基于COMSOL的顺层抽采钻孔漏气通及带压封孔技术研究.pdf

煤炭工程 第 51 卷第 7 期 COAL ENGINEERING Vo l. 51, No . 7 do i 10. 11799/c e201907025 基于COMSOL的顺层抽采钻孔漏气通 及带压封孔技术研究 乔元栋“，程虹铭3 1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003； 2.中国矿业大学北京地球科学与测绘工程学院，北京100083； 3.中国矿业大学北京资源与安全工程学院，北京10008 3 摘要回顾了封孔效果影响因素，基于流-固耦合作用下顺层钻孔漏气通道模型，研究了钻 孔周围应力及主动支护封孔技术效果，结果表明钻孔钻进经历巷道前方“三带”，应力集中带内 煤体裂隙发育；随着距钻孔壁距离的增加，钻孔施工的二次扰动作用逐渐减小，钻孔卸压松动圏与 巷道卸压松动圈叠加效应出现在孔周局部范围内，并共同形成钻孔漏气主要通道；无支护力作用 下，抽采负压与巷道大气压在短时间内，很容易通过钻孔卸压松动圈裂隙与巷道壁的卸压裂隙连 通，形成漏气通道；支护力作用下，加固了孔周煤体，愈合卸压裂隙，减小漏气通道，加大了有效 抽采时间，且随着支护力的增大，这种效果更明显。进一步试验了主动支护封孔技术，与原有普通 囊袋式封孔相比，主动支护封孔单孔日平均抽采浓度提高近3倍，单孔日平均抽采纯量提高近1.6 倍，主动支护封孔效果好，理论分析结果得到验证。 关键词顺层钻孔；流-固耦合；漏气通道；主动支护封孔 中图分类号TD712 文献标识码A 文章编号1671-0959201907-0114-06 Research on Leakage Channel and Pressurized Hole Sealing Technology for Bedding Drainage Hole Based on COMSOL QIAO Yua n -d o n g1 2, CHENG Ho n g -min g13 1. Co l l eg e o f Co a l En g in eer in g , Da t o n g Un iver sit y , Da t o n g 037003 , Ch in a； 2. Co l l eg e o f Geo sc ien c es a n d Sur vey in g En g in eer in g , Ch in a Un iver sit y o f Min in g a n d Tec h n o l o g y Beijin g , Beijin g 10008 3, Ch in a； 3. Co l l eg e o f Reso ur c es a n d Sa f et y En g in eer in g , Ch in a Un iver sit y o f Min in g a n d Tec h n o l o g y Beijin g , Beijin g 10008 3 , Ch in a Abstract Th e in f l uen c in g f a c t o r s o f sea l in g ef f ec t wer e r eviewed, t h e st r ess a r o un d bo r eh o l e a n d t h e in it ia t ive suppo r t sea l in g t ec h n o l o g y wer e a n a l y zed ba sed o n f l uid -so l id c o upl in g l ea k a g e c h a n n el mo d el o f h o l e d r il l ed a l o n g sea m. Th e r esul t s sh o wed d r il l in g wen t t h r o ug h “ t h r ee zo n es“ o f in f r o n t o f r o a d wa y, f r a c t ur e f ur t h er d evel o ped in st r ess c o n c en t r a t io n zo n e； t h e ef f ec t o f t wo d ist ur ba n c es d ec r ea sed wit h in c r ea se o f d