低滲透煤層機械造穴增透注水防塵技術(shù)研究

王海龍

(潞安化工集團 新元公司,山西 晉中 030600)

隨著機械化程度不斷提高,綜采工作面粉塵污染問題愈加嚴重,不僅會引起煤塵爆炸,還會對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]。針對此問題,徐厚學(xué)[7]采用相似模擬試驗分析了割縫壓力對成縫深度的影響規(guī)律,并在煤礦井下對割縫增透方式進行了比較和優(yōu)化試驗。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)試驗系統(tǒng),對煤層滲透性進行了測試。朱紅青等[9]提出脈動注水增透技術(shù),并通過FLAC3D內(nèi)嵌FISH程序語言編寫脈動注水函數(shù)。趙振保[10]提出了變頻脈沖式方法進行煤層注水。李曉紅等[11]基于巖石動態(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)場實測的方法,對單孔、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行分析。辛憲耀[14]采用了大采高工作面長鉆孔高壓脈動注水技術(shù)。上述研究是通過割縫增透、變頻脈沖注水、高壓脈沖注水、高壓脈動注水等方式研究煤層注水效果,但鮮有學(xué)者提出采用機械造穴增透注水。本文提出的機械造穴增透技術(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)致實際注水過程難以達到預(yù)期效果。因此,開展新元公司低滲透煤層機械造穴增透注水防塵技術(shù)研究工作對高效、安全采煤具有重要的實際意義。

1 機械造穴增透技術(shù)

1.1 機械造穴增透原理

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,對煤體進行層內(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)備對鉆孔煤層段進行二次造穴擴孔,形成數(shù)個直徑大于300 mm的洞穴。隨著擾動煤體某點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場的影響范圍,并擴大了鉆孔抽采影響半徑,從而達到了增透效果。

在煤層擴孔后,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入塑性破壞狀態(tài),進而大量裂隙發(fā)育,使煤體滲透率成倍增加。對鉆孔施工過程中的煤體進行受力分析,煤層受三向地應(yīng)力影響,即垂直應(yīng)力和兩個主要水平應(yīng)力,極坐標下擾動煤體的σθ與σr服從的平衡微分方程為:

(1)

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

(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,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)煤體強度降低的主要原因。當應(yīng)力超過峰值強度,煤體進入峰后軟化階段。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在各個區(qū)內(nèi)可表示為:

(3)

由于實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際效果會存在差異。

1.2 機械造穴數(shù)值模擬

新元公司31001綜采工作面所處3號煤層原有水分w(H2O)為1.24%～1.43%、吸水率δ為2.80%～4.42%、堅固性系數(shù)f為0.56～0.67、煤巖孔隙率為3.12%、抗壓強度為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)信息對模型中的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定,分析鉆孔對煤層的破壞增透情況,再對模擬結(jié)果進行討論。

圖1 PFC2D模型Fig.1 PFC2D Model

圖2(a)和2(b)分別為造穴鉆孔對煤層破壞后的力鏈圖與位移云圖。由模擬結(jié)果可知,機械造穴鉆孔會對煤層起到卸壓作用,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,孔穴對煤體破壞的情況并對其進行分析。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)生主要以垂直方向為主。垂直方向裂隙最遠處距孔心500 mm,水平方向裂隙最遠處距孔心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個測點,記錄煤體周圍的孔隙率增量,如圖2(d)所示。鉆孔周圍測點孔隙率增量情況如圖3所示,機械造穴鉆孔對距孔心500 mm范圍內(nèi)的煤體孔隙率會產(chǎn)生一定影響,但此范圍以外則影響較小。

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

1.3 機械造穴工藝參數(shù)

通過數(shù)值模擬結(jié)果,并結(jié)合工作面實際情況,現(xiàn)場采用的是“一孔多用”節(jié)省經(jīng)濟成本的方式。掘進工作面的高度為3.2 m,寬度為5.2 m,故在掘進工作面采用單鉆孔布局。在井下現(xiàn)場實驗了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,通過施工時間與增透效果,確定了造穴間距為5 m、造穴長度為1 m。機械造穴鉆孔設(shè)計圖,如圖4所示。造穴鉆孔設(shè)計深度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為過水斷面面積,m2;J為水力梯度。

水在煤層裂隙、孔隙中運動的動力主要有兩種:一是孔口的注水壓力,是外在動力;另一種是煤層中裂隙、孔隙對水的毛細作用力,是內(nèi)在動力,兩種動力的矢量和為注水的動力。在瓦斯較大的煤層中,瓦斯壓力阻止水的運動,是不可忽略的注水阻力。因此煤層注水時水的運動動力是這3種力的合力。對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,而煤層孔隙的毛細作用力則取決于孔隙的直徑、水的表面張力、水對煤的潤濕邊角。若把孔隙看作圓形微管,毛細作用力為:

pm=4.08σd-1·cosθ.

(6)

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

對煤層注水濕潤煤體的過程進行宏觀分析,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(注水對控制體內(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、微孔隙水的毛細和擴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)新元公司井下實際情況,h取564.7 m。計算得出:2.928～3.660≤pZ≤14.700,得出最大注水壓力pZ為14.12 MPa。

2.2.2注水量及注水時間

鉆孔的單孔注水量可通過下式進行計算:

Q=K·n·Vc×103.

(9)

式中:Q為單個鉆孔注水量,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;單孔注水時間的確定為1.429 h。

3 工藝現(xiàn)場實測

3.1 注水效果

對31001工作面實施機械造穴增透,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,具體測點情況如圖5所示。

圖5 普通注水孔與機械造穴注水孔測點示意圖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%;在實施機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%的合格標準來看,機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

在未注水前對工作面各工序處的粉塵質(zhì)量濃度進行了測定,針對掘進工作面的產(chǎn)塵特點,主要測定了掘進工作面掘進機司機位置、掘進機后方5 m處與掘進機后方10 m處普通鉆孔注水和機械造穴注水后的粉塵質(zhì)量濃度,在實驗室稱重計算后并繪制出結(jié)果圖如圖7所示。由圖7可知,機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)值模擬計算可知,機械造穴所形成500 mm孔徑孔穴周圍會形成大量裂隙,且垂直方向裂隙更加發(fā)育;垂直方向裂隙最遠處距孔心500 mm,水平方向裂隙最遠處距孔心300 mm。

2)通過對3號煤層進行研究,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;機械造穴注水后煤體水分是普通注水后的2.9～3.1倍。