化提供最為直接的定量化依據和支撐。
瓦斯在煤層中流動和在抽采鉆孔中流動都會碰到若干相對復雜的情況。在煤的形成過程中,瓦斯氣體主要是以吸附和游離態(tài)存在煤層當中,而且在游離狀態(tài)的比較少,大部分都以吸附狀態(tài)存在。根據相關研究成果,煤層瓦斯流動為擴散運動和層流滲流運動。前者的流動特性遵守了Fick擴散定律,主要是在煤的微孔發(fā)生。后者遵守Darcy的滲透率定律,主要是在煤的微裂紋中和大孔中發(fā)生[16]。瓦斯擴散-滲流過程如圖1所示。
而在抽采鉆孔內也有兩種氣體排放的過程(如圖2所示):第一種過程是從煤層流入鉆孔的氣體,第二種過程是鉆孔中的瓦斯氣體的流動過程。即在鉆孔周圍的鉆孔內的氣體流動以及煤礦煤體內的氣體流動。
圖1 瓦斯擴散-滲流過程
圖2 抽采鉆孔內兩種氣體排放的過程
針對從鉆孔周圍實體煤壁流入抽采鉆孔的情況,我們會發(fā)現(xiàn)負壓會沿著鉆孔的長度衰減。所以從煤壁噴涌出來的瓦斯在鉆孔的不同深度處的涌出量也不同。所以為了簡化模型并試圖使方程易于求解,假設從鉆孔的孔壁到孔內有三種瓦斯流動的規(guī)律[7-12],即瓦斯氣體流動的衰減規(guī)律。沿孔壁流入孔內的瓦斯流量呈非線性或線性關系,如圖3所示。
圖3 實體煤壁瓦斯流入鉆孔的三種形式
瓦斯的抽采工作過程中,除了孔口負壓是已知的以外,可直接得出,孔內不同位置處的負壓只要知道不同位置處的瓦斯流量,則可根據以下公式[7-12]算出:
(1)
(2)
(3)
其中,R為鉆孔瓦斯源半徑,m;r0為鉆孔半徑,m;P0為煤層原始瓦斯壓力,MPa;P為煤層瓦斯壓力,MPa;a、b為煤層吸附常數,m3/t、MPa-1;c為單位體積煤中可燃物質量,kg/m3;λ為煤層透氣性系數,m2/(MPa2·d)。
根據以上公式可以計算出鉆孔不同深度處抽采負壓數值,做出負壓隨著鉆孔長度變化的趨勢圖[7-12],如圖4所示。
圖4 三種實體煤壁瓦斯流入鉆孔形式下的孔內負壓分布情況
由圖4可以看出,以上三種實體煤壁瓦斯流入形式下,抽采鉆孔孔內負壓沿孔長均呈衰減趨勢,這與流體力學和滲流力學理論相對應。本次研究就在此理論基礎上,利用負壓定點連續(xù)測定裝置對現(xiàn)場負壓分布進行測試分析。
中煤昔陽能源有限責任公司白羊嶺煤礦位于山西省昔陽縣,此地即為本次的試驗地點(后文將其簡稱為“白羊嶺煤礦”),該礦區(qū)于2008年1月接受機械化升級改造,改造后的年產量預計每年90萬噸。該礦區(qū)有6、8、9、14、11、15、12、13號等8層煤,現(xiàn)階段能夠對15號和9號煤進行開采;15號煤安全性較高,其最低厚度為3.775 m,最高厚度為5.89 m,平均厚度為4.6 m;9號煤的安全性中等,最高厚度為1.46 m,平均0.77 m。測試地點選取該礦的15108膠帶順槽和15111膠帶順槽。
15108工作面所在15#煤層范圍內瓦斯含量在4.0~6.0 m3/t,瓦斯壓力為0.1~0.3 MPa,煤層透氣性系數和瓦斯涌出量分別為小于0.1 m2/MPa2·d的0.089~0.094 m2/MPa2·d、3.6 m3/min,屬較難抽放煤層。
15111工作面所在15#煤層范圍內瓦斯含量在4.0~6.0 m3/t,瓦斯壓力為0.4~0.5 MPa,煤層透氣性系數和瓦斯涌出量分別為低于0.1 m2/MPa2·d的0.089~0.094 m2/MPa2·d 、3.2 m3/min,屬較難抽放煤層。
基于礦井實際的情況,對15111和15108膠帶順槽,采取束管法來測試其抽采鉆孔孔內負壓。各鉆孔布置8個測點,在孔內30 m至100 m處每間隔10 m設置一個測點,以此來對其負壓值的具體情況進行測定,經測試,共得到的鉆孔數據50組。負壓測試系統(tǒng)如圖5所示。
