松軟煤層瓦斯抽采鉆孔高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透技術(shù)研究

覃木廣

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

鉆孔瓦斯抽采是煤礦瓦斯災(zāi)害治理的根本措施，其抽采效果與礦井的安全生產(chǎn)狀況密切相關(guān)。我國煤層受多期構(gòu)造影響，煤層煤質(zhì)松軟、地應(yīng)力高、瓦斯含量高、瓦斯壓力大和煤層透氣性差，鉆孔的瓦斯抽采效率低下、瓦斯抽采不理想，嚴(yán)重影響了煤炭供給能力的提升[1]。

為了增加煤層滲透性和改善鉆孔瓦斯抽采效果，煤礦科技工作者對水力化措施[2]、二氧化碳爆破[3]、高壓空氣爆破[4]、電脈沖沖擊波[5-6]、聚能爆破[7]和微波輻射[8]等增透技術(shù)進行了探索和嘗試，有效提升了煤礦瓦斯治理能力和水平。

由于我國煤層瓦斯賦存條件復(fù)雜多變，低滲煤層實施完增透措施后容易進入到低瓦斯流量階段；另一方面，我國煤礦瓦斯抽采中存在著重“生”不“養(yǎng)”的現(xiàn)象，造成了抽采鉆孔數(shù)目眾多、抽采純量有限的尷尬局面。根據(jù)煤礦瓦斯抽采經(jīng)驗，影響瓦斯?jié)舛人p的因素包括瓦斯流動通道不暢、封孔質(zhì)量差和瓦斯自然衰減等，其中瓦斯流動通道不暢因素尚未得到煤礦技術(shù)人員的重視，嚴(yán)重影響了瓦斯抽采效果的提升。研究人員以水為介質(zhì)對塌堵孔進行修復(fù)[9-10]，相對水而言氣體更易獲得并且不產(chǎn)生二次污染。為此，本文以高壓氣體為介質(zhì)，針對煤粉堵塞煤層裂隙、鉆孔和抽采管路等瓦斯運移通道堵塞問題，分析高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透機理，優(yōu)化確定氣體壓力等參數(shù)，改進高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透裝置并進行現(xiàn)場試驗，以期為延長瓦斯抽采鉆孔的使用周期和提高瓦斯抽采效率提供一種新途徑。

1 鉆孔瓦斯抽采衰減影響因素分析

煤層鉆孔瓦斯抽采是通過煤層鉆孔中負壓破壞煤體中原有的“固態(tài)瓦斯煤溶液—自由瓦斯—原始水分”三相平衡體系，使煤層瓦斯以解吸、擴散和滲流的方式從煤層中向鉆孔中運移，從而降低煤層中瓦斯含量的一種技術(shù)方法。

煤層瓦斯抽采實踐表明，瓦斯?jié)舛群蛦挝粫r間的鉆孔瓦斯流量隨抽采時間均呈指數(shù)下降規(guī)律，瓦斯抽采衰減的程度與煤層瓦斯賦存條件、瓦斯抽采方式有關(guān)，瓦斯自然衰減、鉆孔封孔質(zhì)量和瓦斯流動通道堵塞是影響鉆孔瓦斯抽采的主要因素，其中瓦斯流動通道堵塞包含煤層裂隙堵塞和抽采管路堵塞等。在目前煤層的初次增透和封孔質(zhì)量均獲重視的前提下，瓦斯流動通道暢通成為影響鉆孔瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素。

