瓦斯抽采钻孔负压定点连续测定技术研究

陈 鹏，成 玮，陈祖国，张 浩，陈西华

(1. 华北科技学院 矿山安全学院，北京 东燕郊 065201；2. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南 焦作454000；3. 永贵能源开发有限责任公司 新田煤矿，贵州 毕节 551799；4. 中煤昔阳能源有限责任公司 白羊岭煤矿，山西 晋中030600；5. 贵州豫能投资有限公司，贵州 贵阳 550000)

0 引言

我国的煤炭资源在世界上占据了一定的地位，我国当前的煤炭资源占了一次性资源大概超过70%，并且在未来的几十年中难以改变现状。随着中国经济的快速增长，对煤炭资源的需求日益增长，高强度开采工作致使瓦斯事故频出，在煤矿开采作业事故中超过了30%[1]。为了有效防止瓦斯灾害发生，《防治煤与瓦斯突出细则》条例规定划分区域执行防突措施是防止瓦斯灾害发生的安全措施[2-4]。在目前，关于《煤矿瓦斯的抽采暂行规范》只是对钻孔内部的负压做出了一定标准规定，而在进行钻孔参数设计的时间长短很难把握，过长会导致资源的浪费但过短又会影响抽放效果，在进行煤炭开采工作中容易造成瓦斯事故。所以对钻孔沿程负压分布规律进行探究，够得到孔内抽放负压规律，进而优化现有瓦斯抽放工艺，对矿井瓦斯防治具有重要的意义。

我国矿井的瓦斯抽采技术历程较为长远，总的来说可分为高透气性煤层瓦斯预抽、邻近层卸压瓦斯抽采、低透气性煤层强化抽采瓦斯、综合抽采技术、立体抽采瓦斯五个历程[5-6]。因此矿井瓦斯抽采一直被作为防治瓦斯灾害发生重要技术手段。但针对矿井抽采负压与抽采量的关系专家学者之间还存在不同的观点。屠锡根、马丕梁[7]、林柏泉[8]等专家认为负压的改变对瓦斯抽采效率的影响十分有限。王兆丰[9]、程远平[10]、王继仁[11]等专家认为，瓦斯的总抽采量与负压密切相关。辛新平[12-13]等专家认为瓦斯的抽采量与负压关系随着抽采时间的变化影响会不一样。因此，研究学者对瓦斯抽采参数进行了一定的分析研究，但再研究观点上还有争议，所以应针对各项参数之间的问题进行综合分析研究。

以上专家学者通过理论结合实验的方法对矿井抽采钻孔孔内负压分布规律进行模拟研究，得出矿井在抽采过程中负压损失量较小，但孔口到孔底的负压损失变化会相差很大的结论[14-15]；并且可以用数学关系式表示，但具体为什么会有这样的变化，还没有定论，主要是缺少矿井抽采钻孔孔内负压损失与孔口初始负压、抽采钻孔直径、抽采时间、封孔深度等抽采钻孔参数之间的具体研究，没有对矿井抽采负压在抽采钻孔孔内分布特性及其对瓦斯抽采效果的影响进行深入研究分析。

本文在沿程负压损失的理论分析的基础上，通过瓦斯抽采钻孔负压连续测定装置测定瓦斯抽采钻孔内沿程负压，理清钻孔内部不同位置处的负压分布情况，研究钻孔周围煤体抽采效果的变化规律及改进传统的抽采工艺，形成以抽采负压为基础的瓦斯抽采效果评价技术体系，减少不必要的资源浪费，为瓦斯抽采效果评价及其工艺参数的优化提供最为直接的定量化依据和支撑。

1 瓦斯抽采钻孔孔内负压分布理论研究

瓦斯在煤层中流动和在抽采钻孔中流动都会碰到若干相对复杂的情况。在煤的形成过程中，瓦斯气体主要是以吸附和游离态存在煤层当中，而且在游离状态的比较少，大部分都以吸附状态存在。根据相关研究成果，煤层瓦斯流动为扩散运动和层流渗流运动。前者的流动特性遵守了Fick扩散定律，主要是在煤的微孔发生。后者遵守Darcy的渗透率定律，主要是在煤的微裂纹中和大孔中发生[16]。瓦斯扩散-渗流过程如图1所示。

而在抽采钻孔内也有两种气体排放的过程(如图2所示)：第一种过程是从煤层流入钻孔的气体，第二种过程是钻孔中的瓦斯气体的流动过程。即在钻孔周围的钻孔内的气体流动以及煤矿煤体内的气体流动。

