抽采負壓沿順層鉆孔分布規律及應用研究

王 凱，趙旭生，李樹剛

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054； 2.重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶 400060；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害的根本措施，也是開發煤層氣資源的重要手段，其中，順層鉆孔是煤礦抽采瓦斯的一種重要布孔方式。近幾年，隨著煤礦井下施工鉆孔的鉆機、鉆具水平得到快速發展，順層長鉆孔抽采瓦斯技術得到了廣泛應用，千米鉆機在區域防突及瓦斯增透抽采方面的作用越來越顯著[1-4]。但是，鉆孔長度越長，瓦斯抽采效果并非越好，隨著鉆孔長度的增加，瓦斯氣體在沿鉆孔長度方向上流動產生的壓降不容忽略，抽采負壓在沿鉆孔傳遞的過程中會出現衰減，而抽采負壓對抽采效果有著重要影響，當到達一定長度后，鉆孔內負壓可能衰減為零，甚至出現正壓，導致瓦斯抽采效果不顯著。同時，2011年頒布的《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》中對抽采鉆孔孔口負壓的要求主要是針對當時的鉆機所能施工的鉆孔長度而確定的，該要求是否能適用于不同長度的抽采鉆孔，是否能滿足日益迅速發展的長鉆孔的抽采需求，這些問題都值得進一步研究。因此，掌握順層鉆孔孔內負壓分布規律成為解決這些問題的關鍵。目前，部分國內外學者對該問題進行了相關研究，李書文[5]利用流體力學對順層鉆孔孔底負壓進行計算，認為順層鉆孔內壓損很小，可以忽略不計；白亞鵬等[6]對蠕變條件下順層鉆孔孔內負壓進行數值模擬研究，顯示抽采第7天，鉆孔內出現空白段，第9天鉆孔內幾乎無抽采負壓；王兆豐[7]、李杰[8]、宋建軍[9]、胡鵬[10]等通過現場試驗測定順層鉆孔內不同深度處的負壓值，并對數據進行擬合，得出抽采鉆孔孔內負壓沿孔長分布符合冪指數關系。以上學者均未對鉆孔內壓損產生機理進行理論研究，李曉白[11]、王凱[12]等通過分析鉆孔抽采瓦斯的流動過程，理論建模得到鉆孔內負壓分布偏微分方程組的解析解，但計算公式過于復雜，現場應用性較差。因此，筆者在上述研究的基礎上，繼續深入研究順層鉆孔內抽采負壓沿孔長的變化規律，并進行應用性研究，以便于指導順層鉆孔關鍵參數的確定及抽采技術現場應用。

1 理論研究

在順層鉆孔抽采瓦斯過程中，瓦斯的流動可分為2個過程：一是瓦斯在煤體(多孔介質)中流動；二是涌入到鉆孔內的瓦斯在鉆孔內流動。因此，2個流動過程可通過建立鉆孔周圍煤體內瓦斯流動模型和鉆孔內瓦斯流動模型來表征。

1.1 鉆孔周圍煤體內瓦斯流動模型

順層鉆孔抽采瓦斯時，沿鉆孔長度方向對鉆孔周圍煤體進行微分，微元段煤體內瓦斯流動為徑向流場，順層鉆孔周圍煤體內瓦斯流動如圖1 所示。

圖1 順層鉆孔周圍煤體內瓦斯流動模型

根據煤層瓦斯流動理論[13]，建立并聯立瓦斯流動連續性方程、瓦斯運動方程、煤層瓦斯含量方程和瓦斯氣體狀態方程，求解可得到微元段煤體內穩定流場瓦斯滲流模型中瓦斯涌出量的解析解[14]：

(1)

式中：q為微元段煤體瓦斯涌出量，m3/(m3·d)；m為煤層厚度，m；λ為煤層透氣性系數，m3/(Pa2·s)；p0為煤體內煤層瓦斯壓力，MPa；p為鉆孔內的抽采負壓(絕對壓力值)，MPa；R為徑向流場的影響半徑，m；r為煤層鉆孔半徑，m。

1.2 鉆孔內瓦斯流動模型

由于經順層鉆孔孔壁不斷有瓦斯涌入鉆孔內，在瓦斯氣體由孔底向孔口流動過程中，氣體質量不斷變化，因此鉆孔內瓦斯氣體流動屬于變質量流。鉆孔內瓦斯在流動過程中會產生壓力損失，主要包括四部分：沿程摩擦阻力損失、加速度損失、鉆孔孔壁瓦斯流入形成的混合損失及局部阻力損失，鉆孔內瓦斯氣體流動壓損分類如圖2所示。