2 高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透機理

2.1 高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透過程

高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透是當(dāng)抽采鉆孔瓦斯?jié)舛人p之后，將其與抽采系統(tǒng)斷開，將其抽采管與空氣增壓裝置連接，壓縮氣體注入到抽采鉆孔中，使鉆孔周圍煤體瓦斯達到吸附再平衡，然后突然打開閥門釋放氣體壓力，此時鉆孔周圍的煤體瓦斯便會發(fā)生解吸，煤粉、煤渣在高壓氣體的攜帶下沖出鉆孔，從而實現(xiàn)鉆孔修復(fù)增透。該方法依靠高壓氣體的循環(huán)修復(fù)作用，在抽采鉆孔內(nèi)建立“增壓—卸壓—沖刷”的空氣動力場、使鉆孔周圍煤體瓦斯發(fā)生“吸附—解吸”的相位變化場、鉆孔周圍煤體經(jīng)受“膨脹—收縮—破壞”的交變應(yīng)力場，這樣“三場”之間相互影響、相互促進，共同實現(xiàn)抽采鉆孔高壓氣體循環(huán)修復(fù)。

2.2 高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透機理

高壓氣體循環(huán)修復(fù)過程是向抽采鉆孔及抽采鉆孔周圍煤體內(nèi)注入高壓氣體，然后再突然打開孔口閥門，使抽采鉆孔內(nèi)的高壓氣體突然釋放的過程。可以從吸附解吸微觀破壞作用、膨脹收縮宏觀破壞作用和氣體膨脹的破壁沖刷作用3個方面對高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透機理進行分析。

(1)氣體吸附解吸的破壞作用。微觀上瓦斯以3種形式存在煤體中，即以固體瓦斯煤溶液的形式存在于煤基質(zhì)塊內(nèi)部或者煤分子中，以吸附態(tài)的形式存在于煤孔隙、裂隙的表面，以自由態(tài)的形式存在于煤孔隙、裂隙中。抽采鉆孔高壓氣體循環(huán)修復(fù)過程中，抽采鉆孔周圍煤體反復(fù)經(jīng)受吸附—解吸作用，氣體分子不斷楔入煤基質(zhì)中，然后又離開煤基質(zhì)，使得煤基質(zhì)中出現(xiàn)微空穴，煤基質(zhì)在此過程中反復(fù)發(fā)生膨脹和收縮現(xiàn)象，煤基質(zhì)膨脹和收縮交替發(fā)生使煤基質(zhì)產(chǎn)生變形，并可能發(fā)生塑性破壞，進而增大煤體滲透性。

(2)煤體膨脹收縮的破壞條件。高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透過程中，煤體瓦斯發(fā)生吸附解吸作用，煤體遭受膨脹和收縮變形，宏觀上煤的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也發(fā)生明顯變化。

假設(shè)甲烷從煤中解吸時，釋放出的煤的初始容積在分子力作用下將被碳原子充滿，此時煤的結(jié)構(gòu)將發(fā)生收縮。據(jù)此煤體收縮或者膨脹過程中其體積應(yīng)變?yōu)閇11]：

(1)

式中，θc為煤體收縮或膨脹過程中的體積；η為分子容積被煤微粒子的置換程度；ΔG為在煤結(jié)構(gòu)中甲烷分子體積吸附或者解吸的相對值(ΔG=G0-G，G0為煤的初始瓦斯含量)；G為煤的現(xiàn)有瓦斯含量；ρCH4為T=20 ℃條件下甲烷的密度；μCH4和μc分別為甲烷和煤的分子質(zhì)量。

考慮礦山壓力的作用，則煤在吸附解吸過程中的平均應(yīng)變可表示為[12-13]：

εcp=(εcp)Γ+θc/3

(2)

當(dāng)煤為均質(zhì)體時，煤在吸附膨脹(解吸收縮)情況下的相對線性變形為：

Δε1=Δε2=Δε3=θc/3

(3)

式中，Δε1、Δε2、Δε3分別為煤在各方向上的線應(yīng)變。

煤的吸附膨脹(解吸收縮)系數(shù)可用吸附膨脹(解吸收縮)條件下相對體積應(yīng)變的導(dǎo)數(shù)表示：

(4)

