基于负压测试的新田煤矿瓦斯抽采技术优化研究

陈 鹏,彭是阳,陈西华,高圆圆

(1. 华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201;2. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地,河南 焦作 454000;3. 中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院,北京 100083;4. 贵州豫能投资有限公司,贵州 贵阳 550000;5. 永贵能源开发有限责任公司新田煤矿,贵州 毕节 551799)

0 引言

我国是煤炭生产大国,高强度的开采和复杂的开采条件使得我国煤炭行业一直是安全生产重点领域,而瓦斯事故最为严重。在我国煤矿事故中,瓦斯事故发生次数占所有事故总次数的40%以上[1]。瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的根本措施。早在20世纪50年代开始,瓦斯抽采就被作为治理高瓦斯矿井和突出矿井瓦斯灾害事故的重要措施之一。《防治煤与瓦斯突出细则》中已经明确了瓦斯防突工作必须先采取区域防突措施,后采取局部防突措施作为补充,二者共同治理瓦斯的原则,达到“先抽后掘、先抽后建、先抽后采、预抽达标”的四个要求。突出煤层必须采取两个“四位一体”的综合防突措施,做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标。区域防突措施分为开采上下保护层以及预抽煤层瓦斯两类,具备开采条件的突出危险区,必须开采保护层。对于无法开采保护层的矿井,预抽煤层瓦斯是必须采取的防突措施[2-5]。

目前煤层瓦斯抽采钻孔的布置方式一共有两种,包括穿层钻孔抽采和顺层钻孔抽采[6]。但都存在一些问题,例如抽采效果不尽如人意,抽采流量小,抽采浓度达不到使用标准,防治瓦斯突出效果一般等。导致抽采效果不好的原因有很多,例如煤层透气性系数较低,瓦斯在煤层中运移所受阻力大,难以从煤层中进入抽采钻孔[7];抽采钻孔的封孔质量差,钻孔与外界环境形成短路或者煤层中存在抽采盲区;钻孔施工质量不高,钻孔没有冲孔导致孔内有大量煤屑、钻孔施工长度不到位、钻孔在施工过程中发生位移、抽采负压不合适,矿井瓦斯抽采系统无法提供抽采所需要的负压或者盲目增大抽采负压形成短路[8]。其中抽采负压是直接影响抽采效果的重要因素,孔口抽采负压不会全部传递到钻孔底部,而是随着钻孔长度增加逐渐减少,孔壁摩擦阻力以及其他阻力造成了这一现象的发生。抽采负压对抽采效果有重要影响,压力损失不容忽视。因此,掌握抽采负压沿孔长的变化规律,分析影响抽采负压的因素有助于指导顺层瓦斯抽采钻孔的设计,有关参数的确定以及技术应用。在煤矿现有的技术条件下,改进相关抽采工艺参数,为提升矿井抽采效果,提高抽采质量提供参考。

郭鑫[9]使用数值模拟软件得出持续增加抽采负压对于瓦斯抽采效果并不能起到增强作用,对抽采钻孔周围的瓦斯压力不会产生明显的扰动,而负压值过大的话会在钻孔密封段形成漏风区域进而降低瓦斯抽采的效率。而在现实实验中显示一定的负压条件下,抽采的瓦斯浓度和流量较高,增大负压会短时间提高抽采浓度和流量但随着时间推移而降低。王凯[10,11]基于流体力学、流量守恒方程加以边界条件,通过解微分方程得到钻孔内负压分布计算方式,得出钻孔内瓦斯气体流量越大、钻孔长度越长、孔径越小则抽采负压损失的就越大,反之亦然。张学博[12]搭建实验平台,模拟现场条件发现抽采负压沿孔长呈线性分布,孔内负压损失较小,钻孔内不同位置的抽采负压较为接近,抽采流量亦与孔长呈线性分布,且孔口抽采负压越大,钻孔内负压损失就越大,但孔底负压与孔口负压相差仍然较小。国外学者[13-15]研究了抽采负压在抽采钻孔失稳坍塌的影响下,在钻孔内的分布情况。徐超[16-17]等研究表明在钻孔完整不变形的前提下,钻孔内抽采负压损失很小,而孔口附近塌孔相对于孔底塌孔对抽采效果的影响较大,而钻孔堵孔的影响更为严重,钻孔失稳坍塌对抽采负压分布影响明显。焦荣坤[18]使用现场条件作为模拟物理参数,模拟表明孔内抽采压力随着与孔口的距离的增加而逐渐减小,但整体的负压损失量较小,孔内抽采压力损失随着时间的延长也逐渐减小。

