不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果研究

閆 慶

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

隨著經濟的高速發展，我國能源結構以煤炭資源為主，“十三五”期間，我國對煤炭的需求量保持平穩上漲。但是隨著我國煤礦逐漸向深部開采，瓦斯成為煤礦第一“殺手”，瓦斯雖然有害，但是可利用能源，現階段煤礦從“瓦斯抽放”轉變為“瓦斯抽采”，不僅降低了瓦斯突出的危險性，而且還起到資源利用的作用[1-4]。目前，多數煤礦瓦斯抽采效率低，不僅不能達到煤層氣利用的最低界限，而且還嚴重存在安全隱患。煤礦瓦斯抽采濃度低的原因主要有2個方面：①鉆孔周圍巖石低出現裂隙以及封孔質量不佳；②瓦斯含量隨著抽采時間的延長逐漸降低。為此，本文研究了不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果，分析了鉆孔周邊裂隙發育程度、封孔深度和抽采時間3個漏氣影響因素，得到了鉆孔漏氣運移規律及對瓦斯抽采效果的影響。研究為改善瓦斯抽采效果提供了技術支持。

1 瓦斯鉆孔孔外漏氣分析

煤體由于受到開挖的影響，煤體中的裂隙開始發育，鉆孔周圍裂隙形成了漏氣主要通道[5-7]。當保證封孔質量時，巷道煤壁漏氣通道可劃分為鉆孔周邊裂隙漏氣圈漏風和巷道裂隙區漏風。

1.1 鉆孔周邊裂隙漏氣圈范圍

當鉆孔開始開挖后，鉆孔周圍的圍巖會遭到破壞，沿徑向方向依次：原巖應力區、應力集中區和應力降低區，其應力降低區呈環形，也稱之“漏氣圈”。

由鉆孔周圍應變及應力彈塑性解算可知：

(1)

塑性區的位移和半徑的表達式為：

(2)

式中，Gr為剪切模量；p0為地應力；up為塑性變形位移量；Rp為塑性區半徑。

把鉆孔破碎區看作鉆孔的漏氣區，則可到鉆孔漏氣圈半徑：

(3)

式中，RL為鉆孔漏氣圈半徑。

1.2 巷道裂隙區漏風范圍

根據煤巖體彈塑性力學相關知識，煤體在開挖后，經歷了彈塑性變化→破裂變化→破碎變化→松動變化[8-10]。沿鉆孔從里到外，圍巖應力劃分為原巖應力區、峰前應力升高區、峰后應力升高區、應力降低區。依據彈塑性軟化模型，將煤巖變形過程分為流動階段、塑性軟化變形和彈性變形3個階段。則3個階段的應力表達式為：

(4)

如巷道處于破碎區臨界狀態時，塑性區應力公式和邊界條件a=r時，得到臨界狀態的塑性區半徑：

(5)

根據Rc和a/t的關系，判別圍巖是否出現破碎區。①Rc大于a/t時，圍巖出現裂隙區；②Rc等于a/t時，圍巖處于臨界狀態；③Rc小于a/t時，圍巖沒有出現裂隙區。

根據邊界條件和式(5)可得到塑性區半徑為：

(6)

2 數值模型建立

采用COMSOL數值模擬軟件，分析不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果，模型為矩形，尺寸為100 m×110 m，煤的殘余瓦斯強度為1.75 MPa，煤體泊松比0.339，煤體的抗壓強度為7.3 MPa，煤體的黏聚力為100 MPa，煤層內摩擦角為30°，地應力為8.5 MPa，巷道寬度為5 m，鉆孔直徑為100 mm，封孔材料的支護力為0.2 MPa。由式(3)計算得出，鉆孔周邊裂隙漏氣圈范圍為0.17 m；由式(6)計算得出，巷道裂隙區漏風范圍為7.3 m。抽采瓦斯鉆孔二維界面如圖1所示。

圖1 抽采瓦斯鉆孔二維界面Fig.1 Two-dimensional interface of gas extraction and drilling

根據某礦井的實際工程概況，模型的煤巖物理參數見表1。

表1 模型的煤巖物理參數Tab.1 Coal physical parameters of model

3 模擬結果分析

3.1 鉆孔漏氣運移規律分析

為了模擬分析鉆孔漏氣運移規律，設置煤的煤層初始滲透率為2.8×10-20μm2，裂隙區煤層初始滲透率2.8×10-18μm2，抽采時間為60 d，抽采負壓為15 kPa，封孔深度為4 m。其模擬結果如圖2所示。

由圖2可知，由于鉆孔抽采期間，處于抽采負壓，巷道內的空氣由裂隙進入煤層中，并在鉆孔內移動；其裂隙區的壓力明顯升高，在未擾動的圍巖中，空氣的壓力接近于0，表明未擾動區，煤層滲透率低，空氣很難向里移動。