1-煤層;2-聚氨酯封孔材料;3-瓦斯抽采管道;4-瓦斯抽采鉆孔;5-導氣端;6-導氣管;7-支護管;8-活塞;9-球形閥門;10-真空負壓表圖5 負壓測試系統(tǒng)示意圖
這套抽采負壓測定裝置是由筆者研發(fā),能滿足長鉆孔內部長距離,多地點,隨時定點測量或者連續(xù)測定負壓分布值。主要技術路線在于從瓦斯抽采鉆孔孔內負壓連續(xù)測定理論出發(fā),通過現(xiàn)有技術及理論,實現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔負壓定點連續(xù)測定,這種測定方法仍在不斷地優(yōu)化,具有較高的實用性。在技術層面,本裝置運用了球形閥門、導氣管、滑動密封系統(tǒng)、真空負壓表、導氣端,這些裝置共同組成了對于瓦斯抽采鉆孔負壓定點的連續(xù)測定裝置,其中真空負壓表和導氣端分別和鉆孔的兩端相銜接,在鉆孔內部插有導氣管。導氣管進入鉆孔必須通過球形閥門,這時,通過真空負壓表即可得知負壓的具體數值。
具體測試方案如下:
(1) 根據抽采鉆孔的工作要求,對120 m的抽采鉆孔進行工作,退鉆,清理鉆孔里的雜物;
(2) 在鉆孔工作完成之后,在其他工具的幫助下,如探桿,把壓力測試儀的輸氣管放置到離鉆孔口100 m處的位置上;
(3) 在對抽采線路的安裝時,保證安裝壓力測定儀外面的支護管長度和用來封孔的長度保持一致;
(4) 在安裝完抽采線路與測壓支護管之后,采取漿封閉鉆孔,對接抽采線路;
(5) 在保證鉆孔封孔完成后,打開抽采管道,慢慢地調整測壓導氣管,在不同位置設置觀測點。
為了研究不同的孔口負壓下抽采鉆孔內負壓的變化情況,在保持抽采鉆孔的直徑113 mm,鉆孔長度120 m,封孔長度16 m的條件下,分別測試在18.6 kPa,20.4 kPa,21.8 kPa,22.9 kPa,24.3 kPa,25.6 kPa,26.7 kPa,27.5 kPa,28.6 kPa,30.2 kPa 的孔口負壓下,鉆孔內不同深度處的負壓值,結果如圖6所示。
圖6 不同孔口負壓抽采鉆孔內不同深度處負壓變化圖
從圖6中可以看出:
(1) 在不同的負壓條件下,鉆孔內的壓力值也會不同,但鉆孔內的壓力趨勢基本保持相同,呈整體變化;
(2) 當抽采鉆孔孔口負壓由18.6 kPa升高至30.2 kPa,測孔段末端負壓由11.3 kPa升高至21.3 kPa,鉆孔壓力值消耗7.2 kPa~8.9 kPa。與孔口負壓相比,負壓損失為29.8%~39.3%;
(3) 處于同等負壓條件下,隨深度不斷增加,鉆孔內的壓力值不斷降低。在0~50 m的程度上,壓力一般保持穩(wěn)定,表明在此范圍內壓力值損失較少,而在50~100 m的程度上,壓力值快速降低,表明在這個位置壓力值已經有了較大損失。究其根本原因就是,隨著鉆孔的長度增加,阻力加大,壓力的消耗就增大,與此同時,在試驗過程中,出現(xiàn)鉆孔的變形,塌孔,堵塞等情況都會影響負壓的損失;
(4) 因為鉆孔的不斷深入,鉆孔內的壓力值漸漸減少,這也就解釋了鉆孔淺層有效抽采度較高而深層抽采較為困難的原因;
(5) 當孔口負壓為27.5 kPa時,負壓損失量達到最小值為29.8%,當孔口負壓值小于或大于27.5 kPa時,負壓損失量都有所增加。
為了研究不同的鉆孔直徑下抽采鉆孔內負壓的變化情況,在保持抽采負壓27.5 KPa,鉆孔長度120 m,封孔長度16 m的條件下,分別測試在75 mm,94 mm,103 mm,113 mm,120 mm鉆孔直徑下,鉆孔內不同深度處的負壓值,結果如圖7所示。
圖7 不同鉆孔直徑抽采鉆孔內不同深度處負壓變化圖
從圖7中可以看出:
(1) 在針對同一個鉆孔試驗發(fā)現(xiàn),鉆孔深度越大,鉆孔內的壓力值就會減小。這個結果和不同孔口負壓條件下的測試結果保持一致。改變鉆孔的直徑,抽采鉆孔孔內負壓變化趨勢也大致相同,均呈遞減趨勢;
