基于CFD模擬的巷道煤壁噴涂對瓦斯抽采影響研究＊

成艷英 林柏泉 郝志勇 李子文 高亞斌

（1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

1 我國煤礦瓦斯抽采存在的主要問題

煤礦瓦斯抽采是降低礦井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災害的重要措施。同時，瓦斯作為一種非常規天然氣，也是一種寶貴的能源財富。2011年我國煤層氣 （瓦斯）產量首次突破百億立方米，標志著煤層氣產業進入了高速發展的初期階段。雖然瓦斯產量大，但是抽采量不均衡、濃度波動大的現狀造成了瓦斯充分利用難、瓦斯利用率低的現狀。

導致我國煤礦瓦斯抽采效果差的主要原因來自兩方面，一方面是煤層透氣性低，煤層滲透率平均只有1.1974×10-18～1.1596×10-14m2，其中滲透率大于0.1987×10-15m2的僅占28%，而大于0.9187×10-15m2的極少；另一方面主要表現為抽采時間短、鉆孔工程量不足、封孔質量差、抽采系統不匹配和管理不到位等。

針對煤層滲透率低的難題，經過國內外研究人員的努力，發明了鉆孔卸壓增透法、高能液體擾動卸壓增透法和爆生氣體擾動卸壓增透法等，尤其是水力割縫、水力壓裂等鉆孔卸壓措施增大了鉆孔周圍的滲透性，提高了裂隙之間連接率及單孔瓦斯抽采率，較好地解決了煤層滲透性問題。同時，隨著封孔工藝及封孔材料的改進，鉆孔封孔質量顯著提高。然而，隨著抽采時間的延長，抽采濃度普遍降低，一方面是因為瓦斯含量的減少；另一方面是由于瓦斯抽采過程中，巷道一側空氣從煤壁滲入鉆孔，導致瓦斯濃度低。

煤礦巷道開挖過程中，應力重新分布，煤巷壁面產生大量裂隙。煤壁的裂隙與煤層內部的裂隙連通，成為空氣混入煤層的通道。外部空氣滲入鉆孔示意圖如圖1所示。瓦斯抽采時，大量空氣沿煤壁裂隙混入煤層，導致抽采負壓損失，瓦斯抽采效率低。因此，解決瓦斯抽采效果差的關鍵是研究從煤壁滲入鉆孔的外部空氣，壁面噴涂能很好地解決空氣從煤壁裂隙的滲漏，因此研究壁面噴涂對瓦斯抽采的影響勢在必行。

圖1 外部空氣滲入鉆孔示意圖

2 模型建立

為研究壁面噴涂對瓦斯抽采的影響，結合現場本煤層瓦斯抽采鉆孔布置情況，建立如圖2所示幾何模型，設置觀察點A （2，27）。其中，煤層沿鉆孔方向長100 m，沿鉆孔徑向長度50 m。鉆孔位于煤層中間，角度為0°，長70 m，孔徑89 mm，鉆孔封孔長度為10 m。將模型充分簡化，封孔段及抽采管均不畫出。煤層給定多孔介質滲流邊界條件，指定煤層滲透系數。鉆孔孔口抽采壓力為-20kPa，煤層壓力為2 MPa。湍流計算選用層流模型，瓦斯在煤層中流動用多孔介質模型，設定煤層孔隙率為10%，其內部流動由達西公式確定。

式中：Δp——滲流壓力降，Pa；

μ——氣體的粘性系數；

k——滲透率，取決于煤層的幾何結構，計算中煤層滲透率取2×10-17m2；

v——瓦斯流動速度，ml／s；

δ——瓦斯流過的距離，m。

圖2 煤層瓦斯抽采幾何模型

3 未噴涂巷道煤壁瓦斯抽采

根據實際經驗，隨著瓦斯抽采的進行，巷道氣體會通過裂隙或者鉆孔封孔段進入鉆孔，假設鉆孔封孔段密封性能良好，考察巷道一側漏風情況。首先假設煤層巷道一側自然漏風，即設置其壓力出口值是0，設置煤層上、下、右邊界為壓力入口，如考察A 點瓦斯壓力隨抽采時間變化規律，選取有代表性點進行曲線擬合，如圖3所示。該曲線顯示A 點瓦斯壓力呈現負指數規律下降，在16d以前A 點壓力急劇降低，之后開始緩慢下降，在第26 d后降低為負值，開始向鉆孔漏風，最后無限趨近于-20kPa。圖3比較形象地說明剛開掘巷道煤壁壁面處瓦斯壓力變化情況，在實際巷道掘進尤其是高瓦斯煤巷掘進過程中，要時刻注意巷道瓦斯變化情況。