圖2 不同抽采時間下鉆孔漏氣壓力分布Fig.2 Pressure distribution of borehole air leakage under different extraction times

3.2 漏氣影響因素分析

為了研究不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果，本文從鉆孔周邊裂隙發育程度、封孔深度和抽采時間3方面進行分析，分析了期漏氣范圍及漏氣量變化。

(1)鉆孔周邊裂隙發育程度。為了研究鉆孔周邊裂隙發育程度對鉆孔漏氣的影響，本文設置封孔段和巷道裂隙段的滲透率分別為2.8×10-18、1.4×10-18、0.7×10-18μm2，其他區域煤層滲透率設置為2.8×10-20μm2，封孔深度設置為4 m，抽采負壓設置為15 kPa，不同滲透率下鉆孔漏氣流線如圖3所示。

圖3 不同滲透率下鉆孔漏氣流線Fig.3 Drilling air leakage line under different permeability

由圖3可知，當封孔段和巷道裂隙段的滲透率為2.8×10-18μm2時，模型測得最大漏氣量為3.0 L/min；當封孔段和巷道裂隙段的滲透率為1.4×10-18μm2時，模型測得最大漏氣量為1.0 L/min；當封孔段和巷道裂隙段的滲透率為0.7×10-18μm2時，模型測得最大漏氣量為0.5 L/min。研究表明，封孔段和巷道裂隙段滲透性越低，此時裂隙發育程度越低，漏氣量越小，流線也密集。因此，在實際瓦斯抽放中，應提高封孔質量和降低裂隙的滲透率。

(2)封孔深度。為了研究封孔深度對鉆孔漏氣的影響，本文設定封孔深度分別為4、6、8 m，得到鉆孔漏氣變化規律(圖4)。

圖4 不同封孔深度下鉆孔漏氣流線分布Fig.4 Distribution of air leakage from drilling holes under different sealing depths

由圖4可知，當封孔深度為4 m時，模型測得最大漏氣量為2.8 L/min；當封孔深度為6 m時，模型測得最大漏氣量為1.5 L/min；當封孔深度為8 m時，模型測得最大漏氣量為1.2 L/min。研究表明，隨著封孔深度的增加，漏氣范圍逐漸減小，鉆孔周圍的漏氣線也逐漸稀疏，增加封孔深度，可有效減少鉆孔的漏氣量。

(3)抽采時間。為了研究抽采時間對鉆孔漏氣的影響，本文設置模擬抽采總時間為60 d，抽采負壓為15 kPa，封孔段和巷道裂隙段的滲透率分別為2.8×10-18μm2，其他區域煤層滲透率設置為2.8×10-20μm2，分析不同抽采時間下鉆孔漏氣流線分布如圖5所示。

圖5 不同抽采時間下鉆孔漏氣流線分布Fig.5 Distribution of air leakage in boreholes at different extraction times

由圖5可知，當抽采第10天時，模型測得最大漏氣量為1.6 L/min；當抽采第30天時，模型測得最大漏氣量為2.5 L/min；當抽采第60天時，模型測得最大漏氣量為2.7 L/min。研究表明，隨著抽采時間的增加，鉆孔漏氣范圍逐漸擴大。

4 瓦斯抽采效果分析

為了研究不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果，本文分別分析了章節3中的鉆孔周邊裂隙發育程度、封孔深度和抽采時間鉆孔漏氣因素下瓦斯抽采效果。不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果如圖6所示。

由圖6可知，隨著抽采時間的增加，由于游離態瓦斯逐漸減小，使得鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸減低；隨著封孔深度逐漸提高，瓦斯抽采濃度也逐漸提高，當封孔深度為8 m時比封孔深度為4 m時的瓦斯抽采濃度提高了15%左右，但是考慮成本以及巷道裂隙區漏風范圍為7.3 m，得出封孔深度以8 m為宜。

圖6 不同鉆孔漏氣影響因素條件下瓦斯抽采效果Fig.6 Effect of gas drainage under different borehole air leakage factors

5 結論

(1)由于鉆孔抽采期間，巷道內的空氣由裂隙進入煤層中，并在鉆孔內移動，裂隙區的壓力明顯升高。

(2)封孔段和巷道裂隙段滲透性越低，此時裂隙發育程度越低，漏氣量越小，流線也密集。在實際瓦斯抽放中，應提高封孔質量和降低裂隙的滲透率；隨著封孔深度的增加，漏氣范圍逐漸減小，鉆孔周圍的漏氣線也逐漸稀疏，增加封孔深度，可有效減少鉆孔的漏氣量；隨著抽采時間的增加，鉆孔漏氣范圍逐漸擴大。

(3)隨著抽采時間的增加，由于游離態瓦斯逐漸減小，鉆孔周圍瓦斯壓力逐漸減低；隨著封孔深度逐漸提高，瓦斯抽采濃度也逐漸提高，封孔深度以8 m為宜。