式中，αcp為煤的吸附膨脹(解吸收縮)系數(shù)；P為氣體壓力；a、b為吸附常數(shù)；ρc為煤的密度；μCH4為甲烷的摩爾質(zhì)量，μC為碳的摩爾質(zhì)量。

式(4)反映了煤在高氣體壓力情況下的吸附變形穩(wěn)定特性，當(dāng)煤被氣體完全充滿時，其膨脹停止，吸附收縮系數(shù)趨于0。

當(dāng)氣體壓力變化較小時，煤吸附膨脹(解吸收縮)過程中受到的應(yīng)力可根據(jù)式(5)近似計算[14]：

(5)

式中，ΔP為氣體壓力變化量；σcp為由于煤吸附膨脹(解吸收縮)產(chǎn)生的應(yīng)力，與氣體壓力增大或者減小時的方向一致，表現(xiàn)為煤體受到相應(yīng)的壓縮或者拉伸。根據(jù)式(5)，當(dāng)氣體壓力減小時，煤體表現(xiàn)為受到拉伸應(yīng)力，在拉伸應(yīng)力的作用下煤體將產(chǎn)生大量的微裂紋，從而使得煤體透氣性增加。

(3)高壓氣體的循環(huán)修復(fù)的破壁沖刷作用。高壓氣體循環(huán)修復(fù)過程是抽采管路、抽采鉆孔及其周圍煤體組成的封閉空間注氣和高壓氣體突然卸壓的過程。當(dāng)封閉空間注滿的高壓氣體突然卸壓時，高壓氣體膨脹做功，煤層裂隙中的煤粉會被高壓氣流沖出裂隙進入抽采鉆孔，同時抽采管路、抽采鉆孔中的煤渣發(fā)生破裂松動，在高壓氣流的攜帶下煤渣、煤粉被沖出鉆孔，隨著煤渣、煤粉的排出，瓦斯流動通道被打通，瓦斯抽采濃度增加，瓦斯抽采效果提升。

利用高壓氣體對煤壁的沖擊破壞作用和卸壓氣體對孔隙材料的撕裂拉伸破壞作用以及高壓氣體對散料物質(zhì)的搬運作用，將煤層裂隙堵塞物破碎運出鉆孔，打開瓦斯流動通道，提高抽采鉆孔的抽采效果。

2.3 高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透氣體壓力的確定

抽采鉆孔高壓氣體循環(huán)作用過程中，煤體的膨脹收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力對煤體微裂隙的發(fā)育具有重要作用。根據(jù)巖石破壞的最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則[15]，拉應(yīng)力應(yīng)超過煤體的抗拉強度，才能起到促進煤體微裂隙發(fā)育發(fā)展、提高煤層透氣性的作用。根據(jù)煤體膨脹收縮的宏觀破壞作用分析，吸附解吸的氣體壓力差是吸附收縮拉應(yīng)力的主要決定因素。

為了實現(xiàn)煤體微裂隙產(chǎn)生，高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透氣體壓力的大小應(yīng)滿足式(6)[16-18]：

|σcp|≥σt

(6)

式中，σt為煤的最大抗拉強度；σcp為由于煤解吸收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3 高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透試驗

3.1 試驗地點概況

趙家寨煤礦隸屬于河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，井田位于河南省新鄭市西側(cè)。該礦設(shè)計生產(chǎn)能力為300萬t/a，為煤與瓦斯突出礦井。

試驗地點選擇在14205工作面，該工作面主采山西組底部二1煤層，平均厚度4.6 m，煤層堅固性系數(shù)0.26，煤層瓦斯含量11.46 m3/t。采用底板穿層鉆孔抽采作為主要區(qū)域預(yù)抽措施，區(qū)域預(yù)抽措施的效果對工作面的接替有重要影響，14205上底抽巷是該工作面底板穿層巷道中的一個。14205上底抽巷為全巖巷道，掘進范圍內(nèi)上距二1煤層底板法距不小于10 m，沿二1煤層走向布置，巷道長度848 m。鉆場布置為中對中，同側(cè)約每70 m布置一個抽放鉆場。

