基于空气脉冲循环作用的抽采钻孔增透技术研究_史广山.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0400引言我国地下煤层中含有丰富的瓦斯资源，并且煤与瓦斯突出严重。井下瓦斯抽采是将瓦斯变废为宝、消除突出危险性的十分重要的方式和举措。然而我国煤层瓦斯赋存特征极其复杂，煤层渗透率普遍较低。在构造煤发育的地区，如果没有采取强化抽采瓦斯抽采困难，往往不能达到预期效果。在突出比较严重的矿井需采取水力冲孔、水力割缝、水力压裂、二氧化碳相变致裂、水力造穴等措施来保障抽采率，为进一步提高抽采效果，一些突出矿井同时采取2种增透措施。这些措施可以使突出煤层抽采钻孔初期有较高的抽采浓度和抽采纯量，但随着抽采时间的延长抽采浓度会出现不同程度的衰减，抽采效果不佳。在这种情况下如何再次提高钻孔浓度，延长钻孔寿命是煤矿工作者和科研人员一直关切的问题。鉴于此，本文提出通过空气脉冲循环作用提高抽采钻孔抽采浓度的措施方法，以期提高低渗煤层抽采效果，减少瓦斯灾害。1脉冲循环空气对煤体的增透作用1.1脉冲循环气体对煤体的破坏作用煤体是典型的孔隙裂隙双重介质，如图1所示。图1脉冲循环空气对煤孔隙-裂隙结构影响脉冲循环空气通过钻孔进入煤体后，一方面孔隙压力增加，这使得裂隙受到孔隙压力大的拉张应力；另一方面脉冲循环气体使影响范围内瓦斯压力增加，这将导致煤基质受到吸附膨胀拉应力。裂隙内基于空气脉冲循环作用的抽采钻孔增透技术研究*史广山，魏风清，高吾斌（河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作454000）摘要：为了提高抽采钻孔抽采率，延长钻孔寿命，分析了空气脉冲循环对煤体的破坏和钻孔及周围裂隙的疏通作用，在此基础上研发了空气脉冲循环增透装置，并在现场进行了效果考察。研究结果表明：空气脉冲循环可通过反复增压-卸压使煤层产生拉伸和收缩，从而产生损伤破坏；气体快速卸出过程可以疏通钻孔及周围裂隙，从而提高煤层渗透率，改善抽采效果。研制的空气脉冲循环增透装置现场应用效果良好，增透钻孔60 d平均瓦斯浓度超5%的占总数的80%。关键词：瓦斯抽采；增透；空气脉冲循环；瓦斯浓度中图分类号：TD712.6文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 207 04Research on Permeability Improvement Technology of Borehole Basedon Air Pulse CirculationSHI Guangshan，WEI Fengqing，GAO Wubin(School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)Abstract:In order to improve the extraction rate and prolong the life of the borehole,the damage ofthe coal body and the dredging effect of the borehole and its surrounding fissures by air pulsecirculation are analyzed.On this basis,an air pulse circulation anti-permeability device is developedand its effect is investigated in the field.The results show that the air pulse circulation can cause thetension and contraction of coal seam through repeated pressurization and pressure relief,thus causingdamage and failure.The rapid gas discharge process can dredge the borehole and the surroundingfissure,thus increasing the permeability of coal seam and improving the pumping effect.The air pulsecirculation anti-reflection device developed has a good effect in field application.The average gasconcentration of anti-reflection boreholes exceeding 5%in 60 days accounts for 80%of the total.Key words:gas extraction；permeability improvement；air pulse circulation；gas density*河南省高等学校重点科研项目计划支持（20B620001）煤基质裂隙脉冲循环空气207表面受到的膨胀拉张应力s=EKp（1）煤基质吸附膨胀拉张应力p=2acERTln（1bp）9VmK（2）其中，体积模量KE3（12）（3）式中p气体压力梯度，Pa；a极限吸附量，a37 m3/t；c煤的视密度，c1.31 t/m3；E煤的弹性模量，E1.016 GPa；R通用气体常数，取R=8.314 3 J/（molK）；T绝对温度，T299.15 K；p瓦斯压力，Pa；b煤的吸附平衡常数，b0.81510-6Pa-1；Vm摩尔体积，取Vm22.410-3m3/mol；泊松比，=0.22。不同压力梯度下裂隙内表面所承受的膨胀拉张应力变化如图2所示。图2裂隙膨胀应力随压差的变化图随着压力的变化，煤基质承受的膨胀应力如图3所示。