不同突出情況下鉆孔瓦斯涌出規律研究*

馬瑞帥 ，許石青 ，林華穎

(1.貴州大學 礦業學院， 貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 喀斯特山區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合工程實驗室， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

煤與瓦斯突出（簡稱“突出”）是瓦斯壓力和地應力作用在含瓦斯煤體的一種動力現象[1]。但是，突出危險帶的面積通常占不到整個突出煤層面積的10%[2]。隨著煤礦開采向深部進行，近年來煤巷掘進時所發生的突出事故已占據礦井突出事故總數的首位[3]。所以，準確預測煤巷掘進過程當中前方煤體有無突出危險性意義重大。

煤巷突出預測靜態預測指標[4]：1984年，撫順煤科院[5]首次對鉆孔瓦斯涌出最大初速度指標[6-7]在理論上進行討論，為鉆孔瓦斯涌出最大初速度指標奠定理論基礎。重慶煤科院[8]以及中國礦業大學進一步完善其理論，河南理工大學較早使用該指標進行煤巷突出危險性預測[9]，其他靜態預測指標還包括：R值指標、最大鉆屑量指標和復合指標等。

煤巷突出預測動態預測指標[10]：1940年代初美國最先運用聲發射技術預測煤巷突出危險性，其他動態預測指標還包括：紅外線輻射指標[11]、電磁輻射指標[12-13]等。但是，上述預測指標具有預測指標和突出臨界值不具有普適性、預測指標在測定方法上沒有統一標準等不足。

鑒于上述測定指標的不足，蔣承林團隊對鉆孔連續流量法測定煤體突出危險性的新方法進行了深入研究，實踐證明該方法實用性好。但是，有關不同突出危險情況下鉆孔瓦斯涌出規律的研究則鮮有報道。基于此，本文通過建立模型，對鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力關系進行研究，利用連續流量法建立煤層巷道突出預測裝置，以山西匯豐與貴州威舍煤樣為試驗對象，對不同突出危險情況下鉆孔瓦斯涌出規律展開相應試驗研究。

1 模型建立與數值模擬

1.1 數學模型的建立

煤電鉆鉆進過程中瓦斯來源主要由三個部分組成，為研究鉆孔瓦斯涌出量和瓦斯壓力的關系，針對鉆孔瓦斯來源建立數學模型。鉆孔瓦斯涌出示意圖如圖1所示。

圖1 鉆孔瓦斯涌出示意

鉆進過程中鉆孔四周的瓦斯流動屬于徑向不穩定流動。假設瓦斯被密封在頂底板間，頂底板沒有裂隙且煤層屬于均質煤層，瓦斯氣體為理想氣體，服從達西定律。則可得：

初始條件為：t=0時，。

邊界條件為：

對式（1）拉氏變化得：

將初始條件與邊界條件帶入式（2）得：

在鉆進過程中，鉆頭附近的煤體形成卸壓帶，鉆頭附近的瓦斯涌出屬于球向不穩定流動。假設煤層均質，則可得：

初始條件為：t=0時，。

邊界條件為：

對式（4）拉氏變化可得：

將初始條件與邊界條件帶入式（5）得：

由達西定律得，煤壁瓦斯涌出方程式如式（7）所示：

將式（6）帶入式（7）得：

隨著鉆進鉆頭不斷破壞煤體形成煤屑，煤屑中的瓦斯不斷向外涌出。將其涌出規律看做是有限流場的球向不穩定流動，可得：

對式（9）拉氏變化可得：

將初始條件與邊界條件帶入式（10）得：

將式（11）帶入式（7）得：

式中，F0為時間準數；q為單位面積瓦斯涌出量，m3/(m2·d)；λ為煤層透氣性系數，m2/(MPa2·d)；p煤層中的瓦斯壓力，MPa；p0為煤層中的原始瓦斯壓力，MPa；p1為鉆孔中的大氣壓力，MPa；t為時間，s；R1為煤屑平均半徑，m；P、P0、P1分別為壓力p、p0、p1的平方，MPa2。

