李 鋒

(河南能源化工集團(tuán)焦煤公司 九里山礦,河南 焦作 454005)

1 前言

煤層瓦斯既是煤礦瓦斯突出的動(dòng)力源之一,也是一種清潔能源。其二者為一體,但其根本區(qū)別在于能否以將較高濃度瓦斯抽采出并加以利用。鉆孔瓦斯抽采是煤礦瓦斯災(zāi)害防治的有效手段之一,也是井下瓦斯利用的主要方法。特別針對(duì)單一低滲煤層,底抽巷+穿層鉆孔抽采煤層瓦斯已經(jīng)在瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重的礦井得到推廣應(yīng)用。但在鉆孔瓦斯抽采過程中,由于地應(yīng)力作用或鉆孔封孔質(zhì)量問題等原因,造成大量鉆孔漏氣,從而使鉆孔抽采出的瓦斯?jié)舛容^低,抽采出的瓦斯無法有效利用,給礦井通風(fēng)造成的一定壓力,而且還污染了大氣環(huán)境[1-3]。針對(duì)這類情況,目前礦井一般采用關(guān)閉鉆孔、透孔封孔等措施[4-6],關(guān)閉鉆孔可以有效提高抽采管路中的瓦斯?jié)舛?但大大減少鉆孔抽采時(shí)間,沒有做到應(yīng)抽盡抽,對(duì)防突工作不利;重新透孔封孔能夠保證鉆孔抽采時(shí)間,但需要投入的人力物力較大,工程費(fèi)用較高。所以亟待研發(fā)一種簡(jiǎn)單可靠的方法提高漏氣鉆孔的瓦斯抽采濃度。

針對(duì)造成鉆孔漏氣的因素,結(jié)合瓦斯的物理化學(xué)性質(zhì),根據(jù)分子浮積運(yùn)動(dòng)和負(fù)壓引流理論提出了一種穿層鉆孔二次封孔提高瓦斯抽采濃度的方法,并在九里山礦16101 底抽巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),漏氣鉆孔瓦斯抽采濃度得到顯著提高。

2 穿層鉆孔提濃技術(shù)原理

2.1 CH4 分子的浮積運(yùn)動(dòng)

底抽巷穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯治理時(shí),瓦斯煤層中滲流進(jìn)入鉆孔中,由于負(fù)壓泵的負(fù)壓引流作用產(chǎn)生下行流動(dòng)進(jìn)入支管中。瓦斯氣體中的主要成分是CH4,根據(jù)CH4的理化性質(zhì),其標(biāo)況下的密度為0.716 kg/m3,標(biāo)況下的空氣密度為1.293 kg/m3。在靜止?fàn)顟B(tài)下,由于重力場(chǎng)作用,CH4與空氣混合氣體中CH4分子受到空氣的浮力作用向上運(yùn)動(dòng)。在非孤立系統(tǒng)中,CH4在空氣中充分靠固有物理屬性做浮升積聚運(yùn)動(dòng),在經(jīng)歷一定高度z 和時(shí)間t 的時(shí)空過程后,形成CH4分子富集層。CH4分子的這種自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使混合氣體永不能達(dá)到均勻狀態(tài)。綜合分子擴(kuò)散理論及CH4和空氣物理性能參數(shù)的固有差異性的理論學(xué)習(xí)研究,揭示和推知CH4分子在非孤立系統(tǒng)中具有永遠(yuǎn)做浮升積聚運(yùn)動(dòng)的物理屬性,簡(jiǎn)稱浮積運(yùn)動(dòng)屬性[7-8],除非受到熱力學(xué)勢(shì)的逆向干擾。

假設(shè)環(huán)境是等溫環(huán)境,根據(jù)FICK 定律和重力場(chǎng)公式[9]:

推導(dǎo)出CH4的濃度分布函數(shù)為

式中,h為高度,m;p為高度h位置的大氣壓,Pa;p0為h=0 時(shí)的大氣壓,Pa;C0為h=0 時(shí)的甲烷濃度,%;G為氣體分子重力,G=mg/(kT);m為氣體平均分子量,kg/mol;k為boltzman 常數(shù),1.38 ×10-23J/K;T為溫度,K。

從式(1)和(2)中可以看出CH4與空氣的混合氣體,在等溫條件下,即熱力學(xué)勢(shì)恒定條件下,處于非孤立系統(tǒng)中的CH4分子的分離原理[10-11]。在重力場(chǎng)作用下CH4分子充分做浮積運(yùn)動(dòng),充分呈現(xiàn)出與空氣相比CH4密度低的固有浮升積聚屬性[12-13]。