图3煤基质膨胀应力随压力的变化图由图2可知，当瓦斯压力差增加到0.5 MPa时，裂隙中产生的膨胀拉张应力为0.84 MPa。由图3可知，当煤层中的瓦斯压力由0.5 MPa增加到1 MPa，煤基质受到膨胀应力由0.687 MPa增加到1.2 MPa。脉冲循环空气通过增压、卸压方式反复改变煤层裂隙和煤基质的膨胀应力，使煤层产生损伤破坏，从而提高煤层的渗透性。1.2脉冲循环空气对抽采钻孔的疏通作用（1）对抽采管筛管筛孔煤渣的疏通作用抽采初期瓦斯流量大、气体流速大，煤渣容易被气流吹起，并在负压的作用下积聚在抽采管筛管筛孔周围，如遇到钻孔涌水则煤渣固结，导致瓦斯流动通道堵塞，造成瓦斯浓度降低、瓦斯流量衰减。当抽采钻孔注满高压气体突然卸压时，在内外压力差的急剧变化作用下，抽采管、筛管、筛孔周围的高压气体突然喷出，并在抽采管筛管筛孔周围呈现拉伸性撕裂破坏，将抽采管筛管筛孔周围固结的煤渣粉碎破坏，并将其冲出抽采钻孔，打通瓦斯流动通道，降低抽采气体流动阻力。（2）对抽采钻孔周围裂隙的疏通作用抽采钻孔在施工过程中以及抽采过程中，由于施工工艺影响以及抽采作用的影响，煤粉、水分进入或者积落在抽采钻孔周围裂隙内，易造成瓦斯渗流通道堵塞。通过在钻孔内部建立起高压气体增压-卸压反复作用的空气动力场，能够将钻孔周围煤体裂隙内的煤粉以及积水等冲出钻孔，清理被堵塞的瓦斯渗流通道，提高瓦斯抽采效率，增大瓦斯抽采效果。2增透装置结构与组成为实现利用空气脉冲循环提高抽采钻孔效率，研发空气脉冲循环增透装置，该装置主要由气体增压系统和气体控制系统组成如图4所示。图4空气脉冲循环增透装置1.井下压风接口2.启/停开关3.进气总开关4.井下压风压力表5.孔内增压压力表6.储气罐压力表7.设备总开关装置通过软管、快速接头与压风系统和抽采钻孔相连。气体增压系统主要包括增压泵、储气罐，其主要功能是将井下压风气体增压并储存到储气罐中。当储气罐中的压力超过1.2 MPa时，气体卸压阀迅速打开，储气罐中的高压气体通过抽采管向抽采第42卷第03期基于空气脉冲循环作用的抽采钻孔增透技术研究史广山，等Vol.42 No.030.501.01.52.02.5p/MPas/MPa4.03.53.02.52.01.51.00.50.501.01.52.02.5p/MPap/MPa2.52.01.51.00.51234567气体控制系统气体动力系统208钻孔喷射。气体控制单元其主要作用是保证当抽采钻孔内的压力达到设定压力时，排气阀突然打开，高压气体对抽采钻孔集气段的堵塞物进行撕裂破碎，并将破碎成粉状的堵塞物冲出钻孔。3现场应用3.1增透实施过程增透试验地点选取在平煤股份某矿，鉴于该区域抽采管为PE材料，其耐内压一般为0.8 MPa，为了在对钻孔增压时不破坏封孔管，当抽采钻孔的最高压力达到0.6 MPa时开始卸压。试验测量的具体过程如下：（1）试验前提前测量钻孔的钻孔深度、瓦斯浓度等数据；（2）试验时断开抽采钻孔孔口处的连接软管，将增透装置和抽采钻孔的抽采管进行连接，确认连接安全稳定后，启动增透装置；（3）对抽采钻孔进行持续加压，当达到预定压力时，装置排气阀将自动打开，使孔内压力气体突然释放；（4）每个钻孔循环以上过程，不少于15次。试验共选择钻孔25个，钻孔基本情况如表1所示。表1试验钻孔基本情况表3.2增透效果分析增透试验钻孔共计25个，增透前瓦斯浓度大于0的钻孔13个占52%，大于5%的5个占20%。试验钻孔增透后，瓦斯浓度观测期为60 d，增透前后各钻孔瓦斯浓度如图5、图6所示。由图5可知，增透后第2 d各钻孔瓦斯浓度有明显的变化，其中大于增透前浓度的有23个，占总数的92%，其中大于0的钻孔24个，占总数的96%，大于5%的钻孔16个，占64%。由图6可知，在整个观测期内，以观测期内钻孔平均瓦斯浓度大于5%作为增透效果的评判标准，在25个试验钻孔中，增透后观测期内平均瓦斯浓度大于5%的钻孔达到20个，增透有效率80%。以观测期内钻孔平均瓦斯浓度大于试验前瓦斯浓度作为增透效果评判标准，则有24个钻孔，增透有效率96%。增透后，钻孔最大平均瓦斯浓度可达21.8%。由此可见，空气脉冲循环增透装置能够提高抽采钻孔浓度，延长抽采钻孔寿命，效果十分明显。图5增透第2 d瓦斯浓度与增透前瓦斯浓度对比图图6增透后平均浓度与增透前瓦斯浓度对比图4结语（1）脉冲循环空气通过钻孔进入煤体，一方面使裂隙受到拉张应力，当瓦斯压力差增加到0.5 MPa时，裂隙中产生的膨胀拉张应力为0.84 MPa；另一方面导致煤基质受到吸附膨胀拉应力，当煤层中的瓦斯压力由0.5 MPa增加到1 MPa，煤基质受到膨胀应力由0.687 MPa增加到1.2 MPa。（2）当气体突然卸压，可将抽采管筛管筛孔周围固结的煤渣粉碎破坏，并冲出抽采钻孔，打通瓦斯流动通道，降低抽采气体流动阻力。通过气体反复增压-卸压，能清理被堵塞的瓦斯渗流通道，增大瓦斯抽采效果。第42卷第03期Vol.42 No.03基于空气脉冲循环作用的抽采钻孔增透技术研究史广山，等序号12345678910111213141516171819202122232425钻孔深度/m21.629.651.22424.83220373719.8242428202425343251262222252933钻孔倾角/（）82642782735480464568795354847753434640627986655446试验前预抽期/d916696101363363358355348127464302481330498318507473475140471140435435446增透前瓦斯浓度/%6602.45002205100605004000093123456789 10 11 1215 16 17 18 19 20 2113 1422 23 24 25钻孔编号瓦斯浓度/%80706050403020100增透前浓度增透后第2 d浓度123456789 10