不同突出情况下钻孔瓦斯涌出规律研究*

马瑞帅 ，许石青 ，林华颖

(1.贵州大学 矿业学院， 贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 喀斯特山区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室， 贵州 贵阳 550025)

0 引言

煤与瓦斯突出（简称“突出”）是瓦斯压力和地应力作用在含瓦斯煤体的一种动力现象[1]。但是，突出危险带的面积通常占不到整个突出煤层面积的10%[2]。随着煤矿开采向深部进行，近年来煤巷掘进时所发生的突出事故已占据矿井突出事故总数的首位[3]。所以，准确预测煤巷掘进过程当中前方煤体有无突出危险性意义重大。

煤巷突出预测静态预测指标[4]：1984年，抚顺煤科院[5]首次对钻孔瓦斯涌出最大初速度指标[6-7]在理论上进行讨论，为钻孔瓦斯涌出最大初速度指标奠定理论基础。重庆煤科院[8]以及中国矿业大学进一步完善其理论，河南理工大学较早使用该指标进行煤巷突出危险性预测[9]，其他静态预测指标还包括：R值指标、最大钻屑量指标和复合指标等。

煤巷突出预测动态预测指标[10]：1940年代初美国最先运用声发射技术预测煤巷突出危险性，其他动态预测指标还包括：红外线辐射指标[11]、电磁辐射指标[12-13]等。但是，上述预测指标具有预测指标和突出临界值不具有普适性、预测指标在测定方法上没有统一标准等不足。

鉴于上述测定指标的不足，蒋承林团队对钻孔连续流量法测定煤体突出危险性的新方法进行了深入研究，实践证明该方法实用性好。但是，有关不同突出危险情况下钻孔瓦斯涌出规律的研究则鲜有报道。基于此，本文通过建立模型，对钻孔瓦斯涌出量与瓦斯压力关系进行研究，利用连续流量法建立煤层巷道突出预测装置，以山西汇丰与贵州威舍煤样为试验对象，对不同突出危险情况下钻孔瓦斯涌出规律展开相应试验研究。

1 模型建立与数值模拟

1.1 数学模型的建立

煤电钻钻进过程中瓦斯来源主要由三个部分组成，为研究钻孔瓦斯涌出量和瓦斯压力的关系，针对钻孔瓦斯来源建立数学模型。钻孔瓦斯涌出示意图如图1所示。

图1 钻孔瓦斯涌出示意

钻进过程中钻孔四周的瓦斯流动属于径向不稳定流动。假设瓦斯被密封在顶底板间，顶底板没有裂隙且煤层属于均质煤层，瓦斯气体为理想气体，服从达西定律。则可得：

初始条件为：t=0时，。

边界条件为：

对式（1）拉氏变化得：

将初始条件与边界条件带入式（2）得：

在钻进过程中，钻头附近的煤体形成卸压带，钻头附近的瓦斯涌出属于球向不稳定流动。假设煤层均质，则可得：

初始条件为：t=0时，。

边界条件为：

对式（4）拉氏变化可得：

将初始条件与边界条件带入式（5）得：

由达西定律得，煤壁瓦斯涌出方程式如式（7）所示：

将式（6）带入式（7）得：

随着钻进钻头不断破坏煤体形成煤屑，煤屑中的瓦斯不断向外涌出。将其涌出规律看做是有限流场的球向不稳定流动，可得：

对式（9）拉氏变化可得：

将初始条件与边界条件带入式（10）得：

将式（11）带入式（7）得：

式中，F0为时间准数；q为单位面积瓦斯涌出量，m3/(m2·d)；λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)；p煤层中的瓦斯压力，MPa；p0为煤层中的原始瓦斯压力，MPa；p1为钻孔中的大气压力，MPa；t为时间，s；R1为煤屑平均半径，m；P、P0、P1分别为压力p、p0、p1的平方，MPa2。

1.2 数值模拟的运用

大量工程实践表明：当钻进到具有高压瓦斯源的煤层时，由于大量瓦斯的释放使钻孔瓦斯涌出量急剧增加，即钻孔瓦斯流量与瓦斯压力存在一定关系。基于上述钻孔瓦斯流动模型，运用 COMSOL Multiphysics模拟软件建立数值模型，对瓦斯压力和钻孔瓦斯流量的关系进行研究分析，模型参数见表1。模型边界条件：底部设置为固定边界，左侧、右侧和后侧设置为法向位移约束边界，前部为自由空间，顶部加载上覆岩层自重，煤层渗透率为有效应力的函数，三维数值模型如图2所示。

表1 模型参数

图2 三维数值模型

为研究不同瓦斯压力下，打钻过程中，煤体瓦斯向钻孔的涌出特性，在煤层埋深为900 m，打钻长度为1 m，打钻时间为3 min，煤体含水率为5.6%，瓦斯压力分别为 0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa的条件下展开模拟研究，不同瓦斯压力下钻孔初始瓦斯流量随时间分布如图 3所示。

图3 不同瓦斯压力下钻孔初始瓦斯流量随时间分布

为直观表明钻孔瓦斯流量和瓦斯压力的关系，对图4进行积分得到不同瓦斯压力条件下钻孔瓦斯涌出量，并对其进行拟合（见图4）。

由图4可知：钻孔瓦斯涌出量与瓦斯压力呈现线性关系。所以，钻孔瓦斯涌出量可以线性表示瓦斯压力作为敏感性指标，判断煤巷是否具有突出危险性。陈松立等[14]研究表明：钻孔总瓦斯涌出量可以被初始钻孔瓦斯流量表征，且初始钻孔瓦斯流量随钻进深度动态可测。因而，针对能否运用初始钻孔瓦斯流量规律表征不同突出危险情况展开试验研究。