(2) 當鉆孔直徑為75 mm時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了8.8 kPa;當鉆孔直徑為94 mm時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了8.1 kPa;當鉆孔直徑為103 mm時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了7.3 kPa;當鉆孔直徑為113 mm時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了6.3 kPa;當鉆孔直徑為120 mm時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了4.9 kPa。與孔口負壓相比,負壓損失為17.8%~32.0%,這表明鉆孔直徑越大,負壓損失也越??;
(3) 隨著抽采鉆孔直徑的增大,煤體的滲透率逐漸降低,孔內瓦斯流速逐漸降低,瓦斯從鉆孔內壁孔隙中涌出的局部阻力和沿程阻力均得到了降低,相應的負壓損失也出現(xiàn)降低。
但當鉆孔直徑增加到一定值后,會出現(xiàn)鉆孔坍塌的等一系列安全隱患,所以在保證安全的前提下,選擇94~113 mm的鉆孔直徑是最有保障的。
為了研究不同的封孔深度下抽采鉆孔內負壓的變化情況,在保持抽采負壓27.5 kPa,鉆孔長度120 m,抽采直徑113 mm的條件下,分別測試在10 m,12 m,14 m,16 m,18 m,20 m,22 m封孔深度下,鉆孔內不同深度處的負壓值,結果如圖8所示,負壓損失量隨封孔深度衰減變化圖如圖9所示。
圖8 不同封孔深度抽采鉆孔內不同深度處負壓變化圖
圖9 負壓損失量隨封孔深度衰減變化圖
從圖8、9中可以看出:
(1) 改變鉆孔的封孔深度,抽采鉆孔孔內負壓變化趨勢大致相同,均呈遞減趨勢;
(2) 不同封孔深度對應的負壓值變化是不一致的。當封孔深度為10 m時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了11.2 kPa;當封孔深度為12 m時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了10.5 kPa;當封孔深度為14 m時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了8.8 kPa;當封孔深度為16 m時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了8.5 kPa;當封孔深度為18 m時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了8.2 kPa;當封孔深度為20 m時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了6.5 kPa;當封孔深度為22 m時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了4.3 kPa。與孔口負壓相比,負壓損失為15.6%~40.7%;
(3) 抽采鉆孔封孔深度在10~14 m、18~22 m段時負壓衰減速度變化很快,在14~18 m段時負壓衰減速度變化緩慢。
為了研究不同的抽采時間下抽采鉆孔內負壓的變化情況,在保持抽采負壓27.5 kPa,鉆孔長度120 m,抽采直徑113 mm,封孔深度16 m的條件下,分別測試在1 d,10 d,15 d,20 d,25 d,30 d抽采時間下,鉆孔內不同深度處的負壓值,結果如圖10所示, 孔內負壓隨抽采時間變化如圖11所示。
