不同突出情況下鉆孔瓦斯涌出規(guī)律研究*

馬瑞帥 ，許石青 ，林華穎

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特山區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)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(yīng)力作用在含瓦斯煤體的一種動(dòng)力現(xiàn)象[1]。但是，突出危險(xiǎn)帶的面積通常占不到整個(gè)突出煤層面積的10%[2]。隨著煤礦開采向深部進(jìn)行，近年來煤巷掘進(jìn)時(shí)所發(fā)生的突出事故已占據(jù)礦井突出事故總數(shù)的首位[3]。所以，準(zhǔn)確預(yù)測煤巷掘進(jìn)過程當(dāng)中前方煤體有無突出危險(xiǎn)性意義重大。

煤巷突出預(yù)測靜態(tài)預(yù)測指標(biāo)[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(biāo)[6-7]在理論上進(jìn)行討論，為鉆孔瓦斯涌出最大初速度指標(biāo)奠定理論基礎(chǔ)。重慶煤科院[8]以及中國礦業(yè)大學(xué)進(jìn)一步完善其理論，河南理工大學(xué)較早使用該指標(biāo)進(jìn)行煤巷突出危險(xiǎn)性預(yù)測[9]，其他靜態(tài)預(yù)測指標(biāo)還包括：R值指標(biāo)、最大鉆屑量指標(biāo)和復(fù)合指標(biāo)等。

煤巷突出預(yù)測動(dòng)態(tài)預(yù)測指標(biāo)[10]：1940年代初美國最先運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)預(yù)測煤巷突出危險(xiǎn)性，其他動(dòng)態(tài)預(yù)測指標(biāo)還包括：紅外線輻射指標(biāo)[11]、電磁輻射指標(biāo)[12-13]等。但是，上述預(yù)測指標(biāo)具有預(yù)測指標(biāo)和突出臨界值不具有普適性、預(yù)測指標(biāo)在測定方法上沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等不足。

鑒于上述測定指標(biāo)的不足，蔣承林團(tuán)隊(duì)對鉆孔連續(xù)流量法測定煤體突出危險(xiǎn)性的新方法進(jìn)行了深入研究，實(shí)踐證明該方法實(shí)用性好。但是，有關(guān)不同突出危險(xiǎn)情況下鉆孔瓦斯涌出規(guī)律的研究則鮮有報(bào)道?；诖耍疚耐ㄟ^建立模型，對鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力關(guān)系進(jìn)行研究，利用連續(xù)流量法建立煤層巷道突出預(yù)測裝置，以山西匯豐與貴州威舍煤樣為試驗(yàn)對象，對不同突出危險(xiǎn)情況下鉆孔瓦斯涌出規(guī)律展開相應(yīng)試驗(yàn)研究。

1 模型建立與數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

煤電鉆鉆進(jìn)過程中瓦斯來源主要由三個(gè)部分組成，為研究鉆孔瓦斯涌出量和瓦斯壓力的關(guān)系，針對鉆孔瓦斯來源建立數(shù)學(xué)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(jìn)過程中鉆孔四周的瓦斯流動(dòng)屬于徑向不穩(wěn)定流動(dòng)。假設(shè)瓦斯被密封在頂?shù)装彘g，頂?shù)装鍥]有裂隙且煤層屬于均質(zhì)煤層，瓦斯氣體為理想氣體，服從達(dá)西定律。則可得：

初始條件為：t=0時(shí)，。

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(jìn)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(wěn)定流動(dòng)。假設(shè)煤層均質(zhì)，則可得：

初始條件為：t=0時(shí)，。

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(dá)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(jìn)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(guī)律看做是有限流場的球向不穩(wěn)定流動(dòng)，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，F(xiàn)0為時(shí)間準(zhǔn)數(shù)；q為單位面積瓦斯涌出量，m3/(m2·d)；λ為煤層透氣性系數(shù)，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(shí)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(shù)值模擬的運(yùn)用

大量工程實(shí)踐表明：當(dāng)鉆進(jìn)到具有高壓瓦斯源的煤層時(shí)，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(guān)系?；谏鲜鲢@孔瓦斯流動(dòng)模型，運(yùn)用 COMSOL Multiphysics模擬軟件建立數(shù)值模型，對瓦斯壓力和鉆孔瓦斯流量的關(guān)系進(jìn)行研究分析，模型參數(shù)見表1。模型邊界條件：底部設(shè)置為固定邊界，左側(cè)、右側(cè)和后側(cè)設(shè)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(yīng)力的函數(shù)，三維數(shù)值模型如圖2所示。

表1 模型參數(shù)

圖2 三維數(shù)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(shí)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(shí)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(shí)間分布

為直觀表明鉆孔瓦斯流量和瓦斯壓力的關(guān)系，對圖4進(jìn)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(jìn)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(xiàn)線性關(guān)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(biāo)，判斷煤巷是否具有突出危險(xiǎn)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(jìn)深度動(dòng)態(tài)可測。因而，針對能否運(yùn)用初始鉆孔瓦斯流量規(guī)律表征不同突出危險(xiǎn)情況展開試驗(yàn)研究。