1.2 數值模擬的運用

大量工程實踐表明：當鉆進到具有高壓瓦斯源的煤層時，由于大量瓦斯的釋放使鉆孔瓦斯涌出量急劇增加，即鉆孔瓦斯流量與瓦斯壓力存在一定關系。基于上述鉆孔瓦斯流動模型，運用 COMSOL Multiphysics模擬軟件建立數值模型，對瓦斯壓力和鉆孔瓦斯流量的關系進行研究分析，模型參數見表1。模型邊界條件：底部設置為固定邊界，左側、右側和后側設置為法向位移約束邊界，前部為自由空間，頂部加載上覆巖層自重，煤層滲透率為有效應力的函數，三維數值模型如圖2所示。

表1 模型參數

圖2 三維數值模型

為研究不同瓦斯壓力下，打鉆過程中，煤體瓦斯向鉆孔的涌出特性，在煤層埋深為900 m，打鉆長度為1 m，打鉆時間為3 min，煤體含水率為5.6%，瓦斯壓力分別為 0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa的條件下展開模擬研究，不同瓦斯壓力下鉆孔初始瓦斯流量隨時間分布如圖 3所示。

圖3 不同瓦斯壓力下鉆孔初始瓦斯流量隨時間分布

為直觀表明鉆孔瓦斯流量和瓦斯壓力的關系，對圖4進行積分得到不同瓦斯壓力條件下鉆孔瓦斯涌出量，并對其進行擬合（見圖4）。

由圖4可知：鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力呈現線性關系。所以，鉆孔瓦斯涌出量可以線性表示瓦斯壓力作為敏感性指標，判斷煤巷是否具有突出危險性。陳松立等[14]研究表明：鉆孔總瓦斯涌出量可以被初始鉆孔瓦斯流量表征，且初始鉆孔瓦斯流量隨鉆進深度動態可測。因而，針對能否運用初始鉆孔瓦斯流量規律表征不同突出危險情況展開試驗研究。

圖4 鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力關系

2 試驗研究

2.1 煤樣選取

為研究不同突出危險條件下的初始鉆孔瓦斯涌出規律。試驗采集煤樣分別取自山西匯豐 M15號煤層處無突出危險性的原生結構煤；貴州威舍M29號煤層處有突出危險性的構造煤。由于所需煤樣量比較大，而完整煤芯取芯器取樣較少，不能滿足取樣要求，所以本次取樣采用壓風引射裝置取得。所采煤樣的SEM照片如圖5所示。

2.2 試驗設備

本試驗裝置由突出煤層模擬裝置和鉆孔初始瓦斯流量監測裝置兩部分組成。突出煤層模擬裝置主要由壓力機、缸體、壓柱、麻花鉆桿(42 mm)、模擬煤層、堵頭等組成；鉆孔初始瓦斯流量監測裝置主要由流速傳感器、煤倉、煤電鉆、位移傳感器、流量管及本安型采集主機等組成。裝置原理如圖 6所示。

2.3 試驗流程

試驗工藝流程如圖7所示。

（1）試驗要求將所選煤樣破碎至2 mm，使壓制成的型煤更均勻；

圖5 煤樣SEM照片

圖6 試驗裝置原理圖

圖7 試驗工藝流程

（2）壓制型煤的過程要求分四次壓制，壓制壓力為20 kN且每次壓制的時間為30 min；

（3）抽真空時要求不小于 12 h，充氣過程中充氣壓力為1 MPa且充氣時間不小于48 h；

（4）加載圍壓過程中圍壓為100 kN，整個過程和充氣過程同時進行，且于試驗前12 h將加載壓力調整為預定值。

3 試驗結果分析

3.1 無突出危險性

為研究正常鉆進時鉆孔瓦斯流量與突出危險性關系，根據試驗工藝流程采用不具有突出危險性的貴州威舍煤樣進行試驗，為保證試驗過程中的安全性，充氣氣體采用N2。試驗結束后對其鉆孔實際情況以及鉆進過程中的動力現象進行觀察，如圖 8所示。