ist a n c e f r o m bo r eh o l e wa l l, t h e super impo sed ef f ec t o f r el a x a t io n zo n e o f bo r eh o l e a n d r o a d wa y a ppea r ed l o c a l a r ea a r o un d bo r eh o l e, a n d h er e t h e l ea k a g e c h a n n el f o r med ； wit h o ut suppo r t f o r c e, t h e d r a in a g e n eg a t ive pr essur e c o mmun ic a t ed a t mo sph er e ea sil y wit h in a sh o r t t ime t h r o ug h f r a c t ur e o f bo r eh o l e a n d r o a d wa y pr essur e r el ief , a n d l ea k a g e c h a n n el wa s est a bl ish ed ； t h e c o a l a r o un d bo r eh o l e wa s r ein f o r c ed, t h e r el ief f r a c t ur e wa s h ea l ed, l ea k a g e c h a n n el d ec r ea sed a n d t h e ef f ec t ive d r a in a g e t ime in c r ea sed wit h suppo r t f o r c e, a n d t h e ef f ec t wa s mo r e o bvio us wit h in c r ea se o f suppo r t f o r c e. F ur t h er , t h e in it ia t ive suppo r t sea l in g t ec h n o l o g y wa s t est ed, a n d t h e r esul t s sh o wed d a il y a ver a g e d r a in a g e c o n c en t r a t io n a n d d a il y a ver a g e d r a in a g e pur it y o f sin g l e h o l e wa s n ea r l y 3 t imes a n d 1. 6 t imes h ig h er t h a n o r d in a r y c a psul a r ba g sea l in g , a n d t h eo r et ic a l a n a l y sis r esul t s wer e ver if ied . Keywords h o l e d r il l ed a l o n g sea m； f l uid -so l id c o upl in g； l ea k a g e c h a n n el； in it ia t ive suppo r t sea l in g 收稿日期2018 -12-07 基金项目山西省教育厅科技处项目2017164；大同市应用基础研究计划项目2017128 作者简介乔元栋 1978 -,男，山西浑源人，博士研究生，副教授，主要研究方向矿山灾害防治，E-ma il c h en g l 26121 163. c o mo 引用格式乔元栋，程虹铭.基于COMSOL的顺层抽采钻孔漏气通及带压封孔技术研究[J]煤炭工程，2019, 517 114-119. 114 2019年第7期煤炭工程 研究探讨 井下瓦斯抽采以钻孔抽采为主，封孔是钻孔抽 采瓦斯的重要环节⑴。以“两堵一注”封孔法为 例，封孔效果取决于两个因素①封孔材料的性能, 材料渗漏性、粘结性较强，在注浆压力的作用下很 容易进入钻孔周围裂隙，愈合钻孔壁的裂隙，抵抗 钻孔壁的流变破坏；②封孔长度，钻孔一般沿巷道 壁施工，钻孔施工经历巷道壁前方卸压带、应力集 中带、原岩应力带，同时，孔周煤体扰动作用下， 亦形成卸压带、应力集中带、原岩应力带，钻孔卸 压松动圈与巷道卸压松动圈叠加，此时若未能确定 足够的封孔长度，则在孔口负压的作用下，可通过 卸压带煤体裂隙与外部空间形成回路循环而导致漏 气⑺“。