2.2 負(fù)壓引流作用

鉆孔漏氣是造成鉆孔瓦斯抽采濃度低一個(gè)關(guān)鍵因素之一,施工鉆孔的巷道受礦山壓力和水平應(yīng)力作用,巖層發(fā)生離層變形,抽采鉆孔遭受拉伸、錯(cuò)斷等,同時(shí)封孔材料受到破壞,甚至將封孔管拉斷,從而在巖層或者巖層和封孔管之間形成漏氣通道[14-17]。鉆孔在負(fù)壓抽采過程中,大量的空氣通過漏氣通道進(jìn)入鉆孔,并通過抽采篩管進(jìn)入封孔管;而煤層中的純瓦斯?jié)B流到篩管上部,由于負(fù)壓引流進(jìn)入封孔管?？諝馀c高濃度瓦斯在封孔管中進(jìn)行混合,在負(fù)壓的引流作用下從封孔管進(jìn)入支管。穿層鉆孔提濃技術(shù)利用32 mm 的抽采管通過50 mm 封孔管直接封到鉆孔底,將負(fù)壓點(diǎn)延伸到鉆孔底,瓦斯浮積處,在高濃度瓦斯和空氣混合前,通過負(fù)壓引流至32 mm 封孔管中進(jìn)入支管。

3 穿層鉆孔提濃技術(shù)及操作步驟

穿層鉆孔提濃技術(shù)主要是針對(duì)底抽巷上向低濃度瓦斯抽采鉆孔,已經(jīng)進(jìn)行過兩堵一注封孔后的鉆孔,抽采一段時(shí)間后,濃度明顯下降時(shí)的一種提高鉆孔抽采濃度的方法。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 穿層鉆孔提濃技術(shù)示意圖

主要操作步驟為:(1)封孔,使用50 mm 封孔管進(jìn)行兩堵一注封孔,具體如圖1(a)所示,封孔長(zhǎng)度為兩堵一注封至煤巖交界面,不超過巖段,巖段使用直徑50 mm 的封孔管,煤段使用直徑50 mm 篩管。(2)抽采,抽采負(fù)壓不低于-13 kPa,抽采管路安裝導(dǎo)流管,每2 d 測(cè)量單孔瓦斯抽采濃度和流量。(3)提濃封孔,濃度下降明顯時(shí),不在使用篩管,直接使用32 mm 的封孔管下到鉆孔的孔底,使用聚氨酯進(jìn)行注漿封孔。(4)連抽,將32 mm 封孔管接到抽采系統(tǒng)上進(jìn)行抽采。由于32 mm 封孔管沒有篩管,所以負(fù)壓可以直接延伸到孔底,即能直接抽采高濃度瓦斯,又可以延長(zhǎng)空氣進(jìn)入封孔管的距離,增加的空氣的摩擦阻力,有效的減少空氣進(jìn)入量,從而實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采濃度提濃的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證穿層鉆孔提濃技術(shù),在九里山礦16101 底抽巷考察三組鉆孔,選取兩個(gè)較為典型的漏氣低濃度瓦斯抽采鉆孔,鉆孔施工參數(shù)見表1。1#鉆孔為7月26日施工,2#鉆孔為7月30日施工,均從8月2日開始監(jiān)測(cè)瓦斯抽采濃度和流量。8月31日試驗(yàn)穿層鉆孔提濃技術(shù),根據(jù)上文所述的步驟進(jìn)行,1#使用32 mm 封孔19.5 m,2#使用16.5 m,32 mm封孔管和50 mm 封孔管中間使用固特捷封孔料進(jìn)行封堵。試驗(yàn)完成后,共監(jiān)測(cè)試驗(yàn)前28 d 和試驗(yàn)后25 d 的抽采數(shù)據(jù)。

表1 鉆孔施工參數(shù)

統(tǒng)計(jì)8月2日至8月31日兩個(gè)試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采情況,并繪制成抽采濃度隨時(shí)間變化圖,具體如圖2所示。從圖中可以看出,8月2日開始連抽,但由于鉆孔沒有進(jìn)行注漿,存在漏氣現(xiàn)象,所以鉆孔濃度較低。8月4日經(jīng)過注漿后鉆孔濃度迅速增加,然后隨著抽采時(shí)間的增加,鉆孔的抽采濃度迅速降低,當(dāng)濃度下降到5%時(shí),基本穩(wěn)定,統(tǒng)計(jì)1#鉆孔10 d 平均抽采濃度為5.1%;2#鉆孔10 d 平均抽采濃度僅為4.9%。分析其原因:(1)采動(dòng)應(yīng)力、地應(yīng)力作用下,封孔材料遭到破壞或巖層產(chǎn)生裂隙,形成漏氣通道。(2)煤段為篩管段,負(fù)壓不能延伸到孔底,大量空氣通過漏氣通道進(jìn)入篩管中,從而降低瓦斯抽采濃度。