由圖8可知：正常鉆進時鉆孔變形不嚴重所測得的鉆孔直徑是46 mm，略大于鉆桿的直徑42 mm，與井下無突出煤層正常鉆孔變形相互吻合。

計算機將流速傳感器電流值轉化為相應的瓦斯流量值，并生成相應的流量曲線圖（見圖9）。從12組試驗結果中選取具有代表性的 2組進行分析研究。

由圖9可知：當充氣壓力分別為0.663 MPa、0.675 MPa時，雖然流量曲線圖波動較大但是瓦斯流量平均值分別為0.184 L/s和0.194 L/s，即鉆孔初始瓦斯涌出量和瓦斯壓力關系緊密具有很好的一致性，所以初始鉆孔瓦斯流量可以反映突出危險性；打鉆初始流量曲線波動較大，即說明在打鉆初始較容易發生突出，這與現場實踐相吻合；瓦斯壓力越小，流量曲線波動幅度越小，且隨著鉆進的深入，流量曲線逐漸變大后趨于平緩。

3.2 有突出危險性

為研究突出時鉆孔瓦斯流量與突出危險性關系，針對噴孔是否可以表征突出進行探究，根據試驗工藝流程，采用具有突出危險性的山西匯豐煤樣進行試驗，為保證試效果以及試驗過程中的安全性，充氣氣體采用CO2。試驗結束后，對其鉆孔實際情況以及鉆進過程中的動力現象進行觀察，如圖10所示。

圖8 鉆孔的形狀與動力現象（正常鉆進）

圖9 瓦斯流量曲線（正常鉆進）

圖10 鉆孔的形狀與動力現象（噴孔）

由圖10可知：當鉆進過程中發生噴孔時，表現鉆口小、空腔大、鉆孔內殘留煤粉、鉆孔壁掉落的煤塊易碎等特點，與井下發生突出時情況相吻合。

計算機將流速傳感器電流值轉化為相應的瓦斯流量值，并生成相應的流量曲線圖（見圖 11）。從12組實驗結果中選取具有代表性的2組進行分析研究。

由圖11可知：當充氣壓力為0.796 MPa時，隨著鉆進深度的增加瓦斯流量逐漸增加，當鉆進時間約為100 s與160 s時瓦斯流量明顯增加后恢復至正常值，鉆進到180 s左右時發生噴孔現象，噴孔時瓦斯流量最大為5.5 L/s，持續幾秒后恢復正常，這是一個典型的突出孕育過程；充氣壓力為 0.994 MPa時，打鉆初始發生第一次噴孔，這時瓦斯流量由0.4 L/s突然增加到7.3 L/s，是正常值的18倍，后續又發生兩次噴孔，這與井下同一地點多次突出現象相吻合；初始鉆孔瓦斯流量不僅可以反應突出危險情況，而且可以表明突出可能發生的地點，相較于其他的突出預測指標具有明顯優勢。

圖11 瓦斯流量曲線圖（噴孔）

4 結論

（1）鉆孔瓦斯流涌出量與瓦斯壓力呈線性關系，初始鉆孔瓦斯流量可以作為預測突出危險性的敏感性指標。

（2）發生噴孔時，表現鉆口小、空腔大、鉆孔內殘留煤粉、鉆孔壁掉落的煤塊易碎等特點，與井下發生突出時情況相吻合。

（3）打鉆初始流量曲線波動較大，說明在打鉆初始較容易發生突出，這與現場實踐相吻合；瓦斯壓力越小，流量曲線波動幅度越小，且隨著鉆進的深入，流量曲線逐漸變大后趨于平緩。

（4）初始鉆孔瓦斯流量不僅可以反應突出危險情況，而且可以表明突出可能發生的地點，相較于其他突出預測指標具有明顯優勢。