梁玉柱

(貴州盤江精煤股份有限公司，貴州 盤州 553536)

煤炭是我國主體能源瓦斯作為煤的伴生產物。我國瓦斯總量大，與天然氣總量相當，且隨著采深的增加，瓦斯含量將顯著增大。瓦斯不僅是煤礦重大災害源和大氣污染源，更是一種寶貴的不可再生能源[1]。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2007～2016年我國煤礦瓦斯事故占比高達27.8%，造成的死亡總人數(shù)在全國煤礦事故中位居第二，是造成一次性重特大事故的根源[2]。在煤礦生產中層鉆孔抽采是我國煤層瓦斯抽采的主要方式之一，但是目前我國約有65%的回采工作面順層鉆孔的預抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%，這充分反映了抽采鉆孔密封質量差的現(xiàn)狀[3]。目前我國主要采用的封孔方法有水泥砂漿封孔[4]、發(fā)泡聚合材料封孔[5]、封孔器封孔[6]等，均屬于一次封孔，初始時效果明顯，在裂隙發(fā)育形成漏風通道后瓦斯抽采濃度會急劇下降。為解決這些問題，本文在原有二次封孔方法[7]的基礎上通過理論分析和數(shù)值模擬提出了二次封孔一體化技術，在一次封孔結束后直接進行二次封孔，在保證抽采效果的同時節(jié)省了大量的人力物力，極大提高了生產效率。

1 二次封孔一體化原理

在鉆孔瓦斯抽采過程中，鉆孔圍巖受多種因素影響裂隙逐步發(fā)育、連通最終與外界相通形成漏風通道，在孔內負壓的影響下大量空氣被吸入抽采系統(tǒng)從而使得瓦斯?jié)舛仍诔椴芍泻笃诩眲∠陆担@孔的有效抽采期縮短，降低了鉆孔的利用率，造成瓦斯資源的極大浪費。導致裂隙發(fā)育的原因主要有兩方面，一方面是游離瓦斯被抽走后，煤體內的吸附態(tài)瓦斯大量解吸導致煤體中瓦斯的彈性潛能得以釋放，由此引起煤層變形、卸壓(地應力減小)、透氣性增大，使鉆孔周邊的孔(裂)隙發(fā)育、擴張[8]；另一方面為鉆孔圍巖在地壓作用下變形、移動和破壞。二次封孔一體化技術的原理是在一次封孔階段就將調配好的細微膨脹粉料顆粒利用正壓氣流預先送入鉆孔內，鉆孔抽采過程中，當瓦斯抽采濃度因鉆孔開挖裂隙發(fā)育成為漏氣裂隙而快速下降時，存在于裂隙中的粉料顆粒會在抽采負壓的作用下滲入漏氣裂隙區(qū)域，增大了裂隙區(qū)域內氣體的流動阻力，從而起到阻擋外界空氣進入鉆孔降低瓦斯抽采濃度和瓦斯有效抽采期的作用。

圖1 二次封孔一體化原理

Fig.1 Principle of the integration of secondary sealing

2 理論分析

2.1 數(shù)值模擬背景

固體顆粒二次封孔一體化技術的機理在于固體顆粒隨氣體運移至裂隙后使其裂隙特性改變。為研究不同裂隙特征改變后對瓦斯抽采質量的影響，需建立瓦斯抽采漏氣模型。為了解模型中氣體流動與煤體內裂隙的相互影響，本文將基質孔隙率Φm對時間的偏導方程、煤的裂隙度Φf對時間的偏導方程兩者與氣體流動方程交叉耦合得到基質體內瓦斯流動控制方程(式(1))和裂隙內瓦斯空氣流動控制方程(式(2))。

(1)

(2)

式中：m為煤體基質系統(tǒng)；f為煤體裂隙系統(tǒng)；下標0為初始狀態(tài)；下標1和2分別為瓦斯和空氣；Cκ為氣體組分κ的瓦斯?jié)舛?；R為普適氣體常數(shù)；T為氣體的絕對溫度；ε為應變張量；α為基質系統(tǒng)的Biot系數(shù)；K為體積模量；μ為混合氣體的動力黏度系數(shù)；D為氣體的動力彌散系數(shù)。氣體交換平衡方程見式(3)。

(3)