图1 瓦斯扩散-渗流过程

图2 抽采钻孔内两种气体排放的过程

针对从钻孔周围实体煤壁流入抽采钻孔的情况，我们会发现负压会沿着钻孔的长度衰减。所以从煤壁喷涌出来的瓦斯在钻孔的不同深度处的涌出量也不同。所以为了简化模型并试图使方程易于求解，假设从钻孔的孔壁到孔内有三种瓦斯流动的规律[7-12]，即瓦斯气体流动的衰减规律。沿孔壁流入孔内的瓦斯流量呈非线性或线性关系，如图3所示。

图3 实体煤壁瓦斯流入钻孔的三种形式

瓦斯的抽采工作过程中，除了孔口负压是已知的以外，可直接得出，孔内不同位置处的负压只要知道不同位置处的瓦斯流量，则可根据以下公式[7-12]算出：

(1)

(2)

(3)

其中，R为钻孔瓦斯源半径，m；r0为钻孔半径，m；P0为煤层原始瓦斯压力，MPa；P为煤层瓦斯压力，MPa；a、b为煤层吸附常数，m3/t、MPa-1；c为单位体积煤中可燃物质量，kg/m3；λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)。

根据以上公式可以计算出钻孔不同深度处抽采负压数值，做出负压随着钻孔长度变化的趋势图[7-12]，如图4所示。

图4 三种实体煤壁瓦斯流入钻孔形式下的孔内负压分布情况

由图4可以看出，以上三种实体煤壁瓦斯流入形式下，抽采钻孔孔内负压沿孔长均呈衰减趋势，这与流体力学和渗流力学理论相对应。本次研究就在此理论基础上，利用负压定点连续测定装置对现场负压分布进行测试分析。

2 瓦斯抽采钻孔负压测试系统设计

2.1 试验地点概况[17]

中煤昔阳能源有限责任公司白羊岭煤矿位于山西省昔阳县，此地即为本次的试验地点(后文将其简称为“白羊岭煤矿”)，该矿区于2008年1月接受机械化升级改造，改造后的年产量预计每年90万吨。该矿区有6、8、9、14、11、15、12、13号等8层煤，现阶段能够对15号和9号煤进行开采；15号煤安全性较高，其最低厚度为3.775 m，最高厚度为5.89 m，平均厚度为4.6 m；9号煤的安全性中等，最高厚度为1.46 m，平均0.77 m。测试地点选取该矿的15108胶带顺槽和15111胶带顺槽。

15108工作面所在15#煤层范围内瓦斯含量在4.0～6.0 m3/t，瓦斯压力为0.1～0.3 MPa，煤层透气性系数和瓦斯涌出量分别为小于0.1 m2/MPa2·d的0.089～0.094 m2/MPa2·d、3.6 m3/min，属较难抽放煤层。

15111工作面所在15#煤层范围内瓦斯含量在4.0～6.0 m3/t，瓦斯压力为0.4～0.5 MPa，煤层透气性系数和瓦斯涌出量分别为低于0.1 m2/MPa2·d的0.089～0.094 m2/MPa2·d 、3.2 m3/min，属较难抽放煤层。

2.2 负压测试系统[17]

基于矿井实际的情况，对15111和15108胶带顺槽，采取束管法来测试其抽采钻孔孔内负压。各钻孔布置8个测点，在孔内30 m至100 m处每间隔10 m设置一个测点，以此来对其负压值的具体情况进行测定，经测试，共得到的钻孔数据50组。负压测试系统如图5所示。

1-煤层；2-聚氨酯封孔材料；3-瓦斯抽采管道；4-瓦斯抽采钻孔；5-导气端；6-导气管；7-支护管；8-活塞；9-球形阀门；10-真空负压表图5 负压测试系统示意图

这套抽采负压测定装置是由笔者研发，能满足长钻孔内部长距离，多地点，随时定点测量或者连续测定负压分布值。主要技术路线在于从瓦斯抽采钻孔孔内负压连续测定理论出发，通过现有技术及理论，实现瓦斯抽采钻孔负压定点连续测定，这种测定方法仍在不断地优化，具有较高的实用性。在技术层面，本装置运用了球形阀门、导气管、滑动密封系统、真空负压表、导气端，这些装置共同组成了对于瓦斯抽采钻孔负压定点的连续测定装置，其中真空负压表和导气端分别和钻孔的两端相衔接，在钻孔内部插有导气管。导气管进入钻孔必须通过球形阀门，这时，通过真空负压表即可得知负压的具体数值。