圖10 不同抽采時間抽采鉆孔內不同深度處負壓變化圖
圖11 孔內負壓隨抽采時間變化圖
從圖10和圖11中可以看出:
(1) 隨著抽采時間的變化,抽采鉆孔孔內負壓變化趨勢大致相同,均呈遞減趨勢;
(2) 當抽采時間為1 d時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了8.8 kPa;當抽采時間為10 d時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了7.3 kPa;當抽采時間為15 d時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了6.3 kPa;當抽采時間為20 d時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了5.8 kPa;當抽采時間為25 d時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了5.3 kPa;當抽采時間為30 d時,孔底負壓相對于孔口負壓降低了5 kPa;與孔口負壓相比,負壓損失為26.3%~32%;
(3) 隨著抽采時間的增加,全程負壓損失量減小,且減小的速度越來越慢。
通過以上幾節(jié)的分析,可以得出在抽采鉆孔孔口負壓為27.5 kPa左右,鉆孔直徑94~113 mm,封孔深度14~18 m,孔深120 m,抽采時間大于30 d的抽采條件對負壓的影響是最小的。此條件下測試的負壓數據如圖12所示。
圖12 抽采工藝優(yōu)化后負壓沿程變化
由上圖可看出,在抽采工藝優(yōu)化過后,沿程負壓變化滿足y=-0.00114x2+0.04173x+27.18107的函數關系,R2達到0.9736,相關性較高[17]。
基于對抽采負壓,抽采鉆孔直徑,抽采鉆孔深度,抽采時間的優(yōu)化,在對礦方抽采鉆孔參數優(yōu)化前對瓦斯抽采鉆孔的流量和濃度測試結果,以及本次在抽采鉆孔優(yōu)化后對瓦斯抽采鉆孔的流量和濃度測試結果進行比對分析,如圖13和14所示。
圖13 鉆孔參數優(yōu)化前后抽采瓦斯流量隨抽采時間變化曲線圖
由圖13可以看出,優(yōu)化前后抽采瓦斯流量均隨著抽采時間的增加呈負指數衰減,優(yōu)化后的抽采瓦斯流量遠高于優(yōu)化前的,且抽采30 d后,相比優(yōu)化前增加了17%。
圖14 鉆孔參數優(yōu)化前后抽采瓦斯?jié)舛入S抽采時間變化曲線圖
由圖14可以看出,優(yōu)化前后抽采瓦斯?jié)舛染S著抽采時間的增加呈遞減變化,優(yōu)化后的抽采瓦斯?jié)舛纫恢备哂趦?yōu)化前的,且抽采30 d后,相比優(yōu)化前增加了14%。
(1) 通過對三種不同瓦斯流動形式下實體煤壁瓦斯氣體流向抽采鉆孔內對孔內負壓的影響分析,得出了孔內負壓分布的趨勢,表明孔內負壓的沿程損失情況。
(2) 孔口負壓,鉆孔直徑,封孔深度,抽采時間的變化都會使孔內負壓呈衰減趨勢,這與理論分析得出的結果相一致。隨著孔口負壓,鉆孔直徑,封孔深度,抽采時間的增大,負壓衰減速率會減小,沿程損失量也隨之減少,但這種減小并不是一成不變的,當這些鉆孔參數增大到某個值時,隨后再增大它們的數值,負壓衰減速率會加快,沿程損失量也增大,因此針對不同礦井需對不同條件下的抽采負壓進行測定,從而得出最優(yōu)抽采參數,這個最優(yōu)參數,就是負壓衰減速率最小時對應的各項鉆孔參數。
(3) 本次測試煤層孔內負壓沿程變化遵循y=ax2+bx+c的函數關系,在對抽采參數進行優(yōu)化后,抽采效果有明顯提升,這對白羊嶺煤礦形成以抽采負壓為基礎的瓦斯抽采效果評價技術體系以及為瓦斯抽采效果評價及其工藝參數的優(yōu)化提供最為直接的定量化依據和支撐。