图4 钻孔瓦斯涌出量与瓦斯压力关系

2 试验研究

2.1 煤样选取

为研究不同突出危险条件下的初始钻孔瓦斯涌出规律。试验采集煤样分别取自山西汇丰 M15号煤层处无突出危险性的原生结构煤；贵州威舍M29号煤层处有突出危险性的构造煤。由于所需煤样量比较大，而完整煤芯取芯器取样较少，不能满足取样要求，所以本次取样采用压风引射装置取得。所采煤样的SEM照片如图5所示。

2.2 试验设备

本试验装置由突出煤层模拟装置和钻孔初始瓦斯流量监测装置两部分组成。突出煤层模拟装置主要由压力机、缸体、压柱、麻花钻杆(42 mm)、模拟煤层、堵头等组成；钻孔初始瓦斯流量监测装置主要由流速传感器、煤仓、煤电钻、位移传感器、流量管及本安型采集主机等组成。装置原理如图 6所示。

2.3 试验流程

试验工艺流程如图7所示。

（1）试验要求将所选煤样破碎至2 mm，使压制成的型煤更均匀；

图5 煤样SEM照片

图6 试验装置原理图

图7 试验工艺流程

（2）压制型煤的过程要求分四次压制，压制压力为20 kN且每次压制的时间为30 min；

（3）抽真空时要求不小于 12 h，充气过程中充气压力为1 MPa且充气时间不小于48 h；

（4）加载围压过程中围压为100 kN，整个过程和充气过程同时进行，且于试验前12 h将加载压力调整为预定值。

3 试验结果分析

3.1 无突出危险性

为研究正常钻进时钻孔瓦斯流量与突出危险性关系，根据试验工艺流程采用不具有突出危险性的贵州威舍煤样进行试验，为保证试验过程中的安全性，充气气体采用N2。试验结束后对其钻孔实际情况以及钻进过程中的动力现象进行观察，如图 8所示。

由图8可知：正常钻进时钻孔变形不严重所测得的钻孔直径是46 mm，略大于钻杆的直径42 mm，与井下无突出煤层正常钻孔变形相互吻合。

计算机将流速传感器电流值转化为相应的瓦斯流量值，并生成相应的流量曲线图（见图9）。从12组试验结果中选取具有代表性的 2组进行分析研究。

由图9可知：当充气压力分别为0.663 MPa、0.675 MPa时，虽然流量曲线图波动较大但是瓦斯流量平均值分别为0.184 L/s和0.194 L/s，即钻孔初始瓦斯涌出量和瓦斯压力关系紧密具有很好的一致性，所以初始钻孔瓦斯流量可以反映突出危险性；打钻初始流量曲线波动较大，即说明在打钻初始较容易发生突出，这与现场实践相吻合；瓦斯压力越小，流量曲线波动幅度越小，且随着钻进的深入，流量曲线逐渐变大后趋于平缓。

3.2 有突出危险性

为研究突出时钻孔瓦斯流量与突出危险性关系，针对喷孔是否可以表征突出进行探究，根据试验工艺流程，采用具有突出危险性的山西汇丰煤样进行试验，为保证试效果以及试验过程中的安全性，充气气体采用CO2。试验结束后，对其钻孔实际情况以及钻进过程中的动力现象进行观察，如图10所示。

图8 钻孔的形状与动力现象（正常钻进）

图9 瓦斯流量曲线（正常钻进）

图10 钻孔的形状与动力现象（喷孔）

由图10可知：当钻进过程中发生喷孔时，表现钻口小、空腔大、钻孔内残留煤粉、钻孔壁掉落的煤块易碎等特点，与井下发生突出时情况相吻合。

计算机将流速传感器电流值转化为相应的瓦斯流量值，并生成相应的流量曲线图（见图 11）。从12组实验结果中选取具有代表性的2组进行分析研究。

由图11可知：当充气压力为0.796 MPa时，随着钻进深度的增加瓦斯流量逐渐增加，当钻进时间约为100 s与160 s时瓦斯流量明显增加后恢复至正常值，钻进到180 s左右时发生喷孔现象，喷孔时瓦斯流量最大为5.5 L/s，持续几秒后恢复正常，这是一个典型的突出孕育过程；充气压力为 0.994 MPa时，打钻初始发生第一次喷孔，这时瓦斯流量由0.4 L/s突然增加到7.3 L/s，是正常值的18倍，后续又发生两次喷孔，这与井下同一地点多次突出现象相吻合；初始钻孔瓦斯流量不仅可以反应突出危险情况，而且可以表明突出可能发生的地点，相较于其他的突出预测指标具有明显优势。

图11 瓦斯流量曲线图（喷孔）

4 结论

（1）钻孔瓦斯流涌出量与瓦斯压力呈线性关系，初始钻孔瓦斯流量可以作为预测突出危险性的敏感性指标。

（2）发生喷孔时，表现钻口小、空腔大、钻孔内残留煤粉、钻孔壁掉落的煤块易碎等特点，与井下发生突出时情况相吻合。

（3）打钻初始流量曲线波动较大，说明在打钻初始较容易发生突出，这与现场实践相吻合；瓦斯压力越小，流量曲线波动幅度越小，且随着钻进的深入，流量曲线逐渐变大后趋于平缓。

（4）初始钻孔瓦斯流量不仅可以反应突出危险情况，而且可以表明突出可能发生的地点，相较于其他突出预测指标具有明显优势。