具体测试方案如下：

(1) 根据抽采钻孔的工作要求，对120 m的抽采钻孔进行工作，退钻，清理钻孔里的杂物；

(2) 在钻孔工作完成之后，在其他工具的帮助下，如探杆，把压力测试仪的输气管放置到离钻孔口100 m处的位置上；

(3) 在对抽采线路的安装时，保证安装压力测定仪外面的支护管长度和用来封孔的长度保持一致；

(4) 在安装完抽采线路与测压支护管之后，采取浆封闭钻孔，对接抽采线路；

(5) 在保证钻孔封孔完成后，打开抽采管道，慢慢地调整测压导气管，在不同位置设置观测点。

3 试验测试结果分析

3.1 不同孔口负压下孔内负压变化分析

为了研究不同的孔口负压下抽采钻孔内负压的变化情况，在保持抽采钻孔的直径113 mm，钻孔长度120 m，封孔长度16 m的条件下，分别测试在18.6 kPa，20.4 kPa，21.8 kPa，22.9 kPa，24.3 kPa，25.6 kPa，26.7 kPa，27.5 kPa，28.6 kPa，30.2 kPa 的孔口负压下，钻孔内不同深度处的负压值，结果如图6所示。

图6 不同孔口负压抽采钻孔内不同深度处负压变化图

从图6中可以看出：

(1) 在不同的负压条件下，钻孔内的压力值也会不同，但钻孔内的压力趋势基本保持相同，呈整体变化；

(2) 当抽采钻孔孔口负压由18.6 kPa升高至30.2 kPa，测孔段末端负压由11.3 kPa升高至21.3 kPa，钻孔压力值消耗7.2 kPa～8.9 kPa。与孔口负压相比，负压损失为29.8%～39.3%；

(3) 处于同等负压条件下，随深度不断增加，钻孔内的压力值不断降低。在0～50 m的程度上，压力一般保持稳定，表明在此范围内压力值损失较少，而在50～100 m的程度上，压力值快速降低，表明在这个位置压力值已经有了较大损失。究其根本原因就是，随着钻孔的长度增加，阻力加大，压力的消耗就增大，与此同时，在试验过程中，出现钻孔的变形，塌孔，堵塞等情况都会影响负压的损失；

(4) 因为钻孔的不断深入，钻孔内的压力值渐渐减少，这也就解释了钻孔浅层有效抽采度较高而深层抽采较为困难的原因；

(5) 当孔口负压为27.5 kPa时，负压损失量达到最小值为29.8%，当孔口负压值小于或大于27.5 kPa时，负压损失量都有所增加。

3.2 不同钻孔直径下孔内负压变化分析

为了研究不同的钻孔直径下抽采钻孔内负压的变化情况，在保持抽采负压27.5 KPa，钻孔长度120 m，封孔长度16 m的条件下，分别测试在75 mm，94 mm，103 mm，113 mm，120 mm钻孔直径下，钻孔内不同深度处的负压值，结果如图7所示。

图7 不同钻孔直径抽采钻孔内不同深度处负压变化图

从图7中可以看出：

(1) 在针对同一个钻孔试验发现，钻孔深度越大，钻孔内的压力值就会减小。这个结果和不同孔口负压条件下的测试结果保持一致。改变钻孔的直径，抽采钻孔孔内负压变化趋势也大致相同，均呈递减趋势；

(2) 当钻孔直径为75 mm时，孔底负压相对于孔口负压降低了8.8 kPa；当钻孔直径为94 mm时，孔底负压相对于孔口负压降低了8.1 kPa；当钻孔直径为103 mm时，孔底负压相对于孔口负压降低了7.3 kPa；当钻孔直径为113 mm时，孔底负压相对于孔口负压降低了6.3 kPa；当钻孔直径为120 mm时，孔底负压相对于孔口负压降低了4.9 kPa。与孔口负压相比，负压损失为17.8%～32.0%，这表明钻孔直径越大，负压损失也越小；

(3) 随着抽采钻孔直径的增大，煤体的渗透率逐渐降低，孔内瓦斯流速逐渐降低，瓦斯从钻孔内壁孔隙中涌出的局部阻力和沿程阻力均得到了降低，相应的负压损失也出现降低。

但当钻孔直径增加到一定值后，会出现钻孔坍塌的等一系列安全隐患，所以在保证安全的前提下，选择94～113 mm的钻孔直径是最有保障的。

3.3 不同封孔深度下孔内负压变化分析

为了研究不同的封孔深度下抽采钻孔内负压的变化情况，在保持抽采负压27.5 kPa，钻孔长度120 m，抽采直径113 mm的条件下，分别测试在10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m，22 m封孔深度下，钻孔内不同深度处的负压值，结果如图8所示，负压损失量随封孔深度衰减变化图如图9所示。

图8 不同封孔深度抽采钻孔内不同深度处负压变化图

图9 负压损失量随封孔深度衰减变化图

从图8、9中可以看出：

(1) 改变钻孔的封孔深度，抽采钻孔孔内负压变化趋势大致相同，均呈递减趋势；

(2) 不同封孔深度对应的负压值变化是不一致的。当封孔深度为10 m时，孔底负压相对于孔口负压降低了11.2 kPa；当封孔深度为12 m时，孔底负压相对于孔口负压降低了10.5 kPa；当封孔深度为14 m时，孔底负压相对于孔口负压降低了8.8 kPa；当封孔深度为16 m时，孔底负压相对于孔口负压降低了8.5 kPa；当封孔深度为18 m时，孔底负压相对于孔口负压降低了8.2 kPa；当封孔深度为20 m时，孔底负压相对于孔口负压降低了6.5 kPa；当封孔深度为22 m时，孔底负压相对于孔口负压降低了4.3 kPa。与孔口负压相比，负压损失为15.6%～40.7%；

