煤层钻孔瓦斯抽采与注水降尘一体化应用

韦善阳，董利辉，郭鹏飞，康怀宇

(1.矿井灾害防治重点实验室，河北 三河 065201；2.华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 065201；

3．中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；4.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025)



煤层钻孔瓦斯抽采与注水降尘一体化应用

韦善阳1，2，董利辉3，郭鹏飞4，康怀宇1，2

(1.矿井灾害防治重点实验室，河北 三河 065201；2.华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 065201；

3．中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；4.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025)

本文应用理论分析、数值模拟和现场试验的方法研究煤层钻孔瓦斯抽采与注水降尘一体化效应，得出在煤层瓦斯压力为0.63MPa，工作面孔隙率0.069，煤层渗透率为1.5×10-3μm2，在钻孔直径95mm，抽采负压为13kPa时，80m深的瓦斯抽采钻孔有效影响半径为3m，对相同钻孔进行注水降尘48小时后，注水湿润半径为6m。从实际的注水降尘效果可以看出，不同工序下的降尘率均超过了56%，降尘效果明显，实现钻孔“一孔两用”的目标。

瓦斯抽采；煤层注水；一体化应用

瓦斯和粉尘是制约煤矿安全高效生产的重要因素，而国内外对如何有效的将两种防治技术结合的研究不够系统，对瓦斯抽采参数和注水降尘参数之间关系研究相对较少[1]。但形成基本共识是瓦斯抽采过程中瓦斯通过孔隙、裂隙流出煤层，而煤层注水也是通过水渗入到煤体细微孔隙、裂隙达到湿润煤体，二者具有相通性[2-4]。利用瓦斯抽放孔对煤层进行注水，既不影响瓦斯抽放，又利用了原有的钻孔进行煤层注水，不需要重新打孔，省时省力，提高经济效益，具有可行性。因此，本文致力于解决煤矿生产实际遇到的煤层注水和瓦斯抽采钻孔难于合理高效综合应用的问题，探讨“一孔两用”处理煤矿瓦斯抽采和综合防尘的关键理论和技术。

1　钻孔瓦斯抽采与煤层注水原理

钻孔瓦斯抽采与注水的原理示意图见图1。针对多孔介质的煤体而言，钻孔瓦斯抽采与钻孔瓦斯注水可以看作是两个逆向的过程，瓦斯抽采为煤层内的瓦斯在钻孔负压作用下从煤体向钻孔运移的过程，而煤层注水为水体通过注水压力从钻孔向煤体深处运移的过程。其中瓦斯抽采过程中，钻孔内为低压区，而煤层注水过程中，钻孔内为高压区。

图1　煤层钻孔瓦斯抽采与钻孔注水原理

尽管两者在与煤体的作用机制上存在一定差别，煤体与瓦斯存在吸附解吸的过程，而水与煤体也存在润湿与接触的作用过程，但两者同作为流体介质在煤层内的运移规律具有一定相似性。依据渗流理论，在忽略介质与煤体的相互作用过程的条件下，通常认为瓦斯与水在煤体内的运移均满足达西渗流模型，见下式。

式中：μ为瓦斯、水的动力粘度系数，Pa·s；dx为和流动方向一致的极小长度，m；v为介质流速，m/s；dp为在dx长度内的压差，Pa；K为煤层渗透率，m2；λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)。

对于瓦斯介质而言，需要在原始渗流模型中添加瓦斯含量、瓦斯压力等因素，同时也应考虑渗透率随瓦斯抽采的变化过程。而对于水介质而言，则需要在原始渗流模型中考虑煤体对水的润湿状况，水的表面张力等因素。而两者在边界条件上的参数类型相同，但数值上却相反。因此，在实际计算中，通常可以采用相同的解算模型，通过计算机方便的进行计算。

2　瓦斯抽采影响半径与注水湿润半径模拟分析

实际矿井1214工作面走向可采长度1392m，倾斜长度为200m，现场实测煤层最大瓦斯压力为0.63MPa，工作面孔隙率0.069，煤层渗透率为1.5×10-3μm2，在钻孔直径95mm，抽采负压为13kPa时现场试验得出80m深的瓦斯抽采钻孔影响半径为3m。为确定钻孔湿润半径，通过实际钻孔影响半径和模拟半径之间的误差分析后，进行湿润半径的模拟分析从而从理论上得出湿润半径值[5-7]。

2.1瓦斯抽采理论影响半径与实际半径比较分析

首先在进行数值模拟时假定煤层为各向异性的多孔介质，瓦斯在煤层内的运移属于渗流，其规律符合达西定律，物理模型也简化为达西渗流模型。

在应用Fluent进行模拟时应用到其内含的多孔介质模型，通过对流场区域添加用于表征多孔介质性质的阻力参数来实现对流体在多孔介质中的流动过程的模拟。而且需要对相关条件进行优化处理：①煤层瓦斯含量、瓦斯压力、煤层渗透率、孔隙率恒常化；②瓦斯气体为不可压缩理想气体且解析过程稳定不变[8-9]。

