提高保護(hù)層卸壓瓦斯量的方法研究

呂龍輝，　靳紅霞

(河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 信息工程系， 河南 平頂山　467000)

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提高保護(hù)層卸壓瓦斯量的方法研究

呂龍輝，靳紅霞

(河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 信息工程系， 河南 平頂山467000)

摘要：根據(jù)氣體徑向流動(dòng)理論和能量守恒定律，建立了地面鉆孔瓦斯抽放模型及流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，提出了通過提高井眼底部阻力來增加保護(hù)層泄壓瓦斯量的方法。工程應(yīng)用結(jié)果表明，通過增加井眼底部的流動(dòng)阻力，可以顯著提高保護(hù)層卸壓瓦斯量。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽放； 地面鉆孔； 鉆孔阻力； 卸壓瓦斯

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1504.017.html

0引言

中國煤礦通常通過煤層鉆孔從保護(hù)層釋放瓦斯壓力，這種方法存在工程量大、修建風(fēng)險(xiǎn)高、對其他生產(chǎn)活動(dòng)有干擾等缺陷。地表鉆孔的施工和操作不受地下空間或生產(chǎn)活動(dòng)的限制，鉆孔不僅能從保護(hù)層和開采層的采空區(qū)抽排瓦斯，而且能實(shí)現(xiàn)大量高濃度瓦斯的排放。通過地表鉆孔，早期瓦斯抽排量和濃度迅速達(dá)到峰值，隨著工作面的進(jìn)展，瓦斯抽排量會(huì)隨著底部裂縫程度的增加逐漸減小[1]。當(dāng)工作面鉆孔深度為150～200 m時(shí)，鉆孔和采空區(qū)之間的大量低濃度瓦斯從采空區(qū)排出，卸壓瓦斯量減少。為了消除瓦斯突出，必須采取有效措施提高保護(hù)層瓦斯抽放量。本文建立了通過地面鉆孔卸壓開采煤層瓦斯的數(shù)學(xué)模型，提出了一種通過提高井眼底部阻力來提高保護(hù)層卸壓瓦斯量的方法。

1地面鉆孔卸壓瓦斯數(shù)學(xué)模型

1.1模型參數(shù)

地面鉆孔瓦斯抽放模型如圖1所示，其中Q0為混合氣體抽放流量，m3/s；P為瓦斯抽放的負(fù)壓，MPa；b為地面鉆孔井口混合氣體體積分?jǐn)?shù)，%；pm為上覆煤層邊界瓦斯抽放壓力，MPa；D為上覆煤層的厚度，m；λ1為上覆煤層瓦斯抽放區(qū)的平均滲透系數(shù)，m2/(MPa2·d)；Q1為開采上覆煤層時(shí)瓦斯流量，m3/s；P1為地面鉆孔與上覆煤層交界處的氣體絕對壓力，MPa；Q2為從采空區(qū)抽放的瓦斯流量，m3/s；h1為從地面到上覆煤層的距離，m；R為地面鉆孔的半徑，m。

圖1　地面鉆孔瓦斯抽放模型

1.2模型構(gòu)建

在負(fù)壓引流壓力的作用下，利用徑向流模型計(jì)算上覆煤層的壓力釋放氣體流量[2]：

(1)

式中：R1為上覆煤層開采區(qū)瓦斯分布半徑，m；α1為上覆煤層瓦斯抽放流量修正系數(shù)。

根據(jù)能量守恒定律，將上覆煤層瓦斯流動(dòng)的伯努利方程表示為

(2)

式中：ρ0為井口氣體的密度，kg/m3；g為重力加速率；v0為地面井內(nèi)氣體的流速，m/s；P0為地表的絕對大氣壓力，MPa；λ為損耗系數(shù)。

進(jìn)一步簡化式(2)得

(3)

根據(jù)混合氣體的密度和體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，ρ0可以表示為

(4)

式中：ρm為純瓦斯氣體密度，kg/m3；ρg為不含瓦斯的空氣密度，kg/m3。

聯(lián)立式(1)、式(3)和式(4)求解，得到從保護(hù)層中排出卸壓氣體Q1的數(shù)學(xué)模型[4]為

(5)

2提高保護(hù)層卸壓瓦斯量的方法

2.1卸壓瓦斯量決定因素

式(5)中，P0是本地忽略溫度變化的大氣壓力常數(shù)；參數(shù)D，R1和h1分別是保護(hù)層、地面鉆孔和煤層的地質(zhì)條件的特性參數(shù)。當(dāng)工作面通過地面鉆孔推進(jìn)到更遠(yuǎn)的距離(鉆孔瓦斯抽放的后期階段)，保護(hù)層裂隙發(fā)展到比較穩(wěn)定的瓦斯抽放區(qū)時(shí)，參數(shù)λ1，α1，Pm和R在較短的時(shí)間內(nèi)可視為常數(shù)。瓦斯抽放鉆孔后期的Q1值主要由P，b和Q0決定。

根據(jù)式(5)，Q1值隨著P和b值的增大而增大，隨Q0值減小而增大。因此，要想增大Q1的值，必須采取措施增大P和b的值，并減小Q0值。

2.2氣體流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析

鉆孔和各種氣體源的流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，其中a點(diǎn)為鉆井井口，b點(diǎn)為井眼與保護(hù)層的交界處，c點(diǎn)為受保護(hù)層的瓦斯抽放區(qū)邊界，d點(diǎn)是鉆孔的井下，e點(diǎn)是瓦斯抽放裂縫區(qū)域的邊界。

氣流的總阻力hf可以由式(6)計(jì)算：

(6)

