水力冲孔钻孔合理抽采时间研究

2018-04-25陶云奇

中国煤炭 2018年3期

李锋马耕陶云奇

(河南能源化工集团研究总院有限公司，河南省郑州市，450046)

目前，水力冲孔卸压增透技术已经得到了较为广泛的应用，并取得了明显的区域性消突效果。水力冲孔对煤层卸压增透的作用主要体现在：水力冲孔利用高压水射流冲出大量煤与瓦斯，释放煤体的突出潜能和瓦斯内能；冲孔过程中，高压水湿润煤体，增加了煤的流变性，降低了煤体内部的应力集中，进一步消除其突出危险性；高压水进入煤体裂隙，促进煤层裂隙的扩张和发育，增加了煤层的透气性，使得水力冲孔的瓦斯抽采半径要比一般的钻孔大得多，从而增加了瓦斯抽采量，增大了煤层中卸压增透的范围。

在水力冲孔卸压增透技术中，瓦斯抽采是水力冲孔卸压增透的目的。国内外学者针对水力冲孔的孔洞、水力冲孔卸压半径、水力冲孔后瓦斯排放的机理进行了深入研究，但针对水力冲孔后的合理抽采时间研究相对较少，因此，深入研究水力冲孔后瓦斯抽采时间对钻孔设计施工以及煤矿巷道工程部署有着十分重要的意义。

本文通过在中马村矿现场试验考察水力冲孔不同时期的瓦斯抽采情况，综合理论分析和现场数据，并结合数值分析研究水力冲孔后的最佳瓦斯抽采时间，为进一步推广水力冲孔技术提供参考。

1 水力冲孔钻孔合理抽采时间

通过分析水力冲孔后钻孔瓦斯抽采情况，建立水力冲孔钻孔瓦斯累计抽采量和抽采时间的模型关系，推导出水力冲孔后抽采半径随抽采时间变化的方程，然后通过考察水力冲孔后不同抽采时间段的钻孔瓦斯抽采量，拟合计算出不同出煤量的累计抽采量和抽采半径随抽采时间的方程，推算出不同时间段钻孔的累计抽采量和有效抽采半径，从而确定合理的抽采时间。

1.1 累计抽采量与抽采时间的关系

为了建立水力冲孔后钻孔抽采量与抽采时间的数学模型，假定水力冲孔后煤层原始瓦斯压力在钻孔周围均匀分布，且钻孔周围瓦斯流动服从径向流动规律，瓦斯在煤层中的流动符合菲克扩散定律，在大孔和裂隙中的流动符合达西渗透定律。因此，钻孔周围的瓦斯径向流动是以菲克扩散定律和达西渗透定律为基础导出的联立方程，在渗流力学中，经过坐标变换，可以得到瓦斯一维径向流动的非稳定渗流微分方程：

(1)

式中：P——煤层中气体压力，MPa；

λ——煤层透气性系数，m2/(Pa2·s)；

r——径向流场的半径，m；

r1——钻孔半径，m；

r2——抽采半径，m；

P1——钻孔内瓦斯压力，MPa；

t——抽采时间，d；

P0——初始瓦斯压力，MPa。

采用数值计算求得近似解，并经实际数据统计分析，钻孔瓦斯抽采量与时间的关系近似符合以e为底的指数函数规律。实际应用中，任意时刻每米钻孔瓦斯抽采量Q与时间t的关系：

Q=Q0e-at

(2)

式中：Q——任意时刻钻孔瓦斯抽采量，m3/d；

Q0——钻孔初始瓦斯抽采量，m3/d；

a——钻孔瓦斯流量衰减系数。

将式(2)进行积分可以得到钻孔瓦斯累计抽采量Qt与时间的关系：

(3)

1.2 抽采半径与抽采时间的关系

根据质量守恒定律，可以将式(3)转化为：

(4)

式中：M——煤层原始瓦斯含量，m3/t；

η——煤层瓦斯抽采率，%；

ρ——煤体密度，t/m3;

L——钻孔煤段长度，m。

将式(4)积分可以得出：

(5)

由于钻孔半径与抽采半径相比很小，即略去二阶无穷小，将式(5)简化为：

(6)

