提高保护层卸压瓦斯量的方法研究.pdf

第 4 2卷 第 7期 2 O l 6 l 7月 工 矿 自 动 化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 7 J u 1 ．2 O1 6 文章 编号 l 6 7 卜 2 5 1 X 2 O 1 6 0 7 0 0 7 0 0 3 D I 1 0 ． 1 2 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 l x ． 2 O 1 6 ． 0 7 ． 0 1 7 吕龙辉， 靳红霞． 提高保护层卸压瓦斯量的方法研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 7 0 7 2 ． 提高保护层卸压瓦斯量的方法研究 吕龙 辉 ， 靳 红 霞 河南质 量 丁程 职业 学 院 信 息工程 系 ， 河 南 平顶 山4 6 7 0 0 0 摘 要 根 据 气体 径 向流动理 论和 能量 守恒 定律 ， 建 立 了地 面钻 孔 瓦斯 抽 放模 型及 流 动 网络 ， 提 出了通 过 提 高井眼底 部 阻力 来增加 保护 层 泄压 瓦斯量 的方 法 。工程 应 用结果 表 明 ， 通过 增加 井眼底部 的 流动 阻 力 ， 可 以显 著提 高保护 层卸 压 瓦斯量 。 关键词 瓦斯抽 放 ；地 面钻孔 ；钻孔 阻 力 ；卸 压 瓦斯 中网分 类号 WI 7 1 2 ． 6 2 文献 标志码 B 网络 出版 时间 2 O 1 6 0 7 0 5 1 5 0 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e l a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 7 0 5 ． 1 5 0 4 ． 0 1 7 ． h t ml Me t h o ds o f i n c r e a s i n g a mo u n t o f p r e s s u r e r e l i e f g a s o f p r o t e c t i v e l a y e r I YU L o n g h u i ， J I N Ho n g x i a I e p a r t me n l o f I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，He n a n Qu a l i t y En g i n e e r i n g Vo c a t i o n a l Col l e ge，Pi ngd i n gs h a n 4 67 0 0 0，Chi n a Ab s t r a c t Ac c o r di n g { ga r a di a l f l ow t h e or y a nd e ne r gy c on s e r v a t i o n l a w ， g a s dr a i n a g e mo de l a n d f l o w ne t wo r k u s i n g s ur f a c e dr i l l i n g we r e e s t a bl i s he d，a n d me t ho d of i nc r e a s i ng a mou nt o f pr e s s u r e r e l i e f ga s of p r o t e c t i v e l a ye r b y i nc r e a s i ng r e s i s t a nc e o f t he bo t t om of t h e w e l l bo r e wa s p r o po s e d． The e n gi ne e r i ng a p pl i c a t i on r e s ul t s s ho w t ha t by i nc r e a s i n g t he f l o w r e s i s t a nc e of t he bo t t om o f t he we l l b or e， t h e a l l t oun t of p r e s s ur e r e l i e f g a s of pr ot e c t i ve l a y e r c a n b e s i g ni f i c a nt l y i n c r e a s e d． Ke y wo r ds g a s dr a i na g e；s ur f a c e d r i l l i ng；dr i l l i ng r e s i s t a nc e；p r e s s ur e r e l i e f ga s 0引 言 阻力 来提 高保 护层 卸压 瓦斯量 的方法 。 