低滲透煤層機(jī)械造穴增透注水防塵技術(shù)研究

王海龍

(潞安化工集團(tuán) 新元公司,山西 晉中 030600)

隨著機(jī)械化程度不斷提高,綜采工作面粉塵污染問題愈加嚴(yán)重,不僅會(huì)引起煤塵爆炸,還會(huì)對(duì)工人的身體健康造成長期危害[1-2]。煤層注水是解決綜采工作面粉塵問題的有效措施,可提前潤濕并軟化煤體,顯著降低采煤過程中的粉塵含量[3-6]。針對(duì)此問題,徐厚學(xué)[7]采用相似模擬試驗(yàn)分析了割縫壓力對(duì)成縫深度的影響規(guī)律,并在煤礦井下對(duì)割縫增透方式進(jìn)行了比較和優(yōu)化試驗(yàn)。Cheng等[8]分析潤濕煤中煤層注水的微觀過程,并通過MTS3.815伺服控制巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)煤層滲透性進(jìn)行了測試。朱紅青等[9]提出脈動(dòng)注水增透技術(shù),并通過FLAC3D內(nèi)嵌FISH程序語言編寫脈動(dòng)注水函數(shù)。趙振保[10]提出了變頻脈沖式方法進(jìn)行煤層注水。李曉紅等[11]基于巖石動(dòng)態(tài)損傷模型,理論分析和數(shù)值模擬了高壓脈沖水射流的變化規(guī)律。郭明濤等[12]從微觀上研究高壓注水對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響。劉旭東等[13]采用數(shù)值仿真結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測的方法,對(duì)單孔、雙孔及六孔高壓水力“割-壓”鉆孔周圍煤體潤濕范圍和注水效果進(jìn)行分析。辛憲耀[14]采用了大采高工作面長鉆孔高壓脈動(dòng)注水技術(shù)。上述研究是通過割縫增透、變頻脈沖注水、高壓脈沖注水、高壓脈動(dòng)注水等方式研究煤層注水效果,但鮮有學(xué)者提出采用機(jī)械造穴增透注水。本文提出的機(jī)械造穴增透技術(shù)可以使煤體發(fā)生卸壓塑性破壞,增大煤層滲透率,提升防塵效果。

盡管煤層注水是井工煤礦采煤工作面減少粉塵產(chǎn)生量的根本性措施,但新元公司所采煤層為低孔隙率難滲透煤層,導(dǎo)致實(shí)際注水過程難以達(dá)到預(yù)期效果。因此,開展新元公司低滲透煤層機(jī)械造穴增透注水防塵技術(shù)研究工作對(duì)高效、安全采煤具有重要的實(shí)際意義。

1 機(jī)械造穴增透技術(shù)

1.1 機(jī)械造穴增透原理

煤體可等效為由基質(zhì)和裂隙所組成的立方體模型,其中基質(zhì)內(nèi)含有豐富的孔隙。煤層注水的難易程度主要取決于煤層本身的滲透率大小。因此,對(duì)煤體進(jìn)行層內(nèi)卸壓增透是提高煤層滲透率的重要手段。造穴增透技術(shù)是利用特殊設(shè)備對(duì)鉆孔煤層段進(jìn)行二次造穴擴(kuò)孔,形成數(shù)個(gè)直徑大于300 mm的洞穴。隨著擾動(dòng)煤體某點(diǎn)與鉆孔中心距離的增加,煤體受到的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力逐漸增大,從而在鉆孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,降低了煤層的滲透率,阻礙了瓦斯?jié)B透,形成所謂的“瓶頸效應(yīng)”。而造穴過程擴(kuò)大了煤層段煤體的暴露面積和鉆孔周圍煤體的卸壓圈范圍,增加了鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)場的影響范圍,并擴(kuò)大了鉆孔抽采影響半徑,從而達(dá)到了增透效果。

在煤層擴(kuò)孔后,孔洞的形成使鉆孔周圍較大范圍內(nèi)的煤體發(fā)生塑性損傷破壞,煤體得到充分卸壓,鉆孔周圍大范圍煤體進(jìn)入塑性破壞狀態(tài),進(jìn)而大量裂隙發(fā)育,使煤體滲透率成倍增加。對(duì)鉆孔施工過程中的煤體進(jìn)行受力分析,煤層受三向地應(yīng)力影響,即垂直應(yīng)力和兩個(gè)主要水平應(yīng)力,極坐標(biāo)下擾動(dòng)煤體的σθ與σr服從的平衡微分方程為:

