提高保護層卸壓瓦斯量的方法研究

呂龍輝，　靳紅霞

(河南質量工程職業(yè)學院 信息工程系， 河南 平頂山　467000)

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提高保護層卸壓瓦斯量的方法研究

呂龍輝，靳紅霞

(河南質量工程職業(yè)學院 信息工程系， 河南 平頂山467000)

摘要：根據氣體徑向流動理論和能量守恒定律，建立了地面鉆孔瓦斯抽放模型及流動網絡，提出了通過提高井眼底部阻力來增加保護層泄壓瓦斯量的方法。工程應用結果表明，通過增加井眼底部的流動阻力，可以顯著提高保護層卸壓瓦斯量。

關鍵詞：瓦斯抽放； 地面鉆孔； 鉆孔阻力； 卸壓瓦斯

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1504.017.html

0引言

中國煤礦通常通過煤層鉆孔從保護層釋放瓦斯壓力，這種方法存在工程量大、修建風險高、對其他生產活動有干擾等缺陷。地表鉆孔的施工和操作不受地下空間或生產活動的限制，鉆孔不僅能從保護層和開采層的采空區(qū)抽排瓦斯，而且能實現(xiàn)大量高濃度瓦斯的排放。通過地表鉆孔，早期瓦斯抽排量和濃度迅速達到峰值，隨著工作面的進展，瓦斯抽排量會隨著底部裂縫程度的增加逐漸減小[1]。當工作面鉆孔深度為150～200 m時，鉆孔和采空區(qū)之間的大量低濃度瓦斯從采空區(qū)排出，卸壓瓦斯量減少。為了消除瓦斯突出，必須采取有效措施提高保護層瓦斯抽放量。本文建立了通過地面鉆孔卸壓開采煤層瓦斯的數學模型，提出了一種通過提高井眼底部阻力來提高保護層卸壓瓦斯量的方法。

1地面鉆孔卸壓瓦斯數學模型

1.1模型參數

地面鉆孔瓦斯抽放模型如圖1所示，其中Q0為混合氣體抽放流量，m3/s；P為瓦斯抽放的負壓，MPa；b為地面鉆孔井口混合氣體體積分數，%；pm為上覆煤層邊界瓦斯抽放壓力，MPa；D為上覆煤層的厚度，m；λ1為上覆煤層瓦斯抽放區(qū)的平均滲透系數，m2/(MPa2·d)；Q1為開采上覆煤層時瓦斯流量，m3/s；P1為地面鉆孔與上覆煤層交界處的氣體絕對壓力，MPa；Q2為從采空區(qū)抽放的瓦斯流量，m3/s；h1為從地面到上覆煤層的距離，m；R為地面鉆孔的半徑，m。

圖1　地面鉆孔瓦斯抽放模型

1.2模型構建

在負壓引流壓力的作用下，利用徑向流模型計算上覆煤層的壓力釋放氣體流量[2]：

(1)

式中：R1為上覆煤層開采區(qū)瓦斯分布半徑，m；α1為上覆煤層瓦斯抽放流量修正系數。

根據能量守恒定律，將上覆煤層瓦斯流動的伯努利方程表示為

(2)

式中：ρ0為井口氣體的密度，kg/m3；g為重力加速率；v0為地面井內氣體的流速，m/s；P0為地表的絕對大氣壓力，MPa；λ為損耗系數。

進一步簡化式(2)得

(3)

根據混合氣體的密度和體積分數之間的關系，ρ0可以表示為

(4)

式中：ρm為純瓦斯氣體密度，kg/m3；ρg為不含瓦斯的空氣密度，kg/m3。

聯(lián)立式(1)、式(3)和式(4)求解，得到從保護層中排出卸壓氣體Q1的數學模型[4]為

(5)

2提高保護層卸壓瓦斯量的方法

2.1卸壓瓦斯量決定因素

式(5)中，P0是本地忽略溫度變化的大氣壓力常數；參數D，R1和h1分別是保護層、地面鉆孔和煤層的地質條件的特性參數。當工作面通過地面鉆孔推進到更遠的距離(鉆孔瓦斯抽放的后期階段)，保護層裂隙發(fā)展到比較穩(wěn)定的瓦斯抽放區(qū)時，參數λ1，α1，Pm和R在較短的時間內可視為常數。瓦斯抽放鉆孔后期的Q1值主要由P，b和Q0決定。

根據式(5)，Q1值隨著P和b值的增大而增大，隨Q0值減小而增大。因此，要想增大Q1的值，必須采取措施增大P和b的值，并減小Q0值。

2.2氣體流動網絡分析

鉆孔和各種氣體源的流動網絡如圖2所示，其中a點為鉆井井口，b點為井眼與保護層的交界處，c點為受保護層的瓦斯抽放區(qū)邊界，d點是鉆孔的井下，e點是瓦斯抽放裂縫區(qū)域的邊界。

氣流的總阻力hf可以由式(6)計算：

(6)

式中：R′為地面鉆孔等效風阻力，N·s2/m3。

根據負壓氣體泵的特性曲線和鉆孔的等效風阻曲線可以確定泵的操作點，即氣體流量和氣體所需的負壓引流。2BEC40真空泵負壓特性曲線(轉速為440 r/min)如圖3所示。瓦斯抽放泵的工作點如圖4所示，隨著參數R′的增大，P值增大，Q0值減小。當P增大、Q0減小時，Q1值增大。