中I 玉 l 煤 矿通 常通 过煤 层钻孔 从保 护 层释放 瓦斯 压 力 ， 这 种方 法存 在 工程 量 大 、 修 建 风 险 高 、 对其 他 生 产活 动有 干扰 等缺 陷 。地 表 钻孔 的施 工和操 作不 受 地下 空 I1 _J J 或生 产 活 动 的 限制 ， 钻 孔 不 仪 能 从保 护 层 不 1 1 开采层 的采 I X抽 排 瓦斯 ， 而且 能 实 现 大 量 高 浓 度 瓦斯 的排 放 。通 过 地 表钻 孔 ， 早 期 瓦斯 抽 排 量 不 1 I 浓 度迅速 达 到峰值 ， 随着 __丁 作 面的进展 ， 瓦斯抽 排 鲢会 随着底 部 裂缝程 度 的增 _J J 【 l 逐渐 减小 。当 T作 面钻孔 深 度 为 l 5 0 ～2 0 0 n l 时 ， 钻 孔 和采 空 区之 f u J 的大 量低浓 度 瓦斯 从采 空 排 f l l ， 卸 瓦斯量 减 少 。 为 r f i I{ 除 瓦斯 突 f f 』 ． 必 须 采 取 有 效措 施 提 高 保 护 层 瓦斯抽 放量 。本 艾建 r 通过 地 面钻孔 卸 压开采 煤 瓦 斯 的数学 模 。 提 ⋯ J ， 一 种 通 过 提 高外 眼底 部 1 地面钻 孔 卸压 瓦斯 数学模 型 1 ． 1 模 型参 数 地 面钻孔 瓦斯 抽放 模 型如 图 1所示 ， 其 中 Q。为 混 合气 体 抽 放 流 量 ， m。s ； P 为 瓦 斯 抽 放 的 负 压 ， MP a ； 6为地 面钻 孑 L 井 口混 合 气 体 体 积 分 数 ， ； P 为 上覆 煤层 边界 瓦斯 抽放 压力 ， MP a ； D 为上 覆煤 层 的厚度 ， m； 为 卜 覆煤 层 瓦斯抽 放 区 的平 均渗 透 系 数 ， m ／ MP a d ； Q 为 开 采 上 覆煤 层 时 瓦斯 流 量 ， m。 ／ s ； P。 为地 面钻 孔 与 上覆 煤层 交 界处 的气 体 绝 对压 力 ， MP a ； Q 。 为 从 采 空 区抽 放 的瓦 斯 流 量 ， m ／ s ； h 为从 地 面 到上 覆煤 层 的距 离 ， m； R 为 地 面 钻 孔 的半径 ， m。 收稿 日期 2 l l I{ ； 修回 日期 2 o 1 6 0 5 1 3 ； 责任 编辑 胡娴 作者简介 “ 』它艄 1 9 8 1 ， ． f l】f 『 订、 顺⋯人， 讲帅 ，I 氍硕 { ． 研究力 ‘ 阳为汁算机 网络技 术， E ma i l 8 0 4 4 0 3 2 5 8 * i q q ． C O ll l 。 2 O 1 6年 第 7期 吕龙 辉 等 提 高保 护层 卸 压 瓦斯量 的 方法研 究 7 1 1地 面 钻 f L瓦斯 抽 放 模 型 1 ． 2 模 型构 建 在 负压 引流 压 力 的作 用 下 ， 利 用 径 向流模 型计 算上 覆煤 层 的压 力释 放气 体流 量 I I D2一D 2 Q 一 2 7 r Da ， 式 中 R 为上覆 煤层 开 采 区瓦 斯分 布半 径 ， m 为 上覆 煤层 瓦斯 抽 放流 量修 正 系数 。 根 据 能量 守 恒 定 律 ， 将 上覆 煤 层 瓦 斯 流 动 的伯 努 利方 程表 示为 Ql一 2 7 r l P1 1 0 l i ， l P。 一P 1 0 I j I 十 一nI十十 1 - p o g g 10 厶 2 2 R 2 式 中 J0 。为 井 E l 气 体 的密 度 ， k g ／ m。 ； g为重 力 加 速 率 ； 7 2 。为地 面井 内气 体 的流 速 ， m／ s ； P 。为地 表 的绝 对大 气压 力 ， MP a ； 为 损耗 系数 。 进 一 步简 化式 2 得 Pl一 P。一 P p 。 g h1 1 走 Q 1 0 3 式 中 忌为钻 孔 的阻 力 系数 ， k -- 。 根 据 混合 气 体 的 密 度 和体 积 分 数 之 间 的关 系 ， P 。可 以表 示 为 lD o l 0 b 1 6一 1 ． 