3.2 高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透裝置

高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透裝置由空氣增壓泵、自動卸壓閥門、單向閥、控制閥門、壓力表、主機箱體及附件箱組成[19-21]。附件箱內(nèi)有不銹鋼編織軟管、一體式專用快速接頭、力矩扳手、不銹鋼探測桿等附件、工具。一體式專用快速接頭緊固在抽采鉆孔的抽采管上，通過不銹鋼編織軟管與主機相連。高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透裝置與抽采鉆孔的連接如圖1所示。

圖1 抽采鉆孔高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透裝置結(jié)構(gòu)

高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透裝置依靠壓縮空氣作為動力，通過空氣增壓泵在抽采鉆孔內(nèi)建立高壓氣源，然后突然卸壓，利用高壓氣體對多孔介質(zhì)邊壁的拉伸破壞作用和對散料物質(zhì)的搬運作用，將鉆孔抽采管內(nèi)堵塞物粉碎成細粉狀并沖出鉆孔，利用煤體增壓吸附膨脹—卸壓解吸收縮作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力形成新的裂隙，增加鉆孔周圍煤體透氣性，從而實現(xiàn)對瓦斯抽采鉆孔的修復(fù)增透，提高瓦斯抽采效果。

3.3 高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透氣體壓力的確定

根據(jù)趙家寨煤礦二1煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試結(jié)果，吸附常數(shù)a=29.216 m3/t，b=0.805×10-6Pa-1，瓦斯和煤的分子質(zhì)量分別為μCH4=16 g/mol、μc=12 g/mol，瓦斯和煤的密度分別為ρCH4=0.67 kg/m3、ρc=1 410 kg/m3，二1煤層的彈性模量E0=0.534×109Pa，瓦斯的動力黏度μ=0.22，修正系數(shù)η=0.6，煤的最大抗拉強度σt=0.58 MPa。

將上述參數(shù)代入式(5)可計算出，能夠使煤體產(chǎn)生裂隙的最小氣體壓力為0.255 MPa，高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透裝置設(shè)計的最高氣體壓力為0.8 MPa，滿足使用要求。

3.4 試驗過程

2019年8月—9月，利用高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透裝置在趙家寨煤礦14205工作面上底抽巷的補47號、補41號、產(chǎn)4號、H19號、取5號、產(chǎn)5號、取4號、H17號、補1號鉆場進行了底板穿層抽采鉆孔的修復(fù)增透工業(yè)性試驗，試驗鉆孔數(shù)量為20個。此次修復(fù)增透的鉆孔中，瓦斯抽采時間短的3個月，長的在1年以上，經(jīng)過一段時間的抽采，瓦斯?jié)舛却蠖嘣?%左右，亟須再次進行修復(fù)增透措施。修復(fù)增透鉆孔的基本參數(shù)見表1。

表1 修復(fù)增透鉆孔基本參數(shù)

試驗方法為在瓦斯抽采鉆孔修復(fù)增透前后，分別對鉆孔孔口瓦斯?jié)舛取⒖椎淄咚節(jié)舛群豌@孔瓦斯純流量進行測定。其中，為了綜合評價修復(fù)增透效果，修復(fù)增透試驗后鉆孔孔口瓦斯?jié)舛取⒖椎淄咚節(jié)舛群豌@孔瓦斯純流量的觀測時間為一周，每天觀測1次。

3.5 試驗結(jié)果及分析

(1)修復(fù)增透前后瓦斯?jié)舛茸兓治觥＠霉鈱W(xué)瓦斯?jié)舛葴y定儀對抽采鉆孔修復(fù)增透前后孔口和孔底瓦斯?jié)舛冗M行了測試，測試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 抽采鉆孔修復(fù)增透前后孔口瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