(3) 抽采钻孔封孔深度在10～14 m、18～22 m段时负压衰减速度变化很快，在14～18 m段时负压衰减速度变化缓慢。

3.4 不同抽采时间下孔内负压变化分析

为了研究不同的抽采时间下抽采钻孔内负压的变化情况，在保持抽采负压27.5 kPa，钻孔长度120 m，抽采直径113 mm，封孔深度16 m的条件下，分别测试在1 d，10 d，15 d，20 d，25 d，30 d抽采时间下，钻孔内不同深度处的负压值，结果如图10所示， 孔内负压随抽采时间变化如图11所示。

图10 不同抽采时间抽采钻孔内不同深度处负压变化图

图11 孔内负压随抽采时间变化图

从图10和图11中可以看出：

(1) 随着抽采时间的变化，抽采钻孔孔内负压变化趋势大致相同，均呈递减趋势；

(2) 当抽采时间为1 d时，孔底负压相对于孔口负压降低了8.8 kPa；当抽采时间为10 d时，孔底负压相对于孔口负压降低了7.3 kPa；当抽采时间为15 d时，孔底负压相对于孔口负压降低了6.3 kPa；当抽采时间为20 d时，孔底负压相对于孔口负压降低了5.8 kPa；当抽采时间为25 d时，孔底负压相对于孔口负压降低了5.3 kPa；当抽采时间为30 d时，孔底负压相对于孔口负压降低了5 kPa；与孔口负压相比，负压损失为26.3%～32%；

(3) 随着抽采时间的增加，全程负压损失量减小，且减小的速度越来越慢。

3.5 基于测试结果对抽采效果优化分析

通过以上几节的分析，可以得出在抽采钻孔孔口负压为27.5 kPa左右，钻孔直径94～113 mm，封孔深度14～18 m，孔深120 m，抽采时间大于30 d的抽采条件对负压的影响是最小的。此条件下测试的负压数据如图12所示。

图12 抽采工艺优化后负压沿程变化

由上图可看出，在抽采工艺优化过后，沿程负压变化满足y=-0.00114x2+0.04173x+27.18107的函数关系，R2达到0.9736，相关性较高[17]。

基于对抽采负压，抽采钻孔直径，抽采钻孔深度，抽采时间的优化，在对矿方抽采钻孔参数优化前对瓦斯抽采钻孔的流量和浓度测试结果，以及本次在抽采钻孔优化后对瓦斯抽采钻孔的流量和浓度测试结果进行比对分析，如图13和14所示。

图13 钻孔参数优化前后抽采瓦斯流量随抽采时间变化曲线图

由图13可以看出，优化前后抽采瓦斯流量均随着抽采时间的增加呈负指数衰减，优化后的抽采瓦斯流量远高于优化前的，且抽采30 d后，相比优化前增加了17%。

图14 钻孔参数优化前后抽采瓦斯浓度随抽采时间变化曲线图

由图14可以看出，优化前后抽采瓦斯浓度均随着抽采时间的增加呈递减变化，优化后的抽采瓦斯浓度一直高于优化前的，且抽采30 d后，相比优化前增加了14%。

4 结论

(1) 通过对三种不同瓦斯流动形式下实体煤壁瓦斯气体流向抽采钻孔内对孔内负压的影响分析，得出了孔内负压分布的趋势，表明孔内负压的沿程损失情况。

(2) 孔口负压，钻孔直径，封孔深度，抽采时间的变化都会使孔内负压呈衰减趋势，这与理论分析得出的结果相一致。随着孔口负压，钻孔直径，封孔深度，抽采时间的增大，负压衰减速率会减小，沿程损失量也随之减少，但这种减小并不是一成不变的，当这些钻孔参数增大到某个值时，随后再增大它们的数值，负压衰减速率会加快，沿程损失量也增大，因此针对不同矿井需对不同条件下的抽采负压进行测定，从而得出最优抽采参数，这个最优参数，就是负压衰减速率最小时对应的各项钻孔参数。

(3) 本次测试煤层孔内负压沿程变化遵循y=ax2+bx+c的函数关系，在对抽采参数进行优化后，抽采效果有明显提升，这对白羊岭煤矿形成以抽采负压为基础的瓦斯抽采效果评价技术体系以及为瓦斯抽采效果评价及其工艺参数的优化提供最为直接的定量化依据和支撑。