圖4 鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力關(guān)系

2 試驗(yàn)研究

2.1 煤樣選取

為研究不同突出危險(xiǎn)條件下的初始鉆孔瓦斯涌出規(guī)律。試驗(yàn)采集煤樣分別取自山西匯豐 M15號煤層處無突出危險(xiǎn)性的原生結(jié)構(gòu)煤；貴州威舍M29號煤層處有突出危險(xiǎn)性的構(gòu)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(fēng)引射裝置取得。所采煤樣的SEM照片如圖5所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)裝置由突出煤層模擬裝置和鉆孔初始瓦斯流量監(jiān)測裝置兩部分組成。突出煤層模擬裝置主要由壓力機(jī)、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(jiān)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(jī)等組成。裝置原理如圖 6所示。

2.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)工藝流程如圖7所示。

（1）試驗(yàn)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(yàn)裝置原理圖

圖7 試驗(yàn)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(shí)間為30 min；

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

（4）加載圍壓過程中圍壓為100 kN，整個(gè)過程和充氣過程同時(shí)進(jìn)行，且于試驗(yàn)前12 h將加載壓力調(diào)整為預(yù)定值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無突出危險(xiǎn)性

為研究正常鉆進(jìn)時(shí)鉆孔瓦斯流量與突出危險(xiǎn)性關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)工藝流程采用不具有突出危險(xiǎn)性的貴州威舍煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)過程中的安全性，充氣氣體采用N2。試驗(yàn)結(jié)束后對其鉆孔實(shí)際情況以及鉆進(jìn)過程中的動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行觀察，如圖 8所示。

由圖8可知：正常鉆進(jìn)時(shí)鉆孔變形不嚴(yán)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(jì)算機(jī)將流速傳感器電流值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的瓦斯流量值，并生成相應(yīng)的流量曲線圖（見圖9）。從12組試驗(yàn)結(jié)果中選取具有代表性的 2組進(jìn)行分析研究。

由圖9可知：當(dāng)充氣壓力分別為0.663 MPa、0.675 MPa時(shí)，雖然流量曲線圖波動(dòng)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(guān)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(xiǎn)性；打鉆初始流量曲線波動(dòng)較大，即說明在打鉆初始較容易發(fā)生突出，這與現(xiàn)場實(shí)踐相吻合；瓦斯壓力越小，流量曲線波動(dòng)幅度越小，且隨著鉆進(jìn)的深入，流量曲線逐漸變大后趨于平緩。

3.2 有突出危險(xiǎn)性

為研究突出時(shí)鉆孔瓦斯流量與突出危險(xiǎn)性關(guān)系，針對噴孔是否可以表征突出進(jìn)行探究，根據(jù)試驗(yàn)工藝流程，采用具有突出危險(xiǎn)性的山西匯豐煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，為保證試效果以及試驗(yàn)過程中的安全性，充氣氣體采用CO2。試驗(yàn)結(jié)束后，對其鉆孔實(shí)際情況以及鉆進(jìn)過程中的動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行觀察，如圖10所示。

圖8 鉆孔的形狀與動(dòng)力現(xiàn)象（正常鉆進(jìn)）

圖9 瓦斯流量曲線（正常鉆進(jìn)）

圖10 鉆孔的形狀與動(dòng)力現(xiàn)象（噴孔）

由圖10可知：當(dāng)鉆進(jìn)過程中發(fā)生噴孔時(shí)，表現(xiàn)鉆口小、空腔大、鉆孔內(nèi)殘留煤粉、鉆孔壁掉落的煤塊易碎等特點(diǎn)，與井下發(fā)生突出時(shí)情況相吻合。

計(jì)算機(jī)將流速傳感器電流值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的瓦斯流量值，并生成相應(yīng)的流量曲線圖（見圖 11）。從12組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中選取具有代表性的2組進(jìn)行分析研究。

由圖11可知：當(dāng)充氣壓力為0.796 MPa時(shí)，隨著鉆進(jìn)深度的增加瓦斯流量逐漸增加，當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)間約為100 s與160 s時(shí)瓦斯流量明顯增加后恢復(fù)至正常值，鉆進(jìn)到180 s左右時(shí)發(fā)生噴孔現(xiàn)象，噴孔時(shí)瓦斯流量最大為5.5 L/s，持續(xù)幾秒后恢復(fù)正常，這是一個(gè)典型的突出孕育過程；充氣壓力為 0.994 MPa時(shí)，打鉆初始發(fā)生第一次噴孔，這時(shí)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(xù)又發(fā)生兩次噴孔，這與井下同一地點(diǎn)多次突出現(xiàn)象相吻合；初始鉆孔瓦斯流量不僅可以反應(yīng)突出危險(xiǎn)情況，而且可以表明突出可能發(fā)生的地點(diǎn)，相較于其他的突出預(yù)測指標(biāo)具有明顯優(yōu)勢。

圖11 瓦斯流量曲線圖（噴孔）

4 結(jié)論

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

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

（3）打鉆初始流量曲線波動(dòng)較大，說明在打鉆初始較容易發(fā)生突出，這與現(xiàn)場實(shí)踐相吻合；瓦斯壓力越小，流量曲線波動(dòng)幅度越小，且隨著鉆進(jìn)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(yīng)突出危險(xiǎn)情況，而且可以表明突出可能發(fā)生的地點(diǎn)，相較于其他突出預(yù)測指標(biāo)具有明顯優(yōu)勢。