上述学者对抽采负压、抽采时间以及封孔长度等对于抽采效果影响做出定性分析,为提高瓦斯抽采效果提供方向,但对于抽采负压在孔内具体的变化规律并没有太多研究,没有研究抽采钻孔本身参数对抽采效果的影响,多数实验难以真正模拟真实情况或者只进行数值模拟,没有对现场实际情况去进行验证,没有确定的模型去指导实践。现场试验工作量较小,没有大量现场数据以避免少量数据的特殊性。

本文以贵州新田煤矿现有抽采条件为基础,研究瓦斯抽采孔内负压的变化规律,利用COMSOL仿真软件模拟不同条件下瓦斯抽采效果并进行现场测试验证,提出改进意见,优化抽采工艺,提升抽采效果。

1 模型建立

根据现场情况建立几何模型,钻孔长度120m,封孔段没有瓦斯流入钻孔,钻孔在煤层中钻进时没有发生偏移,原始煤层瓦斯压力0.9MPa,温度为293K。模型边界设置为无流量流动边界。模拟所用的参数汇总见表1。

表1 煤层参数表

1.1 孔口负压对抽采负压分布规律的影响

(1) 为了与现场试验相结合,设置孔口负压为17.2kPa,封孔长度16m,钻孔直径113mm条件下,模拟抽采时间为10d、30d的抽采效果图,如图1所示。

图1 孔口负压为17.2kPa,不同抽采时间瓦斯压力云图、瓦斯压力等值线图

(2) 设置孔口负压为28.4kPa,封孔长度16m,钻孔直径113mm条件下,模拟抽采时间为10d、30d的抽采效果图,如图2所示。

图2 孔口负压为28.4kPa,不同抽采时间瓦斯压力云图、瓦斯压力等值线图

由图1、图2的模拟结果中可知:

① 在抽采天数相同时,孔口负压越大,在煤体中的影响范围就越大;

② 随着抽采时间的增长,负压在煤体中的影响范围会变大,说明其具有时效性。但范围不会一直增大,增大到一定值时,即使增大孔口负压,影响范围不会出现较大变化,趋于稳定;

③ 在钻孔的封孔处以及孔底处,瓦斯压力等值线呈现“U”型分布,说明在这两处的瓦斯抽采效果不好,表现出明显的不均衡性。

1.2 钻孔直径对抽采负压分布规律的影响

(1) 设置孔口负压为28.4kPa,封孔长度16m,钻孔直径94mm条件下,模拟抽采时间为10d、30d的抽采效果图,如图3所示。

图3 钻孔直径为94mm,不同抽采时间瓦斯压力云图、瓦斯压力等值线图

(2) 设置孔口负压为28.4kPa,封孔长度16m,钻孔直径113mm条件下,模拟抽采时间为10d、30d的抽采效果图,如图4所示。

图4 钻孔直径为113mm,不同抽采时间瓦斯压力云图、瓦斯压力等值线图

由图3、图4的模拟结果可知:

① 抽采影响范围会随着时间的增加而增大,直至到某个边界,增大抽采钻孔直径对抽采范围的影响不会有较大的改变。

② 增大钻孔的抽采直径对抽采效果的影响较小,但增大直径确实会加强抽采效果。

1.3 封孔长度对抽采负压分布规律的影响

(1) 设置孔口负压为28.4kPa,封孔长度10m,钻孔直径113mm条件下,模拟抽采时间为10d、30d的抽采效果图,如图5所示。

图5 封孔长度为10m,不同抽采时间瓦斯压力云图、瓦斯压力等值线图

(2) 设置孔口负压为28.4kPa,封孔长度22m,钻孔直径113mm条件下,模拟抽采时间为10d、30d的抽采效果图,如图6所示。

图6 封孔长度为22m,不同抽采时间瓦斯压力云图、瓦斯压力等值线图

由图5、图6的模拟结果可知:

① 抽采影响范围会随着时间的增加而增大,增大钻孔的封孔长度可以使得抽采负压在钻孔中传递的距离更远,从而影响更深处的抽采效果。

② 封孔长度不仅会影响抽采效果,还与抽采是否有漏气以及抽采盲区存在关联,由图可知,如果封孔长度过短,钻孔会与外界连通,导致钻孔短路,产生漏气现象。封孔长度过长,则对封孔段煤体中的瓦斯难以抽采,在封孔段抽采不均衡的前提下,封孔段的瓦斯抽采难以达标。