2 3 7 0 ． 52 b 4 式 巾 lD 为纯 瓦 斯 气 体 密 度 ， k g ／ m。 ； 为不 含 瓦斯 的空 气密 度 ， k g ／ m 。 联立 式 1 、 式 3 和式 4 求解 ， 得 到从 保 护 层 中排 出卸 压气 体 Q 的数 学模 型[ Ll ’ 为 P 一 E P 。 一 P g 1 ． 2 3 7 0 ． 5 2 b 1 i 1 0 ] 2提 高保 护层 卸压 瓦斯 量 的方法 2 ． 1 卸 压 瓦斯 量 决定 因素 式 5 中 ， P。 是 本 地 忽 略 温 度 变 化 的大 气 压 力 常数 ； 参 数 D， R 和 h 分 别 是 保 护 层 、 地 面钻 孔 和 煤 层 的地质 条件 的 特性参 数 。当工作 面通 过地 面 钻 孑 L 推进 到更 远 的距 离 钻 孔 瓦 斯 抽 放 的 后期 阶 段 ， 保 护层 裂 隙发展 到 比较 稳 定 的 瓦斯 抽 放 区时 ， 参数 ， a ， P 和 R 在 较 短 的时 间 内可 视 为 常 数 。 瓦斯 抽放钻孔后期的 Q 值主要南 P， b和 Q。 决定。 根据 式 5 ， Q 值 随 着 P和 b值 的增 大 而增 大 ， 随 Q 。 值 减 小 而增 大 。因 此 ， 要 想 增 大 Q 的值 ， 必 须 采取 措 施增 大 P和 b的值 ， 并减 小 Q 。 值 。 2 ． 2气体流 动 网络分 析 钻孔 和 各 种气 体 源 的流 动 网络 如 图 2所 示 ， 其 中 a点 为钻 井井 口， b点 为井 眼 与 保 护层 的交 界 处 ， c 点 为受保 护层 的瓦斯抽 放 区边 界 ， d点 是钻 孔 的井 下 ， e点是 瓦斯 抽放 裂缝 区域 的边 界 。 气流 的总阻力 h 可以由式 6 计算 h f R Q； 6 式中 R 为地面钻孔等效风阻力 ， N S 。 ／ m。 。 根据 负 压气 体泵 的特性 曲线 和钻孔 的等效 风阻 曲线 可 以确 定泵 的 操 作 点 ， 即气 体 流量 和气 体 所 需 的负压 引 流 。2 B E C 4 0真 空 泵 负 压 特 性 曲 线 转 速 为 4 4 0 r ／ rai n 如 图 3 所 示 。 瓦斯 抽 放 泵 的 工 作 点 如 l 4 4 0 1 n R ／ R 罔 2 气体 流动网络 5 I 4，l 5U I 5 5 I O0 I OI ／ 0 1 ／ J； 8 0 I 8 流量／ in s 1 冈 3真空泵负压特性 曲线 图 4 所 示 ， 随 着 参 数 R 的增 大 ， P 值 增 大 ， Q。值 减 小 。当 P增 大 、 Q。 减小 时 ， Q 值增 大 。 如 图 2所示 ， 6 c 和 分 别是 保护 层 和采 空 区的 气 体 流 动 路 径 ， 风 阻值 R 和 R 不 变 。因 此 ， 要 提 高 Q 的值 ， 只能增大风阻值 R 和 R 。 当 R 增加时， 由于 尺 和 R a 。 不变 ， Q ／ Q 也保 持不 变 ， 所 以 b 值 不 变 。如果 R 值 增 大 后 ， Q 值 减 小 ， 则 Q ／ Q 的值 增加 ， 导致 b值 增大 。通 过增 大 b 值可 使Q 值 增 大 ， 因 此 ， 与 增 大 R 值 相 比 ， 增 大 7 2 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 l Oo 4 瓦斯 抽 放 泵 的 工 作 点 R 值是一 种 更好 的提 高卸 压 瓦斯抽 放 的方法 [ 5 ] 。 2 ． 3钻孔 底部 阻力提 高方 法 基 于 上 述 理论 分 析 ， 可 以通过 向钻 孔 投掷 可 渗 透 材料 固体 碎 片 、 沙袋 等 来 增 加钻 孔底 部 的风 阻 力 。根 据 瓦斯抽 放条 件 和钻孔 直径 确定 投放 材料 的 类 型 和 尺 寸 ， 该 材 料 的 堆 叠 高 度 应 保 持 在 0 ． 5 ～ 1 i n 。如果 使用 沙 袋增加 风 阻 ， 优 先 选择 直 径 为 2 ～ 5 c m 的沙 袋 。 3 工 程应 用 平煤集 团十矿 的 2号 、 3号 、 7号 、 8号 煤层 具 有 每 年 1 0 0 0万 t 的生 产 能 力 。2号 和 8号煤 层 为 煤 与瓦斯 突 出煤层 。瓦斯 突 出事 故 发生 在采 矿过 程 中 的 2号 煤层 。