其次进行参数设定，具体参数值见表1。将表1参数代入fluent多孔介质模型中，利用计算机求解煤层钻孔周边瓦斯压力的分布状态，从而确定理论有效抽采半径。其中，钻孔轴线方向上的瓦斯压力模拟结果见图2。

表1　抽采半径模型的主要参数

图2　抽采稳定后瓦斯压力分布曲线

依据瓦斯抽采影响半径要求，在P为0.9倍的原始瓦斯压力时，可认定孔间距为影响半径，由图可得x=2.98m，由此，理论抽采半径为2.98m。模拟值与实际值误差为0.67%，误差较小，模拟正确。

2.2基于瓦斯抽采半径模拟的基础参数，进行注水湿润半径研究[10]

首先还是假设煤层为多孔介质，水在煤层中的流动也属于渗流，其流动规律也符合达西定律，因此煤层注水向瓦斯抽采一样，基本动力均为钻孔压力与瓦斯压力之间的压力差，也即压头。通常，渗流问题的数学模拟都是通过求解渗透压头的拉普拉斯方程来进行计算求解，而为了利用fluent软件强大的计算能力及其前后处理功能，我们通过在一般流体力学控制方程的基础上增加渗流阻力系数的方法，以源项的形式加入到fluent软件的求解器中，实现对水渗流的数值模拟，并采用求解自由面的VOF多相流法对水在煤层中浸润面扩展的计算模拟。假设前提：①煤层均质，且各向渗透率相同；②瓦斯、水均为不可压缩流体；③不考虑煤层瓦斯对水渗流的阻滞效应。

其次进行参数设置，具体值见表2。

利用相同的模型，将表2参数代入fluent求解器中，得出煤层有效润湿边界随时间的变换关系，见图3。从图3可以清楚地看出，随着注水时间的延长，水流通过钻孔逐渐向四周煤层内渗流，当注水时间到48h时，钻孔的径向的润湿半径已经超过6m，忽略注水时效问题，这样的注水效果已经可以满足矿井实际。图3展示了钻孔径向轴线上润湿边界的随时间的运移过程，由于模型未考虑煤层所占体积比，因此，图中的含水率我们可以看成是煤层内水分的饱和程度，饱和度为1，则表示该处的煤已经完全被水分浸润，无法再吸收水分了。达到5%即为满足要求，因此得出5%注水湿润半径为6m。

表2　湿润半径模型的主要参数

图3　不同时刻钻孔径向轴线1上水分含量分布曲线

3　1214工作面注水试验及其注水效果

依据瓦斯抽采钻孔影响半径3m和模拟的煤层注水湿润半径6m，进行工作面的瓦斯抽采和注水

一体化优化设计。工作面高4m，可采长度1392m，埋深520m。以回采工作面20m处作为起始位置，每隔一个抽采孔进行煤层注水。具体布孔方式见图4、图5。

图4　工作面顺槽注水孔布置示意图

图5　注水孔平、剖面示意图

据实际情况，煤层注水信息如下：①均孔注水量为134t；②单孔总注水时间为48h；③同时注水孔数为2个；④注水孔间距为12m；⑤ 注水孔长度为80m；⑥封孔深度为10m；⑦单孔注水流量为2t/h；⑧注水压力为5MPa。

煤层实际注水量与封孔深度、注水压力、注水流量、煤层的孔隙率及瓦斯参数等有关，在注水工作开展过程中根据实际情况进行调整[11-12]；注水时间与现场实际情况关系密切，若注水容易，则注水量大，注水时间短，因此实际注水时间根据现场实际情况作调整。注水时间以煤壁出水或者相邻不注水孔出水时为准。

通过煤层注水后工作面煤尘下降明显，不同工序时的降尘效果见表3。由表3数据可以看出，经过煤层注水后，工作面产尘量大幅度下降，产尘地点降尘率提高比较明显，尤其是在割煤过程，总粉尘浓度降低率达65%以上，效果明显，能极大的降低工作面的产尘量，对保护员工身体健康非常有利。加之完善其他防尘、降尘措施，加强了监督检查，达到了工作面预期的防尘降尘目的。

表3　生产工序与降尘效果

4　抽采与注水一体化效益分析

采煤工作面进行煤层注水后，粉尘浓度大幅度降低，劳动条件改善，表现在以下4方面。

1)降低了工作面浮游煤尘浓度。在进行煤层水降尘的工作面，一般都取得较好的降尘效果，降尘率在60%左右。随着工作面浮尘的大幅度下降，井巷系统的沉积煤尘也相应减少，冲洗和清扫工作量减轻，全矿井煤尘管理局面将得到根本改善。

2)有效利用瓦斯抽采钻孔进行煤层注水具有可观的经济效益。一方面，通过瓦斯抽采钻孔的回收再利用，可节省大量注水打钻所需费用，另一方面瓦斯抽采可增大煤层透气性，从而降低注水阻力，节约注水动力资金。