式中：ρgκ為氣體組分κ的密度；t為時間變量；Qsκ為氣體源匯項；mκ為氣體組分κ在煤層中的含量；mkf為裂隙中的自由態(tài)的氣體組分κ的含量。

式(1)～(3)共同構成在雙重孔隙介質中多組分流動和煤體變形的控制方程。控制方程之間的交叉耦合關系如圖2所示。

圖2 控制方程的交叉耦合關系

Fig.2 Cross-coupling relation of control equations

以上控制瓦斯抽采過程中漏氣模型的偏微分方程，尤其是多組分流動偏微分方程是在時間和空間上的高度非線性方程，采用COMSOL Multiphysics有限元工具去求解其耦合方程組，并在此基礎上以山腳樹煤礦的實際煤層鉆孔為抽采模擬背景進行數(shù)值模擬實驗。為方便研究，以鉆孔豎直方向的一半?yún)^(qū)域為計算區(qū)域(2 m×100 m)，煤層的初始壓力p0=1.42 MPa，AB段為鉆孔封孔深度，長度為8 m，BC段為鉆孔有效抽采段，長度為72 m。根據(jù)受采動影響大小將模型劃分為采動影響區(qū)和非采動影響區(qū)(圖3)。打鉆形成的鉆孔破碎區(qū)范圍取鉆孔半徑的5倍，巷道開挖的影響寬度GF計算見式(4)。

(4)

式中：采高h=3.8 m;巷道開采的垂直深度H=640 m;煤體的內聚力C=100 kPa;煤體的內摩擦角φ=15°;上覆煤巖體的容重γ=22 kN/m3;煤壁前方豎直方向應力集中系數(shù)λ=2.2;煤壁的側壓系數(shù)A=(1-sinφ)/(1+sinφ)=0.295;計算得巷道開挖的影響寬度GF=16 m。

圖3 數(shù)值計算模型

Fig.3 Physical computing model

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

2.2 模型邊界及主要參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結果

2.3.1 不同裂隙特性對瓦斯抽采質量的影響

不同裂隙特性對瓦斯抽采質量的影響如圖4所示，其中，a為初始裂隙間距，b0為采動影響區(qū)的初始裂隙寬度，b1為非采動影響區(qū)的初始裂隙寬度。

圖4(a)模擬的是當模型只有裂隙間距發(fā)生變化時鉆孔瓦斯抽采質量的變化情況。裂隙間距越小，代表著煤體的滲透性越大，抽采負壓相同時抽出的瓦斯純量就越大，然而滲透性越大瓦斯含量和瓦斯壓力衰減的速度就越快。表明當鉆孔裂隙帶存在漏風通道時，增大煤的裂隙密度反而不利于瓦斯抽采。而且由于漏風裂隙的存在，裂隙密度越大，盡管初期瓦斯抽采純流量較高，但會降低瓦斯抽采濃度，縮短瓦斯有效抽采期，說明在只考慮煤體初始裂隙間距變化的情況下，采用二次封孔一體化工藝后，顆粒粉料運動對裂隙度的減小雖然會提高瓦斯抽采濃度和瓦斯有效抽采期,但也會造成抽采純量的下降。

圖4 裂隙特性對瓦斯抽采濃度的影響

Fig.4 Effect of fracture characteristics on gas drainage concentration

圖4(b)模擬的是其他條件不變的情況下改變采動影響區(qū)的裂隙發(fā)育程度時瓦斯抽采情況的變化。由圖4可知,采動影響區(qū)裂隙的寬度越大，預示著煤體采動影響區(qū)的煤體裂隙滲透性越大(外界空氣的主要滲流通道)，鉆孔抽采段BC的漏風流量越大，使得瓦斯抽采純流量越小，鉆孔瓦斯?jié)舛人p的越快，采用二次封孔一體化工藝后，顆粒粉料的運動會直接降低影響區(qū)裂隙發(fā)育程度顯著提高瓦斯抽采濃度、抽采純量及瓦斯抽采期。