(1)

選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則來判斷煤體是否出現(xiàn)塑性破壞,該準(zhǔn)則可表示為:

(2)

式中:φ為煤體的內(nèi)摩擦角,(°);Ci為煤體的內(nèi)聚力,MPa;p為煤體的應(yīng)力,MPa。

煤體處于塑性區(qū)時(shí),由于裂隙發(fā)育與生成貫通導(dǎo)致其內(nèi)聚力C逐漸減小到殘余值,而內(nèi)摩擦角卻幾乎不發(fā)生變化,內(nèi)聚力的降低是造成該區(qū)域內(nèi)煤體強(qiáng)度降低的主要原因。當(dāng)應(yīng)力超過峰值強(qiáng)度,煤體進(jìn)入峰后軟化階段。在此階段,煤體的內(nèi)聚力從C0逐漸減小到殘余值Cb,其值由煤體的殘余強(qiáng)度決定。假設(shè)在應(yīng)變軟化階段內(nèi)聚力隨應(yīng)變呈線性減小,內(nèi)聚力C在各個(gè)區(qū)內(nèi)可表示為:

(3)

由于實(shí)際地層條件差異較大,理論狀態(tài)下的水平裂隙和垂直裂隙與實(shí)際效果會(huì)存在差異。

1.2 機(jī)械造穴數(shù)值模擬

新元公司31001綜采工作面所處3號(hào)煤層原有水分w(H2O)為1.24%～1.43%、吸水率δ為2.80%～4.42%、堅(jiān)固性系數(shù)f為0.56～0.67、煤巖孔隙率為3.12%、抗壓強(qiáng)度為27.4 MPa。煤層受到的平均水平地應(yīng)力為16.03 MPa,平均垂直應(yīng)力為14.12 MPa。圖1顯示了由PFC2D5.00軟件構(gòu)建的造穴鉆孔PFC2D模型,模型長×高=6 m×3 m,造穴孔徑為500 mm。結(jié)合以上地質(zhì)信息對(duì)模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,分析鉆孔對(duì)煤層的破壞增透情況,再對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行討論。

圖1 PFC2D模型Fig.1 PFC2D Model

圖2(a)和2(b)分別為造穴鉆孔對(duì)煤層破壞后的力鏈圖與位移云圖。由模擬結(jié)果可知,機(jī)械造穴鉆孔會(huì)對(duì)煤層起到卸壓作用,應(yīng)力以鉆孔上部與下部為主導(dǎo),且鉆孔周圍變形破壞均以鉆孔上部與下部為主導(dǎo)。模擬在地應(yīng)力狀態(tài)下,孔穴對(duì)煤體破壞的情況并對(duì)其進(jìn)行分析。在施加16.03 MPa的水平應(yīng)力與14.12 MPa的垂直應(yīng)力條件下,對(duì)煤層中部開挖500 mm直徑的孔穴。煤體破壞情況如圖2(c)所示。由模擬結(jié)果可知,在500 mm孔徑鉆孔周圍產(chǎn)生大量裂隙。在裂隙發(fā)展前期,裂隙在鉆孔周圍均勻分布,隨后裂隙的產(chǎn)生主要以垂直方向?yàn)橹鳌４怪狈较蛄严蹲钸h(yuǎn)處距孔心500 mm,水平方向裂隙最遠(yuǎn)處距孔心300 mm。在鉆孔水平與垂直方向距鉆孔距離1 m范圍內(nèi)布置10個(gè)測點(diǎn),記錄煤體周圍的孔隙率增量,如圖2(d)所示。鉆孔周圍測點(diǎn)孔隙率增量情況如圖3所示,機(jī)械造穴鉆孔對(duì)距孔心500 mm范圍內(nèi)的煤體孔隙率會(huì)產(chǎn)生一定影響,但此范圍以外則影響較小。

圖3 鉆孔周圍測點(diǎn)孔隙率增量Fig.3 Porosity increment of measuring points around drilling holes

1.3 機(jī)械造穴工藝參數(shù)