如圖2所示，bc和de分別是保護層和采空區(qū)的氣體流動路徑，風阻值Rbc和Rde不變。因此，要提高Q1的值，只能增大風阻值Rab和Rbd。

圖2　氣體流動網絡

圖3　真空泵負壓特性曲線

當Rab增加時，由于Rbc和Rde不變，Q1/Q2也保持不變，所以b值不變。如果Rbd值增大后，Q2值減小，則Q1/Q2的值增加，導致b值增大。通過增大b值可使Q1值增大，因此，與增大Rab值相比，增大Rbd值是一種更好的提高卸壓瓦斯抽放的方法[5]。

圖4　瓦斯抽放泵的工作點

2.3鉆孔底部阻力提高方法

基于上述理論分析，可以通過向鉆孔投擲可滲透材料(固體碎片、沙袋等)來增加鉆孔底部的風阻力。根據瓦斯抽放條件和鉆孔直徑確定投放材料的類型和尺寸，該材料的堆疊高度應保持在0.5～1 m。如果使用沙袋增加風阻，優(yōu)先選擇直徑為2～5 cm的沙袋。

3工程應用

平煤集團十礦的2號、3號、7號、8號煤層具有每年1 000萬t的生產能力。2號和8號煤層為煤與瓦斯突出煤層。瓦斯突出事故發(fā)生在采礦過程中的2號煤層。由于瓦斯突出問題不能有效解決，所以礦井放棄2號煤層開采，生產轉向3號煤層，但是瓦斯過量排放對生產有著嚴重影響。為了消除2號煤層突出危險性，解決3號煤層的瓦斯排放問題，改變了傳統(tǒng)的下采順序。首先開采7號煤層，該層是8號煤層的保護層，然后開采8號煤層，2號和3號煤層進行雙重保護。從2號和3號煤層抽放瓦斯2次，從而消除煤與瓦斯突出危險，減少接縫瓦斯含量。地面鉆孔從保護層和采空區(qū)同時抽放瓦斯。地面鉆孔結構[6]如圖5所示。

圖5　地面鉆孔結構

2012年7月，該礦8號煤層排出鉆孔的瓦斯體積分數已降到20%左右，為了進一步提高卸壓瓦斯量，將一些沙袋放入鉆孔底部以增加阻力。為了避免阻力過大，選擇大小約2～3 mm的沙粒，沙袋直徑約5 cm，將大約30個沙袋放入井眼。增加井眼底部阻力前后瓦斯抽放參數的變化如圖6所示。

圖6　地面鉆孔瓦斯抽放參數的變化

從圖6可知，增加井眼底部阻力后，混合氣體流量略下降，但平均純瓦斯流量增加了0.31 m3/min，平均抽放瓦斯體積分數增加了20.7 %，參數對比如圖7所示。此外，由于鉆孔底部風阻力的增大，從保護層卸壓瓦斯的量增加，從而在采空區(qū)提取的純瓦斯氣體濃度減小。因此，增加井眼底部阻力的方法可有效增加瓦斯排放量。

圖7　增加井眼底部阻力前后瓦斯抽放參數對比

4結語

根據徑向氣體流動理論，建立了地面鉆孔卸壓瓦斯數學模型，建立了地面鉆孔瓦斯抽放的流動網絡，提出了一種通過提高井眼底部阻力來增加保護層卸壓瓦斯量的方法。該方法在平煤集團十礦8號煤層進行了工業(yè)試驗，試驗結果表明，增加鉆孔底部的風阻可以使保護層卸壓瓦斯量顯著增加。

參考文獻：

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[2]梁運培,胡千庭,郭華,等.地面采空區(qū)瓦斯抽放鉆孔穩(wěn)定性分析[J].煤礦安全,2007,38(3):1-4.

[3]張波.突出煤層雙動力排渣鉆桿的分析與研究[D].焦作：河南理工大學,2011.

[4]張健,榮向東.瓦斯抽放鉆孔封孔工藝改進及效果檢測研究[J].煤炭工程,2012,44(10):33-35.

[5]馬永慶.提高底板巖巷穿層鉆孔瓦斯抽放效果的技術措施[J].煤礦安全,2011,42(5):34-36.

[6]馮大鈞,孔偉,徐樹斌,等.新型瓦斯抽放鉆孔技術在平煤十礦松軟煤層中的應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013,40(4):69-72.

Methods of increasing amount of pressure-relief gas of protective layer

LYU Longhui，JIN Hongxia

(Department of Information Engineering, Henan Quality Engineering Vocational College, Pingdingshan 467000, China)

Abstract：According to gas radial flow theory and energy conservation law, gas drainage model and flow network using surface drilling were established, and method of increasing amount of pressure-relief gas of protective layer by increasing resistance of the bottom of the wellbore was proposed. The engineering application results show that by increasing the flow resistance of the bottom of the wellbore, the amount of pressure-relief gas of protective layer can be significantly increased.

Key words:gas drainage； surface drilling； drilling resistance； pressure-relief gas

文章編號：1671-251X(2016)07-0070-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.017

收稿日期：2015-11-30；修回日期：2016-05-13；責任編輯：胡嫻。

作者簡介：呂龍輝(1981-)，男，河南平頂山人，講師，工程碩士，研究方向為計算機網絡技術，E-mail:804403258@qq.com。

中圖分類號：TD712.62

文獻標志碼：B網絡出版時間：2016-07-05 15:04

呂龍輝，靳紅霞.提高保護層卸壓瓦斯量的方法研究[J].工礦自動化，2016,42(7)：70-72.