南 于瓦 斯 突 出问题 不 能 有 效 解 决 ， 所 以矿井放弃 2 号煤层开采， 生产转 向 3号煤层 ， 但是 瓦斯 过量排 放 对生 产有 着严 重影 响 。为 了消 除 2号 煤 层 突 出危险 性 ， 解 决 3号煤 层 的瓦斯 排 放 问题 ， 改 变 了传 统 的下 采顺 序 。首 先 开采 7号 煤 层 ， 该 层 是 8号 煤层 的保 护层 ， 然 后 开 采 8号 煤 层 ， 2号 和 3号 煤层 进行 双重 保 护 。从 2号 和 3号 煤 层 抽 放 瓦 斯 2次 ， 从 而 消除煤 与 瓦斯 突 出危 险 ， 减 少 接 缝 瓦斯 含 量 。地面 钻孔 从保 护层 和采 空 区 同时抽放 瓦斯 。地 而钻 孑 L 结 构[ 。 如 图 5所示 。 f l 第 1 部分 篱 {T } 亏 雾 m l 旦 奎笪／1． 1 l 兰 奎笪 一 一 一 I 39 7 m m l d I7 亳 ■ ● ● ■ 一 ／ 5地 面钻 孔 结 构 2 0 1 2年 7月 ， 该 矿 8号 煤层 排 出钻 孔 的瓦斯 体 积 分数 已降到 2 0 左右 ， 为 了进 一 步 提 高卸 压 瓦斯 量 ， 将一 些沙 袋 放 人钻 孔 底 部 以增 加 阻 力 。为 了避 免 阻力 过 大 ， 选 择 大小 约 2 ～3 mm 的 沙 粒 ， 沙 袋直 径 约 5 c m， 将 大 约 3 O个 沙袋 放 入井 眼 。增 加 井 眼 底 部 阻力前后 瓦 斯抽 放参 数 的变化 如 图 6所示 。 7O 6O 5o 4 o黎 3 o垂 2o卷 1 0 0 曷 g g 吕 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 图 6 地面钻孔瓦斯抽放参数的变化 从 图 6可 知 ， 增 加井 眼底 部 阻力后 ， 混合 气体 流 量 略 下降 ， 但平 均纯 瓦斯 流量 增 加 了 0 ． 3 1 m。 ／ mi n ， 平 均 抽放 瓦斯 体积分 数增 加 了 2 O ． 7 ， 参数 对 比如 图 7 所 示 。此外 ， 由于钻 孔底 部风 阻力 的增 大 ， 从 保 护层 卸压 瓦斯 的量 增 加 ， 从 而 在 采 空 区 提取 的纯 瓦 斯 气 体浓度 减 小 。 因此 ， 增 加 井 眼底 部 阻力 的方 法 可有 效增加 瓦斯 排放 量 。 4 1 ． 2 ％ 曰 增加井眼底部阻力前 2 0 5 ％ ． i 平均混合 平均混合 平均纯 气体浓度 气 体流量 瓦斯流量 图 7 增加井眼底部阻力前后 瓦斯抽 放参数对 比 4 结语 根 据径 向气 体 流动 理 论 ， 建 立 了地 面 钻孑 L 卸 压 瓦斯 数学 模型 ， 建 立 了地 面钻 孔 瓦 斯 抽 放 的 流动 网 络 ， 提 出了一 种通 过提 高 井 眼底 部 阻 力 来增 加 保 护 层卸 压 瓦斯量 的方 法 。该方法 在 平煤集 团十矿 8号 煤层 进行 了工 业试 验 ， 试 验结 果表 明 ， 增 加 钻孔底 部 的风 阻可 以使 保护 层卸 压 瓦斯量 显著 增加 。 参考文献 [ 1 ] 殷文韬 ， 刘明举 ， 温志辉 ， 等． 煤层 瓦斯抽放 封孔工艺研 究与应用E J ] ． 煤炭 工程 ， 2 0 1 1 ， 4 3 2 3 1 - 3 3 ． [ 2 ] 梁运培 ， 胡千庭 ， 郭华 ， 等． 地 面采空区瓦斯抽放钻孔 稳 定性分析 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 0 7 ， 3 8 3 1 4 ． [ 3 ] 张波． 突 出煤 层 双动 力排 渣 钻杆 的分析 与研 究 E D] ． 焦作 河南理工大学 ， 2 0 1 1 ． [ 4 ] 张健 ， 荣向东． 瓦斯抽放钻孔封孑 L 工 艺改进及效果检测 研究E J ] ． 煤 炭工程 ， 2 0 1 2 ， 4 4 1 O 3 3 3 5 ． [ 5 ] 马永庆 ． 提高底 板岩巷 穿层钻孔 瓦斯 抽放效果 的技 术 措施 E J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 1 ， 4 2 5 3 4 3 6 ． [ 6 ] 冯 大钧 ， 孔伟 ， 徐树斌 ， 等． 新 型瓦斯抽放钻孔技术在平 煤 十矿松软煤层 中的应用 I- j ] ． 矿业 安全与环保 ， 2 0 1 3 ， 4O 4 6 9 7 2． 5 4 3 2 1 O T 口 善 ． 一 ＼ 嘲蜡