通過數(shù)值模擬結(jié)果,并結(jié)合工作面實(shí)際情況,現(xiàn)場采用的是“一孔多用”節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本的方式。掘進(jìn)工作面的高度為3.2 m,寬度為5.2 m,故在掘進(jìn)工作面采用單鉆孔布局。在井下現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)了3 m、5 m、7 m的造穴間距以及0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m的造穴長度,通過施工時(shí)間與增透效果,確定了造穴間距為5 m、造穴長度為1 m。機(jī)械造穴鉆孔設(shè)計(jì)圖,如圖4所示。造穴鉆孔設(shè)計(jì)深度120 m,保留23 m的安全抵抗線距,23 m至孔底每間隔5 m造穴一次,造穴直徑0.5 m,造穴段長度1 m,共造17個(gè)穴。

合理的封孔長度應(yīng)位于工作面卸壓帶向應(yīng)力集中帶過渡的區(qū)域,根據(jù)鉆孔施工過程中排粉的變化所測定的煤壁前方1.5～2.0 m為卸壓帶,應(yīng)力集中帶在2.0～5.0 m,5.0 m以外為原始應(yīng)力帶。由此確定煤層注水孔的封孔深度為2.0 m左右。

2 煤層注水防塵技術(shù)工藝

2.1 煤層注水原理

煤層注水降塵技術(shù)就是在工作面推進(jìn)前,向煤體打注水鉆孔,通過所打的鉆孔向煤體內(nèi)注水,使水均勻地侵入到煤層的裂隙和孔隙當(dāng)中,從而降低了產(chǎn)生浮游煤層的能力。煤體作為典型的、具有豐富孔裂隙的多孔介質(zhì),由地下水滲流力學(xué)可知,煤層注水濕潤煤體,水在其內(nèi)部的滲流遵循達(dá)西定律,滲流速度為:

(4)

式中:v為滲流速度,m/s;Q為滲流量,m3/s;K為滲透系數(shù),m/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;J為水力梯度。

水在煤層裂隙、孔隙中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力主要有兩種:一是孔口的注水壓力,是外在動(dòng)力;另一種是煤層中裂隙、孔隙對(duì)水的毛細(xì)作用力,是內(nèi)在動(dòng)力,兩種動(dòng)力的矢量和為注水的動(dòng)力。在瓦斯較大的煤層中,瓦斯壓力阻止水的運(yùn)動(dòng),是不可忽略的注水阻力。因此煤層注水時(shí)水的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力是這3種力的合力。對(duì)于某一煤層孔隙而言,作用于孔隙兩端的總壓力差為:

Δp=pz+pm-pw.

(5)

式中:Δp為作用于煤層孔隙的總壓力差,kPa;pz為注水壓力造成的孔隙兩端的壓力差,kPa;pm為孔隙的毛細(xì)作用力,kPa;pw為孔隙內(nèi)的瓦斯壓力,kPa。

式(5)中注水壓力取決于水泵或管網(wǎng)的壓力,瓦斯壓力決定于瓦斯賦存情況,而煤層孔隙的毛細(xì)作用力則取決于孔隙的直徑、水的表面張力、水對(duì)煤的潤濕邊角。若把孔隙看作圓形微管,毛細(xì)作用力為:

pm=4.08σd-1·cosθ.

(6)

式中:σ為水的表面張力,N/m;θ為水對(duì)煤的潤濕邊角,(°);d為孔隙直徑,cm。

對(duì)煤層注水濕潤煤體的過程進(jìn)行宏觀分析,需要宏觀的控制方程,即質(zhì)量守恒方程:

(7)

式中:E為位能與壓能的和,J;Kx,Ky,Kz為導(dǎo)水系數(shù)張量的分量,m2/d;δ為裂隙-孔隙介質(zhì)的貯水系數(shù);Q為源匯項(xiàng)(注水對(duì)控制體內(nèi)水量的影響),m3;h′為在組合孔隙與裂隙接觸處的水頭,m;c為比例常數(shù),取決于孔隙和裂隙間滲流性及其幾何特性;Q1為由死端、微孔隙水的毛細(xì)和擴(kuò)散作用引起控制體內(nèi)水量的變化,m3,主要與液體及孔隙的性質(zhì)有關(guān),而與裂隙與孔隙的壓差關(guān)系不大。

2.2 煤層注水工藝參數(shù)

2.2.1注水壓力

煤層的注水壓力以不壓裂煤層為前提,其被壓裂的壓力與上覆巖層的厚度有關(guān),可按下式計(jì)算:

(1.2～1.5)pG≤pZ≤pP(pR=9.8×10-3hγcp).