式中：R′為地面鉆孔等效風(fēng)阻力，N·s2/m3。

根據(jù)負(fù)壓氣體泵的特性曲線和鉆孔的等效風(fēng)阻曲線可以確定泵的操作點(diǎn)，即氣體流量和氣體所需的負(fù)壓引流。2BEC40真空泵負(fù)壓特性曲線(轉(zhuǎn)速為440 r/min)如圖3所示。瓦斯抽放泵的工作點(diǎn)如圖4所示，隨著參數(shù)R′的增大，P值增大，Q0值減小。當(dāng)P增大、Q0減小時(shí)，Q1值增大。

如圖2所示，bc和de分別是保護(hù)層和采空區(qū)的氣體流動(dòng)路徑，風(fēng)阻值Rbc和Rde不變。因此，要提高Q1的值，只能增大風(fēng)阻值Rab和Rbd。

圖2　氣體流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

圖3　真空泵負(fù)壓特性曲線

當(dāng)Rab增加時(shí)，由于Rbc和Rde不變，Q1/Q2也保持不變，所以b值不變。如果Rbd值增大后，Q2值減小，則Q1/Q2的值增加，導(dǎo)致b值增大。通過增大b值可使Q1值增大，因此，與增大Rab值相比，增大Rbd值是一種更好的提高卸壓瓦斯抽放的方法[5]。

圖4　瓦斯抽放泵的工作點(diǎn)

2.3鉆孔底部阻力提高方法

基于上述理論分析，可以通過向鉆孔投擲可滲透材料(固體碎片、沙袋等)來增加鉆孔底部的風(fēng)阻力。根據(jù)瓦斯抽放條件和鉆孔直徑確定投放材料的類型和尺寸，該材料的堆疊高度應(yīng)保持在0.5～1 m。如果使用沙袋增加風(fēng)阻，優(yōu)先選擇直徑為2～5 cm的沙袋。

3工程應(yīng)用

平煤集團(tuán)十礦的2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)、8號(hào)煤層具有每年1 000萬t的生產(chǎn)能力。2號(hào)和8號(hào)煤層為煤與瓦斯突出煤層。瓦斯突出事故發(fā)生在采礦過程中的2號(hào)煤層。由于瓦斯突出問題不能有效解決，所以礦井放棄2號(hào)煤層開采，生產(chǎn)轉(zhuǎn)向3號(hào)煤層，但是瓦斯過量排放對生產(chǎn)有著嚴(yán)重影響。為了消除2號(hào)煤層突出危險(xiǎn)性，解決3號(hào)煤層的瓦斯排放問題，改變了傳統(tǒng)的下采順序。首先開采7號(hào)煤層，該層是8號(hào)煤層的保護(hù)層，然后開采8號(hào)煤層，2號(hào)和3號(hào)煤層進(jìn)行雙重保護(hù)。從2號(hào)和3號(hào)煤層抽放瓦斯2次，從而消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，減少接縫瓦斯含量。地面鉆孔從保護(hù)層和采空區(qū)同時(shí)抽放瓦斯。地面鉆孔結(jié)構(gòu)[6]如圖5所示。

圖5　地面鉆孔結(jié)構(gòu)

2012年7月，該礦8號(hào)煤層排出鉆孔的瓦斯體積分?jǐn)?shù)已降到20%左右，為了進(jìn)一步提高卸壓瓦斯量，將一些沙袋放入鉆孔底部以增加阻力。為了避免阻力過大，選擇大小約2～3 mm的沙粒，沙袋直徑約5 cm，將大約30個(gè)沙袋放入井眼。增加井眼底部阻力前后瓦斯抽放參數(shù)的變化如圖6所示。

圖6　地面鉆孔瓦斯抽放參數(shù)的變化

從圖6可知，增加井眼底部阻力后，混合氣體流量略下降，但平均純瓦斯流量增加了0.31 m3/min，平均抽放瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加了20.7 %，參數(shù)對比如圖7所示。此外，由于鉆孔底部風(fēng)阻力的增大，從保護(hù)層卸壓瓦斯的量增加，從而在采空區(qū)提取的純瓦斯氣體濃度減小。因此，增加井眼底部阻力的方法可有效增加瓦斯排放量。

圖7　增加井眼底部阻力前后瓦斯抽放參數(shù)對比

4結(jié)語

根據(jù)徑向氣體流動(dòng)理論，建立了地面鉆孔卸壓瓦斯數(shù)學(xué)模型，建立了地面鉆孔瓦斯抽放的流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種通過提高井眼底部阻力來增加保護(hù)層卸壓瓦斯量的方法。該方法在平煤集團(tuán)十礦8號(hào)煤層進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，增加鉆孔底部的風(fēng)阻可以使保護(hù)層卸壓瓦斯量顯著增加。

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Methods of increasing amount of pressure-relief gas of protective layer

LYU Longhui，JIN Hongxia

(Department of Information Engineering, Henan Quality Engineering Vocational College, Pingdingshan 467000, China)

Abstract：According to gas radial flow theory and energy conservation law, gas drainage model and flow network using surface drilling were established, and method of increasing amount of pressure-relief gas of protective layer by increasing resistance of the bottom of the wellbore was proposed. The engineering application results show that by increasing the flow resistance of the bottom of the wellbore, the amount of pressure-relief gas of protective layer can be significantly increased.

Key words:gas drainage； surface drilling； drilling resistance； pressure-relief gas

文章編號(hào)：1671-251X(2016)07-0070-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.017

收稿日期：2015-11-30；修回日期：2016-05-13；責(zé)任編輯：胡嫻。

作者簡介：呂龍輝(1981-)，男，河南平頂山人，講師，工程碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，E-mail:804403258@qq.com。

中圖分類號(hào)：TD712.62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-07-05 15:04

呂龍輝，靳紅霞.提高保護(hù)層卸壓瓦斯量的方法研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(7)：70-72.