2.3.2 漏風裂隙特性對瓦斯抽采濃度的影響

圖5為改變漏風裂隙特性前后，瓦斯抽采濃度對比情況。由圖5可知，改變漏風裂隙特性(裂隙寬度)可以顯著提高瓦斯抽采濃度，且瓦斯抽采濃度的高低與漏風裂隙的隙寬有很大的關系，漏風裂隙寬度越小，漏風通道的滲透性越差，從外界流入鉆孔的空氣越少，瓦斯抽采濃度越高。如當漏風裂隙隙寬b0=8×10-4m和漏風速率N0=2×10-4m/s，瓦斯抽采t=3 715 200 s(43 d)時，瓦斯抽采濃度由100%(t=0 s)衰減至4.8%，此時改變漏風裂隙寬度b0=8×10-6m，瓦斯?jié)舛茸罡咛岣叩?8.3%，在t=3 715 200 s～t=1×107s時間內的平均瓦斯抽采濃度為69.2%，同比原始自然抽采(b0=8×10-6m，N0=2×10-4m/s)的平均瓦斯抽采濃度提高了42倍。

綜上所述，存在大量漏風的情況下，增加煤體滲透性反而會降低抽采質量，而二次封孔一體化技術能通過改變鉆孔孔外漏風裂隙特性，可以顯著提高瓦斯抽采濃度和抽采效果。

圖5 改變漏風裂隙特性對瓦斯抽采濃度的影響

Fig.5 Effect of changing the characteristics of air leakage cracks on gas drainage concentration

3 二次封孔一體化工藝

3.1 二次封孔步驟

二次封孔技術實施步驟為：鉆孔成形→實施一次封孔階段→瓦斯抽采→瓦斯抽采濃度降低→實施二次封孔階段→瓦斯抽采濃度回升。二次封孔技術實施步驟在原二次封孔技術基礎上改進為：鉆孔成形→鉆孔初次密封階段→粉料輸送階段→瓦斯抽采。

二次封孔區(qū)間劃分如圖6所示，從管前端至末端依次為篩管段、緩沖段、封孔段、預留段、堵孔段和接抽段。封孔各管段參數(shù)見表3。二次封孔一體化技術包括以下步驟。

1) 一次封孔。在封孔管封孔段內纏繞紗布，紗布纏繞長度為4～5 m，向紗布澆蓋聚氨酯發(fā)泡材料，然后將封孔管一次性推入鉆孔內。

2) 預留粉料輸送管。往孔內送入2 m長的直徑20 mm的PPR管作為粉料輸送管，粉料輸送管外露300 mm?？卓谟谜河芯郯滨シ饪撞牧系拿藜喢芊猓驴锥伍L0.4 m。20 min后，準備輸送粉料。

圖6 二次封孔示意圖

Fig.6 Schematic diagram of secondary sealing

3) 輸送粉料。待孔口密封段密封牢固后，連接二次封孔設備，調節(jié)粉料輸送風壓至0.2 MPa，通過粉料輸送管向預留段內輸送固相顆粒粉料。待粉料充至預留段體積1/2后，停止輸送并關閉粉料輸送管上的閥門，防止空氣進入預留段。

3.2 封孔粉料配比

依據(jù)顆粒封堵井下鉆孔周邊裂隙的要求，總結不同種類粉料的功能特點，對比各種粉料的取材價格，按照煤礦相關規(guī)程規(guī)定對井下材料使用的要求，選擇合適的顆粒成分，由基料、增黏劑、助流劑、硬化劑和吸水劑組成。 根據(jù)現(xiàn)場試驗及分析確定粉料配比為：基料40%、增黏劑8%、助流劑2%、硬化劑45%、吸水劑5%，混合后粉料顆粒的基本參數(shù)見表4。

3.3 二次封孔一體化設備

根據(jù)二次封孔一體化技術的需要，為保證微細膨脹粉料高效、安全地運輸?shù)姐@孔內，自行研制了改進型二次封孔技術的粉料輸送設備為MK-Ⅲ粉料輸送機(圖7)。該設備的操作流程為：進氣管9與井下壓風管路連通，中間連接進氣口閥門；關閉進氣管氣體出口處的閥門，并打開進氣口閥門，調節(jié)減壓閥4和減壓閥6，將壓力調至0.15～0.2 MPa； 將頂蓋打開，加入適量粉料，蓋上頂蓋并擰緊；打開進氣口閥門，氣流經過流量計15，流量計透明外罩內的浮子會上浮，開始粉料輸送；觀察氣體流量計的變化，若流量計的浮標下沉至底部，則關閉進氣口閥門，并打開卸壓閥門5。

表3 二次封孔區(qū)間劃分參數(shù)表

表4 混合粉料參數(shù)