①—沿程摩擦阻力損失；②—混合損失；③—加速度損失；④—局部阻力損失。

由于鉆孔變形的不確定性，在現實情況中為便于理論分析，假設在瓦斯抽采過程中鉆孔孔壁不變形，暫不考慮局部阻力損失。

將鉆孔周圍煤體沿孔長方向離散成微元段，順層鉆孔沿孔長方向微分示意圖如圖3所示。每個微元段內瓦斯氣體流動均可用順層鉆孔周圍瓦斯流動模型來表征。

圖3 順層鉆孔沿孔長方向微分示意圖

結合圖2和圖3，由沿程摩擦阻力公式、連續性方程和動量方程可分別推導出沿程摩擦阻力損失Δpfri和加速度壓損Δpacc，壁面流入混合損失不單獨計算，而是對沿程摩擦阻力系數進行修正，計入沿程摩擦損失中。因此，以x為變量得到dx微元段的總壓損[15-17]：

(2)

式中：p(x)為距孔口x處的鉆孔內壓力，Pa；Δpfri為沿程摩擦阻力損失，Pa；Δpacc為加速度壓損，Pa；fi為有壁面流體流入鉆孔時的摩擦阻力系數，其大小可通過鉆孔在該鉆孔微元段的流動狀態來計算，即通過計算各個鉆孔微元段的雷諾數Re，確定流體流動狀態并應用與沒有壁面流體流入鉆孔時的摩擦阻力系數f0的經驗公式計算得到摩擦阻力系數fi；ρ為瓦斯氣體密度，kg/m3；Q(x)為距孔口x處鉆孔內的瓦斯氣體流量，m3；q(x)為距孔口x處微元段瓦斯氣體涌出量，m3；D為鉆孔直徑，m。

1.3 模型耦合

根據圖3，基于流體動力學理論，在距孔口x處的瓦斯流量符合流量守恒方程：

(3)

利用鉆孔內流量守恒方程，將鉆孔周圍煤體內瓦斯流動模型和鉆孔內瓦斯流動模型進行耦合：

(4)

式中p1為鉆孔孔口抽采負壓，MPa。

邊界條件：

x=0,p(0)=p1；x=0,Q(0)=Q。

解微分方程組(4)，得到順層鉆孔孔內負壓分布計算公式：

(5)

式中L為鉆孔長度，m。

由式(5)可知，孔內負壓沿孔長呈三次多項式衰減趨勢分布，鉆孔內瓦斯氣體流量越大、鉆孔長度越長、孔徑越小、摩阻系數越大，則壓損越大；反之亦然。

2 現場試驗研究

在重慶能投渝陽煤礦N3702工作面運輸巷上段，利用不同長度的空心紫銅管測定100 m長順層鉆孔內不同深度點的負壓值，現場試驗鉆孔布置如圖4所示(封孔長度10 m，孔內5個測點位置：10、40、70、90、100 m)。

圖4 順層鉆孔孔內負壓測定現場試驗布置圖

測定抽采時間分別為10、40、80 d的鉆孔內不同深度負壓數據，采用式(5)對現場試驗實測數據進行擬合，不同抽采時間鉆孔孔內負壓分布如圖5所示。

圖5 不同抽采時間鉆孔孔內負壓分布曲線

由圖5可知，對比數據的擬合度，三組數據的相關系數R2均接近1。

將渝陽煤礦煤層基本參數代入式(5)得到：

p(x)=-1.146×10-4x3+0.034 86x2-13.536x+p1

(6)

取孔口負壓p1為7 315 Pa，計算得出百米鉆孔壓損值為6 195 Pa，如圖5虛線所示。百米鉆孔壓損計算值與實測值(6 451 Pa)偏差僅為3.97%，表明所建立的理論計算模型切實可行，能滿足工程實踐的精度要求。

鉆孔內及封孔段兩端壓損值如表1所示。

表1 現場試驗壓損結果統計

由表1可知，現場實測的百米鉆孔內壓損最高接近800 Pa，壓損占比為7.7%～14.0%；當漏氣較為嚴重時封孔段兩端負壓損失會達到約5.0%，表明封孔質量的好壞是影響負壓分布的一個重要因素。

3 負壓分布規律應用

3.1 理論分析

根據理論得出的孔內負壓呈衰減趨勢分布規律及現場實測數據，可知傳統抽采工藝存在著諸多不足：①孔內負壓最大值在孔口處，封孔密封段兩端形成的壓差Δp1過大，易造成鉆孔裂隙帶漏氣；②負壓由孔口向孔底傳遞距離過長，負壓損失嚴重；③對于軟煤層，鉆孔成孔后容易變形，煤壁的摩擦阻力系數會顯著增大，致使負壓衰減嚴重，若出現塌孔則會阻斷負壓向孔底傳遞，鉆孔內會出現抽采盲區，導致鉆孔利用率降低[18-20]。傳統抽采工藝原理如圖6 所示。