本节构建物理模型,对不同条件下抽采负压的分布规律利用COMSOL数值模拟软件进行模拟,发现抽采效果具有时效性,即抽采时间对抽采效果的影响很大,抽采影响范围会随着抽采时间的延长而扩大,直至不变。封孔长度对抽采效果的影响较大,封孔长度可以影响抽采负压在钻孔中传递的距离,封孔长度越长,负压传递越远,而封孔长度过短则可能导致钻孔发生漏气、短路,影响抽采的效果。因此,可以通过现场实际改变孔口初始负压、钻孔直径、封孔深度和抽采时间来确定合理的瓦斯抽采参数。

2 试验测试结果分析

前一节对抽采负压分布规律进行数值模拟,发现改变抽采参数对抽采负压及抽采效果的影响较大。本节以现场试验为主,对孔内负压分布影响因素进一步分析研究,得出基于新田煤矿的抽采效果达标评判体系,增强该煤矿的瓦斯抽采效果,最终达到合理治理瓦斯的目的。

2.1 不同孔口负压抽采钻孔负压沿孔长变化现场测试结果分析

在钻孔长度120m、抽采钻孔直径为113mm、封孔长度16m前提下,利用抽采负压连续测定装置,通过改变孔口负压的大小,对抽采钻孔不同孔深位置负压进行测试,结果如图7所示。

图7 不同孔口负压钻孔内负压变化图

从图7中可以看出:

(1) 改变孔口抽采负压的大小后,钻孔内负压变化趋势并未发生较大变化,由图7可知,不同孔口负压的变化曲线基本保持平行,负压逐渐降低,到一定程度后保持不变。

(2) 对每个钻孔单独分析,每个钻孔的抽采负压都与测试距离呈负相关关系,即钻孔长度越大,对应位置处的负压越小。

(3) 抽采负压在钻孔的0～45m范围变化较小,而在45～100m区域内负压值变化的速度增加。分析认为,瓦斯流动所受到的沿程摩擦阻力损失随着钻孔长度的增加而增大,而沿程摩擦阻力损失是造成负压损失主要原因;同时,钻孔施工完毕后,在应力的作用下,钻孔可能出现了较大的变形,有碎煤落入钻孔中,甚至出现塌孔的情况,这是部分曲线负压损失突然增大的原因,例如孔口负压为21.2kPa时,在钻孔70～80m处的负压损失较大,推测应是此处钻孔内发生了变形,导致局部损失加大。

(4) 孔口负压逐渐升高时,孔底的负压会随之升高,但负压的损失量并没有完全随之升高。当孔口负压达到28.4kPa,此时负压的损失量达到最小值为26.0%。其他孔口负压所对应的负压损失量都大于这个值。

2.2 不同钻孔直径抽采钻孔负压变化现场测试结果分析

基于矿方现有条件及技术,通过瓦斯抽采负压定点连续测定法不同条件下钻孔内的负压进行测试。设计抽采钻孔参数,提出限定条件。在2.1节分析中可知28.4kPa是最合适的抽采负压,则将孔口负压定为28.4kPa。钻孔的封孔长度为16m,抽采钻孔的钻孔长度120m。在确定了孔口负压以及封孔长度达到前提下,通过改变抽采钻孔的直径,测试抽采钻孔孔内不同距离的负压值,结果如图8所示。

图8 不同钻孔直径抽采钻孔内沿程负压变化图

从图8中可以看出:

(1) 分析单个钻孔,保持抽采钻孔直径不变,抽采负压随着测试长度的增加而减少,变化趋势与2.1节中负压变化趋势相同,即孔口负压不变条件下,抽采负压会随着测试距离的增加而减小。

(2) 当钻孔直径75mm增长到120mm时,抽采负压的损失量分别为8.4kPa、7.6kPa、7.4kPa、7.0kPa、6.3kPa;与孔口负压相比,负压损失为22.2%～29.6%,这表明负压损失量随着钻孔直径的增大而减小。

虽然钻孔直径增大意味着更好的抽采效果,但是限于钻机以及实际生产需求,抽采钻孔不能直接选取最大直径。当抽采钻孔直径增大到一定值后,可能会引发钻孔喷孔,钻孔更容易塑性变形,引发塌孔,极大影响抽采效果。因此,为了保证抽采安全、有效,钻孔直径选取103～113mm较为合适。

2.3 不同封孔深度抽采钻孔负压沿孔长变化现场测试结果分析

为了研究抽采负压变化与钻孔封孔之间的关系,对不同封孔长度钻孔内的负压进行测试,此次封孔采用两堵一注的封孔方式,注浆使用水泥浆,封堵材料使用聚氨酯材料。设计抽采钻孔直径为113mm,孔口负压为28.4kPa,钻孔长度为120m。在封孔深度不同的条件下,测试孔内多个距离处的负压值,结果如图9所示。