3)顺层钻孔瓦斯抽采完成后，对煤层注水具有良好的促进作用。通过数值模拟与理论研究可知瓦斯抽采可以增大煤层渗透性，从而扩大注水影响半径，提高煤层湿润速度，增强注水效果。

4)通过理论分析和数值模拟结果可知瓦斯抽采越容易的煤层，利用其抽采钻孔进行煤层注水效果就越理想。

总之，对于必须进行瓦斯抽采的矿井而言，有效利用瓦斯抽采钻孔进行煤层注水，无论在经济效益还是安全生产方面均有着十分显著的提高作用。

5　结论及展望

本文通过数值解算，确定了钻孔瓦斯抽采的理论有效半径约为2.98m，而利用瓦斯抽采钻孔进行煤层注水48h后的有效影响半径约为6m，进而设计

实际注水钻孔间距为12m。从实际的注水降尘效果可以看出，不同工序下的降尘率均超过了56%，降尘效果明显，也即该设计基本实现了有效的降尘效果。

虽然“一孔两用”中的一抽一注关键理论还需要完善，其推广应用还需要因矿适宜，具体分析，但其应用对于煤矿瓦斯和煤尘灾害的防治具有深远的意义。

[1]王锦山，王力，孟德光.煤层中水-气两相流体渗透性影响因素分析[J].矿业研究与开发，2006，26(2)：41-43.

[2]秦文贵，张延松.煤孔隙分布与煤层注水增量的关系[J].煤炭学报，2000，25(5)：514-517.

[3]常健.恒源公司采煤工作面短钻孔注水技术实践[J].煤矿安全，2007(6)：14-15.

[4]宋维源，李大广，章梦涛.煤层注水的水气驱替理论研究[J].中国地质灾害与防治学报，2006(6)：147-150.

[5]海国治，秦书玉，李宗翔.煤层注水湿润分布状态的数值模拟[J].煤炭学报，1997，22(5)：519-522.

[6]杨相玉，杨胜强，路培超.顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的理论计算与现场应用[J].煤矿安全，2013(3)：5-8.

[7]李宗翔，秦书玉，孙广义.煤层注水渗透特征的参数反演[J].辽宁工程技术大学学报，2003，22(6)：728-731.

[8]韦善阳，陈学习，董利辉.顺层钻孔抽采煤层瓦斯有效影响半径数值模拟及应用[J].中国矿业，2015，24(8)：101-104.

[9]韦善阳，陈学习，王磊.瓦斯压力对超前钻孔有效排放半径影响数值模拟研究[J].煤炭技术，2015，34(4)：137-139.

[10]王勇，孔令伟，郭爱国，等.气体释放速率对浅层气藏中气水运移的影响[J].浙江大学学报(工学版)，2010，44(10)：1883-1889.

[11]孟筠青，聂百胜.瓦斯抽采对煤层注水效果的影响初探[J].矿冶研究与开发，2009，29(6)：82-84.

[12]李宗翔，许端平，贾进章.大型化综放开采煤层注水方案及参数确定[J].中国地质灾害与防治学报，2003，14(1)：107-110.

[13]李向东，刘建喜.煤层浅孔注水防突有效影响半径的测定[J].煤炭科学技术，2012，40(1)：54-56.

[14]张设计，祁瑞清，刘佩，等.煤层注水试验及效果分析[J].矿业安全与环保，2006(s1)：1-3.

The integration application of gas drainage and water injection in coal seam drilling

WEI Shan-yang1，2，DONG Li-hui3，GUO Peng-fei4，KANG Huai-yu1，2

(1.Key Lab of Mine Disaster Prevention and Control，Sanhe 065201，China； 2.School of Safety & Engineering，North China Institute of Science & Technology，Sanhe 065201，China； 3.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083， China；4.Mining College，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

This paper researched the integration application effects of gas drainage and water injection in coal seam drilling by using theory analysis，numerical simulation and field test.It concluded that the effective influencing radius of 80 meters depth drilling was 3 meters on the condition of 0.63 MPa of gas pressure，0.069 porosity of coal seam，1.5×10-3μm2of permeability of coal seam，95mm of drilling diameter and 13kPa of extraction pressure.The water injection wetting radius became 6m when injected water into the same drilling 48 hours.As can be seen from the actual effect，dust fall rate were more than 56% at different work stages and achieved the aim of “double efficacies of one drilling”.

gas drainage；water injection；integration application

2015-12-21

中央高校基本科研业务基金项目资助(编号：3142014012)；河北省矿井灾害防治重点实验室开放基金项目资助(编号：KJZH2013K08)

韦善阳(1983-)，男，广西河池人，博士，任职于华北科技学院，主要从煤矿事灾害监测预警技术及煤岩动力灾害研究。E-mail：weishanyang@126.com。

TD712+.6

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1004-4051(2016)10-0114-04