(8)

式中:pG為煤層中的瓦斯壓力,MPa;pR為上覆巖層壓力,MPa;h為上覆巖層的平均厚度,m;γcp為上覆巖層的平均密度,一般取2.5 t/m3。

根據(jù)新元公司井下實(shí)際情況,h取564.7 m。計(jì)算得出:2.928～3.660≤pZ≤14.700,得出最大注水壓力pZ為14.12 MPa。

2.2.2注水量及注水時(shí)間

鉆孔的單孔注水量可通過下式進(jìn)行計(jì)算:

Q=K·n·Vc×103.

(9)

式中:Q為單個(gè)鉆孔注水量,m3;K為漏水系數(shù),取1.2;n為濕潤系數(shù),取n=2.0%～2.5%;Vc為濕潤體積,m3。

Vc=Ldb.

(10)

式中:L、b為鉆孔長度與鉆孔之間距,m;d為層平均厚度,m。

據(jù)上述公式(9)計(jì)算得最大單孔注水量為27.08 m3;單孔注水流量的確定為注水泵的流量q,即0.315 m3/min;單孔注水時(shí)間的確定為1.429 h。

3 工藝現(xiàn)場實(shí)測

3.1 注水效果

對(duì)31001工作面實(shí)施機(jī)械造穴增透,測定煤層注水前后煤樣水分含量,比較注水前以及普通注水后的煤體周圍含水率變化情況,具體測點(diǎn)情況如圖5所示。

圖5 普通注水孔與機(jī)械造穴注水孔測點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of measuring points of ordinary water injection holes and mechanical cavitation water injection holes

注水前后煤體水分變化情況如圖6所示。由圖6可知,普通鉆孔注水后的煤體水分平均為1.53%～2.35%,新增水分平均為0.23%～1.05%;在實(shí)施機(jī)械造穴后測得的煤體水分平均為4.83%～7.02%,新增水分平均為3.53%～5.75%。根據(jù)煤層注水規(guī)范,注水后煤體水分含量增量需為1%～2%的合格標(biāo)準(zhǔn)來看,機(jī)械造穴后的煤層注水潤濕效果較好。

圖6 注水前后煤體水分Fig.6 Coal moisture content before and after water injection

3.2 防塵效果

在未注水前對(duì)工作面各工序處的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了測定,針對(duì)掘進(jìn)工作面的產(chǎn)塵特點(diǎn),主要測定了掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置、掘進(jìn)機(jī)后方5 m處與掘進(jìn)機(jī)后方10 m處普通鉆孔注水和機(jī)械造穴注水后的粉塵質(zhì)量濃度,在實(shí)驗(yàn)室稱重計(jì)算后并繪制出結(jié)果圖如圖7所示。由圖7可知,機(jī)械造穴增透注水后煤層的呼吸性粉塵與全塵質(zhì)量濃度的降塵率分別為75.4%～80.8%和78.1%～82.0%,相比采用普通注水孔的工作面的呼吸性粉塵與全塵質(zhì)量濃度的降塵率分別為31.5%～40.7%和25.9%～40.4%,均有很大的提升。

圖7 注水前后工作面粉塵質(zhì)量濃度Fig.7 Dust concentration of working face before and after water injection

4 結(jié)論

1)通過數(shù)值模擬計(jì)算可知,機(jī)械造穴所形成500 mm孔徑孔穴周圍會(huì)形成大量裂隙,且垂直方向裂隙更加發(fā)育;垂直方向裂隙最遠(yuǎn)處距孔心500 mm,水平方向裂隙最遠(yuǎn)處距孔心300 mm。

2)通過對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行研究,最大注水壓力為14.12 MPa,最大單孔注水量為27.08 m3,單孔注水流量為0.315 m3/min,單孔注水時(shí)間為1.429 h;根據(jù)鉆孔施工過程中排粉量的變化確定煤層注水孔的封孔深度為2.0 m左右。

3)機(jī)械造穴增透注水后煤層的呼吸性粉塵與全塵質(zhì)量濃度的降塵率分別是普通注水孔的1.8～2.5倍和1.9～3.1倍;機(jī)械造穴注水后煤體水分是普通注水后的2.9～3.1倍。