圖2 鉆孔抽采濃度變化圖

8月31日進(jìn)行試驗(yàn)低濃度鉆孔二次封孔提濃技術(shù),統(tǒng)計(jì)了9月1日至9月26日26 天的鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況,并繪制試驗(yàn)前后的鉆孔抽采濃度對(duì)比圖,具體如圖3所示。

從圖3中可以明顯看出,試驗(yàn)后兩個(gè)鉆孔的抽采濃度有明顯提高,試驗(yàn)后1#鉆孔的瓦斯抽采濃度提高至11%,是試驗(yàn)前的2.39 倍,26 天的鉆孔平均抽采濃度為9.8%,是試驗(yàn)前的2.01 倍;2#鉆孔的瓦斯抽采濃度提高至10.2,是試驗(yàn)前的2.17 倍,26 d的平均抽采濃度為11%,是試驗(yàn)前的2.24 倍。

圖3 試驗(yàn)前后鉆孔抽采濃度對(duì)比圖

為研究低濃鉆孔提濃技術(shù)的抽采效果,繪制了抽采混合流量,具體如圖4所示。1#鉆孔混量比較大,波動(dòng)明顯,前期主要在0.12～0.29 m3/min 波動(dòng)。使用二次封孔提濃技術(shù)以后,鉆孔抽采混量明顯下降,在0.11～0.14 m3/min。分析其原因?yàn)樵囼?yàn)前抽采管徑為50 mm,試驗(yàn)后抽采管徑為32 mm,管徑變小,造成抽采混量降低。2#鉆孔混量較小,波動(dòng)不是很明顯,試驗(yàn)前流量低于0.05 m3/min,試驗(yàn)后混量逐步上升。分析其原因?yàn)榍捌诔椴苫炝康陀锌赡苁浅椴晒苈酚卸氯闆r,在試驗(yàn)提濃技術(shù)時(shí)32 mm 的封孔管進(jìn)行透孔,將堵塞段疏通,從而使抽采混量增大。

圖4 抽采混合流量隨抽采時(shí)間變化圖

為進(jìn)一步研究試驗(yàn)前后抽采純量隨抽采時(shí)間變化規(guī)律,繪制圖5抽采純量隨抽采時(shí)間的變化圖。1#鉆孔前期抽采純量隨抽采時(shí)間緩慢降低,試驗(yàn)后抽采純量較明顯的提高,試驗(yàn)后抽采純量較試驗(yàn)前提高2.5 倍;2#鉆孔前期抽采純量較低,試驗(yàn)后由于鉆孔經(jīng)過疏通,抽采混量增大,抽采濃度也有所提高,所以抽采純量有顯著提高,試驗(yàn)后抽采純量較試驗(yàn)前提高3.1 倍。分析1#鉆孔抽采純量明顯大于2#鉆孔原因,1#鉆孔煤段長(zhǎng)度7.3 m,2#鉆孔煤段長(zhǎng)度5.5 m,1#煤段長(zhǎng)度是2#鉆孔的1.4 倍,所以1#鉆孔的抽采混量和純量均明顯大于2#鉆孔。

圖5 抽采純量隨抽采時(shí)間的變化圖

5 結(jié)論

(1)考察了底抽巷穿層鉆孔瓦斯抽采濃度變化規(guī)律,并分析穿層鉆孔不同階段的瓦斯抽采濃度、混量和純量的變化,并分析了抽采后期濃度降低的原因。

(2)針對(duì)底抽巷穿層瓦斯抽采濃度較低的鉆孔,提出了一種提高鉆孔抽采濃度的方法。并從CH4分子的浮積運(yùn)動(dòng)和負(fù)壓引流作用的角度對(duì)低濃鉆孔二次封孔提濃技術(shù)原理進(jìn)行分析。

(3)在九里山礦16101 底抽巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),試驗(yàn)表明:低濃鉆孔二次封孔提濃技術(shù)可以提高漏氣鉆孔抽采濃度,試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采濃度提高了2.01 倍以上;試驗(yàn)后抽采混量略微下降;抽采純量有較明顯的提高。

(4)由于試驗(yàn)條件的局限性,在試驗(yàn)低濃鉆孔二次封孔提濃技術(shù)時(shí),沒有考慮負(fù)壓對(duì)鉆孔抽采濃度的影響,也是鉆孔抽采濃度提高不明顯的主要原因之一。