圖6 傳統抽采工藝原理圖

針對傳統抽采工藝的不足，結合鉆孔成孔條件和鉆孔內負壓分布規律對傳統抽采工藝進行改進，即改變鉆孔內的負壓分布，提出2種抽采工藝進行比較：

1)加長抽采管抽采

加長抽采管將最大負壓送至鉆孔的中部，最大負壓由鉆孔的中部向鉆孔兩邊傳遞距離減半，負壓損失減小，全孔段負壓能增大。同時，由于沿程阻力損失，處于封孔段兩端的壓差Δp2較傳統抽采工藝Δp1會減小，漏氣情況會得到改善。加長抽采管工藝原理如圖7所示。

圖7 加長抽采管抽采工藝原理圖

2)下放篩管抽采

篩管的摩擦阻力系數遠遠小于鉆孔煤壁(常用工業管道當量粗糙度：新聚乙烯管Ks為0～0.002，光滑煤壁Ks為0.300～3.000)，有效減小了負壓由孔口向孔底傳遞過程中的損失，同時，能在鉆孔垮孔時保持鉆孔內瓦斯流動通道的暢通，提高了鉆孔的利用率。全孔段下放篩管抽采工藝原理如圖8所示。

圖8 全孔段下放篩管抽采工藝原理圖

3.2 現場試驗驗證

為了對比3種瓦斯抽采工藝的抽采效果，在N3702工作面進行現場試驗，1#鉆孔實施傳統抽采工藝，2#鉆孔實施加長抽采管工藝，3#鉆孔實施下放篩管工藝。不同抽采工藝條件下抽采效果對比試驗方案布置如圖9所示。

1)孔內負壓分布對比

在相同的封孔質量條件下，對比傳統抽采工藝與加長抽采管工藝這2種抽采工藝孔內負壓的分布規律。測定抽采時間為10、40、80 d的1#、2#鉆孔內不同深度點的負壓值，在不同抽采時間內鉆孔內負壓分布趨勢如圖10所示。由于篩管孔徑過小，無法設置測點，故下放篩管工藝不參與比較。

圖9 不同抽采工藝條件下抽采效果對比試驗方案布置圖

圖10 1#、2#孔在不同抽采時間內鉆孔內負壓分布趨勢圖

由圖10可知：①傳統抽采工藝鉆孔內負壓沿孔長呈衰減趨勢分布，而加長抽采管工藝鉆孔內負壓沿孔長方向呈“山峰型”分布；②孔底部區域(100 m處負壓值)，加長抽采管工藝壓損比傳統抽采工藝小；③10 m處負壓值，加長抽采管工藝封孔段兩端的壓差比傳統瓦斯抽采工藝小；④曲線所覆蓋的面積，加長抽采管工藝鉆孔內平均負壓值及全程負壓能均比傳統抽采工藝大。

2)抽采效果對比

以抽采瓦斯濃度(CH4體積分數，下同)和流量為指標對比3種抽采工藝下的瓦斯抽采效果，抽采93 d內，1#、2#、3#鉆孔抽采瓦斯濃度分別為60%、79%、78%，計算1#、2#、3#鉆孔累計瓦斯混合流量及累計瓦斯純流量，其變化趨勢如圖11所示。

(a)累計瓦斯混合流量趨勢圖

(b)累計瓦斯純流量趨勢圖

由圖11可知，3個鉆孔的瓦斯抽采效果排序為2#鉆孔>3#鉆孔>1#鉆孔。

綜上所述：①1#鉆孔采用傳統抽采工藝，瓦斯抽采效果最差，4個指標值均為最低，且鉆孔易于漏氣，負壓損失最嚴重；②2#鉆孔采用加長抽采管工藝，單孔瓦斯濃度及流量均好于1#、3#鉆孔，且在現場實施簡單易行，具有推廣價值；③3#鉆孔采用下放篩管抽采工藝，瓦斯抽采效果好于1#鉆孔，但流量比2#鉆孔小，分析認為篩管上的小篩孔抑制了瓦斯流動，在鉆孔未變形階段，下放篩管抽采工藝優勢并不明顯，但下放篩管抽采工藝在易垮孔的煤層內可以維持較好的抽采通道，適用于軟煤層瓦斯抽采。

4 結論

1)厘清了順層鉆孔孔內壓損的構成，即沿程摩擦阻力損失、加速度損失、混合損失及局部阻力損失四部分，得到了可在現場應用的順層鉆孔孔內負壓分布計算公式：

2)針對傳統瓦斯抽采工藝的不足，分析并驗證了加長抽采管抽采工藝和下放篩管抽采工藝的優點，并提出了適用條件：在成孔條件較好的硬煤層中，加長抽采管工藝抽采效果最優；在成孔條件不好的軟煤層中，下放篩管工藝抽采效果最優。