图9 不同封孔深度抽采钻孔内沿程负压变化图

从图9中可以看出:

(1) 在保证孔口负压以及钻孔直径不变的情况下,抽采负压会随着钻孔封孔长度的增加而减小,与负压损失量的变化趋势相同,都呈现降低的趋势。

(2) 当封孔深度从10m增长为22m时,负压损失量分别为11.1kPa、9.9kPa、8.9kPa、8.3kPa、7.7kPa、4.5kPa,负压损失比率为15.8%～39.1%。整体来说负压的损失并不大,封孔长度为10m时,负压的损失量最大。

2.4 不同抽采时间抽采钻孔负压沿孔长变化现场测试结果分析

对抽采钻孔优化之后,利用新的负压测试装置测试钻孔内不同位置处的抽采负压与抽采时间的关系。设计抽采钻孔参数为:抽采钻孔长度为120m、孔口负压28.4kPa,钻孔直径113mm,封孔长度16m。改变抽采的时间,测试钻孔孔内负压值,结果如图10所示。

图10 抽采钻孔内负压随钻孔深度变化图

从图10中可以看出:

(1) 钻孔内抽采负压在随着抽采时间变化的情况下,其变化趋势与改变空空负压、钻孔直径以及封孔深度的趋势相同,都是逐渐减低。

(2) 抽采钻孔在1d、10d、15d、20d、25d、30d的负压损失量分别为8.4kPa、6.4kPa、6.1kPa、5.6kPa、5.2kPa、5.1kPa,与各自的孔口负压相比,负压损失率为25.6%～29.6%。

2.5 抽采效果优化分析

通过以上几节的分析,新田煤矿1902运输顺槽的抽采钻孔参数以及抽采工艺可以设计为:钻孔长度120m,钻孔直径113mm,封孔深度16～18m,孔口负压28.4kPa,瓦斯抽采时间应大于30d时可达到最佳的抽采效果。重新制定抽采方案,取封孔深度18m,此条件下钻孔内的负压数据如图11所示。

图11 抽采工艺优化后负压沿程变化

由图11可看出,在抽采工艺优化过后,负压损失量较小,拟合系数R2达到0.97179,相关性较高。

未改变钻孔参数以及抽采工艺之前所测的瓦斯流量与浓度数据,与改进之后的测试结果分别进行绘图比对分析,如图12和图13所示。

图12 改进前后瓦斯流量随抽采时间变化对比曲线图

由图13可以看出,在抽采工艺优化前后,瓦斯的抽采流量以及浓度都会随着抽采时间的增加而逐渐减低,因测试时间较短,无法将之后的变化趋势完全体现出来。但是可以看出改进后瓦斯流量与浓度较改进之前有了很大的提升,瓦斯流量较改进前增加了19%,瓦斯浓度较改进前增加了15%,说明此次钻孔参数以及抽采工艺的改变是有效果的。

3 结论

(1) 利用COMSOL软件对不同条件下的抽采钻孔进行模拟,分析得出抽采效果具有时效性,抽采影响范围会随着抽采时间的延长而扩大,直至扩大到一定距离,并且封孔深度对抽采效果的影响较大。

(2) 无论改变何种条件,抽采负压在钻孔内都是逐渐减低的变化趋势;对不同孔口负压的数据进行分析计算,当孔口负压为28.4kPa时,钻孔孔底与孔口之间的负压损失量最小;在改变钻孔直径条件下,抽采负压随着钻孔直径的增大而减低。选取113mm最为合适;封孔深度对负压的分布也会有影响,钻孔封孔深度在10～16m、18～22m段时,负压衰减速度变化很快;抽采负压随着抽采时间的延长呈现逐渐减小的趋势,并且随着时间的增加,负压的损失量也会逐渐减小。

(3) 基于本次研究结果,确定合理的抽采参数为抽采孔径113mm、孔口负压28.4kPa、钻孔长度120m、封孔长度18m且抽采时间大于30d。采用改进之后的钻孔参数以及抽采工艺与之前的做对比,改进之后的瓦斯抽采量以及浓度都有较大增长,瓦斯流量较改进前增加了19%,瓦斯浓度较改进前增加了15%,说明有效的改进抽采钻孔参数对煤层抽采效果有显著的提升,形成基于抽采负压为基础的抽采技术体系。