1.3 合理抽采时间的确定

通过拟合式(3)和式(6)分析计算出不同出煤量的累计抽采量和抽采半径随时间变化曲线，推导出不同时间的累计抽采量和抽采半径，根据累计抽采量和抽采半径的增量，分析合理的抽采时间。

2 水力冲孔钻孔合理抽采时间现场试验

本次水力冲孔钻孔合理抽采时间试验选择在中马村矿27001底抽巷进行。27001工作面标高-128～-90 m，主采二1煤层，煤层厚度1.3～6.3 m，平均煤层厚度4 m，煤层倾角12°。煤层瓦斯含量13.26～36.65 m3/t，瓦斯压力1.2 MPa，坚固性系数0.3～0.8，煤层透气性系数1.09 m2/(MPa2·d)。

27001底抽巷距二1煤层17 m。试验地点共布置3个试验钻场，钻场平行布置，钻孔垂直巷道施工，每个试验钻场布置5个钻孔，共15个试验钻孔，钻孔设计如图1所示。

图1 水力冲孔钻孔设计图

钻孔采用ø96 mm钻头施工，钻孔穿过煤层1 m 终孔，退钻杆进行水力冲孔，钻孔返清水后，再次退钻杆，直至进入岩石段，冲孔出煤收集到沉淀池中，进行装袋测量体积计量。钻孔冲孔完毕后，进行封孔，抽采管路安装导流管，前15 d内每天8点班和4点班监测记录每个钻孔瓦斯流量和浓度，15 d后每天8点班监测记录每个瓦斯流量和浓度。

3 现场数据

本文选取1#试验钻场作为研究对象，1#试验钻场钻孔参数及水力冲孔出煤量见表1所示。

表1 钻孔实钻参数

水力冲孔钻孔施工完毕后，单孔安装导流管，并使用光力科技CJZ4Z综合参数测定仪监测单孔瓦斯浓度和流量，并绘制出1#试验钻场5个钻孔累计瓦斯抽采量变化曲线，如图2所示。由图2可以看出，累计瓦斯抽采量随抽采时间的增加持续增加，符合指数函数关系，累计抽采量存在极大值。

图2 实测累计瓦斯抽采量变化取样

根据实测瓦斯抽采量，拟合式(3)和式(6)，可以推导出每个钻孔瓦斯抽采量和抽采半径关于抽采的方程式，推算出单个钻孔不同抽采时间段的累计瓦斯抽采量和抽采半径，从而分析确定水力冲孔后的钻孔合理抽采时间。具体计算步骤以2#钻孔为例，钻孔瓦斯累计抽采量和时间的拟合方程为：

Q=1440×0.1043e-0.039t

(7)

根据抽采量指数曲线方程(7)推导出2#钻孔瓦斯抽采总量为：

(8)

根据方程(8)可以推算出2#钻孔抽采30 d、60 d、90 d、180 d、270 d、360 d的瓦斯抽采总量，见表2。

以30 d为例，将抽采总量2655 m3带入式(6)中，根据现场实测出的参数，L=5 m，ρ=1.4 t/m3，π=3.14，M=18 m3/t，η=66.7%代入相关公式中，得出30 d抽采半径为2.54 m。依次计算出2#钻孔60 d、90 d、180 d、270 d、360 d抽采半径，见表2。

表2 2#钻孔不同抽采时期的抽采半径

分别将1#、3#、4#、5#钻孔的瓦斯抽采数据进行处理，计算出30 d、60 d、90 d、180 d、270 d、360 d的累计瓦斯抽采量和抽采半径，并绘制出累计瓦斯抽采量和抽采半径随抽采时间的变化曲线，如图3和图4所示。由图3可知，水力冲孔后钻孔抽采前90 d，累计瓦斯抽采量随抽采时间的增加呈指数函数增加；90 d后累计瓦斯抽采量基本稳定，不再增加。这表明抽采时间达到90 d后，水力冲孔后钻孔控制范围内的可解吸瓦斯基本运移到钻孔内被抽出，所以90 d后随着抽采时间的增加，累计瓦斯抽采量增加量有限。由图4可知，水力冲孔后钻孔抽采前90 d，抽采半径随抽采时间的持续而增大；90 d后抽采半径基本稳定，不再增大。这表明抽采半径不会随抽采时间增加而无限制的增大，当水力冲孔后钻孔控制范围内的瓦斯产出后，钻孔抽采半径基本达到极限。