圖7 MK-Ⅲ粉料輸送機

Fig.7 MK-Ⅲ powder conveyor

4 二次封孔一體化效果

4.1 金佳煤礦瓦斯抽采效果

金佳煤礦試驗地點為1137工作面，工作面傾向長150 m，平均煤厚1.8 m，采用走向長壁后退式一次性采全高綜合機械化采煤方法，頂板管理方法為全部垮落法，采用順層鉆孔抽采工作面瓦斯。鉆孔傾角為22°，間距為4 m，長度不低于80 m。該試驗在運輸平巷施工了15個試驗鉆孔，18個考察對比孔數(shù)，封孔參數(shù)均為：封孔管長23 m，封孔段長4 m，封孔深度20 m。在此條件下單孔平均瓦斯抽采濃度隨抽采天數(shù)的變化對比分析見圖8。

由圖8可知，所有試驗孔的初始抽采濃度在60%左右，所有對比孔的初始抽采濃度在40%左右，試驗孔比對比孔提高了20%，表明試驗孔封孔質量較好。在40 d時試驗孔的瓦斯抽采濃度降至35%，對比孔降至15%左右，說明試驗孔的有效抽采期較長。此外，試驗中將每次測量時試驗孔相比于對比孔高出的瓦斯?jié)舛确Q為瓦斯?jié)舛仍隽?，瓦斯?jié)舛仍隽砍尸F(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，在抽采到25 d時，濃度增量達到最大值為28%，在抽采到8 d時，濃度增量將到最小值為7.4%。試驗孔與對比孔的平均濃度增量為17.2%。

圖8 平均瓦斯抽采濃度對比

Fig.8 Comparison of average gas extraction concentration

由圖9可知，試驗孔有效抽采期遠高于對比孔，對比孔的有效抽采期為18 d，試驗孔的有效抽采期為40 d，試驗孔比對比孔有效抽采期延長了22 d，極大提高了瓦斯抽采效率。

4.2 山腳樹煤礦瓦斯抽采效果

山腳樹煤礦試驗地點為南井21129工作面，工作面傾向長130 m，平均煤厚1.28 m，采用走向長壁后退式一次性采全高綜合機械化采煤方法，頂板管理方法為全部垮落法。采用順層鉆孔抽采工作面瓦斯，鉆孔傾角為8°，間距為3 m，回風巷側長度不低于70 m，運輸巷側長度不低于80 m。封孔參數(shù)為：封孔深度9 m，封孔長度2 m，鉆孔平均瓦斯抽采濃度變化和瓦斯?jié)舛仍隽孔兓鐖D10所示。由圖10可知，山腳樹煤礦試驗孔抽采效果優(yōu)于對比孔，試驗孔平均瓦斯抽采濃度比對比孔高23.3%。由圖11可知，試驗孔的有效抽采期將近50 d，比對比孔多出24 d，說明試驗孔抽采效果較好。

圖9 金佳煤礦瓦斯抽采有效抽采期對比

Fig.9 Contrast of effective extraction period in Jinjia coal mine

圖10 21129工作面平均瓦斯抽采濃度

Fig.10 Average gas extraction concentration of 21129 working face

圖11 山腳樹煤礦瓦斯有效抽采期對比

Fig.11 Contrast of effective extraction period in Shanjiaoshu coal mine

5 結 論

1) 經過現(xiàn)場試驗測得在金佳煤礦采用二次封孔一體化技術的鉆孔平均瓦斯抽采濃度比礦方對比孔高提高17.2%，試驗孔的有效抽采期為40 d，比對比孔延長了約22 d。在山腳樹煤礦抽采濃度平均提高23.3%，試驗孔平均有效抽采期接近50 d，比對比孔多24 d，說明采用固體顆粒二次封孔一體化技術能夠有效地提高瓦斯抽采效果。

2) 在現(xiàn)場操作中，二次封孔一體化技術將兩個階段一次完成，解決了原方法中存在的鉆孔濃度降低快慢不一樣，二次封孔設備在巷道內來回移動，浪費大量勞動力和時間的問題，節(jié)省大量成本。

3) 現(xiàn)場試驗表明固體顆粒二次封孔一體化技術能夠在盤江礦區(qū)松軟煤層條件下取得良好效果，同時也為貴州其他礦區(qū)的瓦斯抽采提供了參考和借鑒。