圖3 A 點瓦斯壓力隨抽采時間變化圖

選取不同抽采時間段 （2d，4d，6d，10d，14d，60d）煤層瓦斯壓力云圖，見圖4。從圖4可以看出，在煤壁巷道側自然漏風情況下，鉆孔附近煤層瓦斯壓力下降較快，壓力梯度明顯，瓦斯壓力云圖呈現倒鐘狀。隨著抽采時間的延長，卸壓范圍增大，即抽采有效半徑增大。巷道側瓦斯被抽采管抽走的同時，也會向巷道涌出。隨著抽采的進行，瓦斯壓力進一步降低，巷道一側煤層壓力如呈現負壓，說明外部氣體通過煤壁向鉆孔處漏風情況嚴重，有必要對巷道進行保護。

圖4 未噴涂巷道煤壁漏風下瓦斯壓力云圖

4 噴涂巷道壁面瓦斯抽采

在巷道一側煤壁采取保護措施即壁面噴涂情況下，考察煤層抽采瓦斯壓力變化情況。將模型巷道一側設為壁面，即假設巷道完全不漏風，考察A 點瓦斯壓力隨抽采時間變化規律，選取有代表性點進行曲線擬合，見圖5。該曲線顯示A 點瓦斯壓力呈現明顯指數規律下降，前25d下降迅速，后期下降緩慢，最后無限趨近于一個定值。說明在理想的壁面噴涂情況下，巷道壁面處瓦斯被鉆孔抽采管逐步抽走，但是不會降低到零，說明了鉆孔抽采能力有限，抽采半徑不會隨時間延長無限期增大。

圖5 A 點瓦斯壓力隨抽采時間變化圖

選取不同抽采時間段 （2d，4d，6d，10d，14d，60d）煤層瓦斯壓力云圖如圖6所示。從圖6可以看出，在巷道一側煤壁采取保護措施、壁面完全不漏風的理想情況下，A 點位置瓦斯壓力始終保持正值。瓦斯壓力云圖呈現橢圓狀，下降速度變小。瓦斯抽采鉆孔附近煤層瓦斯壓力下降較快，在一定時間內，抽采時間越長，卸壓范圍越大，即鉆孔抽采有效半徑隨著時間延長而變大，但是過了一定時間后，抽采有效半徑會維持在一定范圍內。

圖6 巷道一側煤壁完全密閉下瓦斯壓力云圖

在理想的壁面噴涂情況下，煤壁壁面完全不漏風，在一定期限內，抽采有效半徑隨時間延長而變大，煤層瓦斯抽采效果很好。然而，理想的煤巷壁面噴涂所用膠粘材料必須滿足密封性、施工性、時效性、經濟性、安全性、不可燃性、無腐蝕性等要求，而目前工程中常用的膠粘材料由于自身的缺點不能滿足這些要求。并且在實際工作中，由于煤層地應力變化，巷道變形造成煤壁垮落，特別是在煤質較軟情況下，破碎煤體容易脫落，導致噴漿效果不好。此外，壁面噴涂成本較高，造成了實際壁面噴涂應用的局限性，應當對壁面噴涂技術及工藝進行進一步的研究。

另外，受鉆孔密封質量的限制，隨著抽采的進行，鉆孔封孔段因地應力變化產生裂隙，為外部氣體進入鉆孔提供了通道，造成瓦斯抽采負壓不高、瓦斯抽采濃度過低，嚴重影響抽采效果，此時，應當增補其他措施以保證瓦斯抽采效果。

5 結論

（1）在巷道煤壁未采取噴涂措施進行瓦斯抽采過程中，瓦斯壓力云圖呈現倒鐘狀，巷道側瓦斯被抽采管抽走的同時，也會向巷道涌出。隨著抽采時間延長，最終變為負值，說明煤壁向鉆孔處漏風情況嚴重。

（2）在巷道煤壁采取理想的噴涂措施，即噴涂狀況完好下進行瓦斯抽采過程中，瓦斯壓力云圖呈現橢圓狀，瓦斯抽采效果良好，在一定范圍內，隨著抽采時間的變長，抽采有效半徑變大。因此，在實際瓦斯抽采工作中，壁面噴涂能夠有效減少負壓損耗，應當盡一切可能地進行壁面噴涂。

（3）在煤壁破碎嚴重等無法進行噴涂的地點，應當增補其他保證瓦斯抽采效果的措施。

（4）盡管模擬沒有把裂隙帶涵蓋進去，但是還是說明了外部漏氣的問題，考慮到煤體中裂隙發育的復雜性，模擬還是不能完全顯示出真實的瓦斯流動情況，因此，筆者會著重通過現場的工業試驗情況來對措施進行改進。

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