從圖2和圖3可以看出：實施修復(fù)增透措施后，抽采鉆孔孔口和孔底瓦斯?jié)舛染忻黠@提升。①修復(fù)增透前，抽采鉆孔孔口瓦斯?jié)舛葹?%～7%，平均3.9%；修復(fù)增透后，抽采鉆孔孔口瓦斯?jié)舛葹?%～13%，平均7.5%，修復(fù)增透后，抽采鉆孔孔口瓦斯?jié)舛葹樾迯?fù)增透前的1.92倍。②修復(fù)增透前，抽采鉆孔孔底瓦斯?jié)舛葹?7%～45%，平均27.8%；修復(fù)增透后，抽采鉆孔孔底瓦斯?jié)舛葹?5%～70%，平均49.5%。修復(fù)增透后抽采鉆孔孔底瓦斯?jié)舛葹樾迯?fù)增透前的1.77倍。

圖3 抽采鉆孔修復(fù)增透前后孔底瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

(2)修復(fù)增透前后瓦斯流量變化分析。在修復(fù)增透前后，利用孔板流量計、壓差表及光學(xué)瓦斯?jié)舛葴y定儀等對抽采鉆孔修復(fù)增透前后瓦斯流量進行了測試，測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 抽采鉆孔修復(fù)增透前后瓦斯流量對比

圖5 抽采鉆孔修復(fù)增透前后瓦斯純流量關(guān)系散點

從圖4、圖5可以看出：實施修復(fù)增透措施后，抽采鉆孔瓦斯純流量提升效果顯著。修復(fù)增透前，抽采鉆孔瓦斯純流量為0.16～0.67 L/min，平均值為0.29 L/min；修復(fù)增透后，抽采鉆孔瓦斯純流量為0.57～1.98 L/min，平均值為0.94 L/min。修復(fù)增透后抽采鉆孔瓦斯純流量為修復(fù)增透前的3.24倍。

通過分析修復(fù)增透前后瓦斯?jié)舛茸兓屯咚辜兞髁孔兓梢缘贸觯邏簹怏w循環(huán)修復(fù)技術(shù)提升瓦斯抽采效果明顯；修復(fù)增透措施實施后，由抽采鉆孔孔底向抽采鉆孔孔口，瓦斯?jié)舛妊乜咨畹姆植汲仕p趨勢，特別是在抽采管實管與篩管交界處瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)衰減拐點，表明修復(fù)增透措施對鉆孔的密封有一定的影響。當(dāng)使用的氣體壓力較大時，應(yīng)采用二次注漿封孔技術(shù)加強對鉆孔的密封，以提升抽采效果。此外，現(xiàn)場監(jiān)測表明修復(fù)增透措施實施后鉆孔瓦斯純流量在1周后仍然會出現(xiàn)較大的衰減，因此可對鉆孔再次實施修復(fù)增透措施，以提升煤層瓦斯抽采量。

4 結(jié)論

(1)抽采鉆孔抽采后期，瓦斯流動通道堵塞是影響瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素之一；高壓氣體循環(huán)修復(fù)增透作用下，煤體膨脹收縮可使煤體產(chǎn)生大量微裂紋，并且利用高壓氣體的破壁沖刷作用將煤層裂隙堵塞物沖出鉆孔，打開瓦斯流動通道，增加煤層滲透性，延長瓦斯抽采鉆孔生命周期，提高瓦斯抽采效果。

(2)煤體膨脹收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于煤體的最大抗拉強度是煤體微裂隙再發(fā)育的基本條件，而吸附解吸的氣體壓力差是吸附收縮拉應(yīng)力的主要決定因素。

(3)實施修復(fù)增透措施后，抽采鉆孔孔口瓦斯?jié)舛葹樾迯?fù)增透前的1.92倍，瓦斯純流量為修復(fù)增透前的3.24倍，抽采鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞髁烤忻黠@提升，有效解決了松軟煤層瓦斯抽采難題。