基于此，本文建立流-固耦合作用下顺层钻 孔抽采瓦斯三维模型，运用COMSOL解算，分析钻 孔周围应力和塑性破坏区分布，确定钻孔主要漏气 通道，并对主动支护封孔技术进行了模拟分析。 1顺层钻孔抽采瓦斯流-固耦合模型 1.1孔隙和渗透率动态演化方程 含瓦斯煤岩是一种孔、裂隙多重介质⑹。孔隙 发育情况决定煤岩的吸附、渗透及强度等特性，一 般用孔隙率9表示，根据孔隙率的定义有 人人o △人,1-卩。八 AV V v0 Ar0 I 含瓦斯煤岩的孔隙率发生变化时，煤的渗透率 会随之而变，根据Ko zeny-Car man方程可得渗透率 随孔隙率的变化方程为6“ ,仏 r , s 如/人1-仇「,、 k ----- k ----- 1 ------------------------ 2 1 6 L 卩0 卩0 」 式中，仏、人为煤岩变形前、后裂隙体积; 、V煤岩变形前、后外观体积；叫.为煤岩变形前 骨架体积；＜p0＜p0为初始孔隙；k0k0为初始渗透率；Ap 为瓦斯压力的变化值；6为体应变；K,K,为体积压缩 系数；6为吸附平衡常数，Pa“； p为煤层瓦斯压 力，MPa。 1.2应力场方程 将含瓦斯煤岩体视为线性各向同性材料，考虑 孔隙压力、吸附膨胀应力““I ,有平衡方程 ap F, 0 3 煤岩体变形的几何方程为 勺* u” , ⑷ 以位移表示的考虑孔隙压力的煤岩体变形方 程为 A G p p Gu,」 F, ap, 0 5 式中，哲为Kr o nec ker常数；儿为煤岩体应力 分量，MPa；勺为煤岩体应变分量；a为孔隙压力系 数；u为煤岩体变形位移；入、G为拉梅常数和剪切 模量。 1.3渗流场方程 假设煤层瓦斯流场为等温过程；流动过程遵循 达西定律、质量守恒定律；煤体瓦斯吸附遵循朗格 缪尔方程，则钻孔抽采瓦斯固-气耦合渗流场方 程为 10p 施，，18 , abcpp* dp [paabcpp* dp [pa /c f ] n p dt pp dt p 1 bp dt bp dt |_Po “ _ 6 式中，p p为煤体密度，kg/m‘； p”为标准大气 压，MPa； n n为瓦斯动力粘度系数，Pa - s; a、b b为 煤的吸附常数；c为煤的校正系数。 1.4物理模型建立 本文以霍尔辛赫煤矿预抽煤层瓦斯的顺层钻孔 为例，设计钻孔直径为94m叫平均施工深度为 100m,垂直煤壁施工，平均封孔深度8m；煤层基本 参数见表1 8j o建立长X宽x高为40mx20mx5m简化 的顺层钻孔抽采瓦斯物理模型，如图1所示，模型 顶部施加初始载荷；左右四个边界为位移边界, 只允许有竖直方向位移；底部为固定位移边界；模 型的外边界为不透气边界，内部设定初始瓦斯压力 为P。；钻孔封孔段设置为不透气边界，封孔段以里 为有效抽采段，边界设定为抽采负压；巷道煤壁自 然排放煤层瓦斯，设定为井底大气压力。 表1基本参数 参数名称数值 初始应力＜r0/MPa15.0 初始孔隙率000. 02 初始渗透率饥/川 1.5X10-18 吸附常数a、b34.64、0. 325 灰分、水分/ 11.59、1. 7 动力粘度系数“ 1.08 X10-6 煤体密度p/t -m-51.41 2顺层钻孔漏气通道分析 2.1钻孔周围应力分析 煤体未受采动影响时，煤体处于平衡状态，当 115 研究探讨煤炭工程2019年第7期 受到采动影响后，平衡状态失稳，如巷道开挖后, 巷道壁前方应力重新分布，形成卸压带、应力集中 带、原岩应力带[910],如图2所示。卸压带煤体已 经发生了破坏，破碎的煤体处于极限平衡状态，易 沿着破裂面垮落，应力集中带为裂隙发生发展区, 两区域内的煤岩体透气性显著增大〔⑴。沿巷道壁施 工的钻孔依次经历巷道的卸压带、应力集中带、原 岩应力带，钻孔的施工将再次打破巷道壁前方“三 带”的二次应力平衡状态，与钻孔卸压松动圈叠加。 y为上覆岩层容重，N/m3 ； /1为埋深，m 图2钻孔钻进方向上巷道壁前方应力分带 在图1物理模型的右侧巷道壁处，截取钻孔中 心轴线所在水平面，以钻孔壁为起点，分别距孔壁 0. I m、0.2m、0. 4m处作沿钻孔钻进方向上的测线。 沿钻孔钻进方向，距孔壁0.1m、0.2m、0.4m处钻 孔施工前、后测线上垂直应力分布，如图3所示。 钻孔施工经历了巷道“三带”，卸压带煤体松散无 承载能力，钻孔施工前后，应力变化不大；应力集 中带施工钻孔后，受钻孔二次扰动影响，应力集中 升高，两次扰动作用下，使此处煤体裂隙进一步发 育；进入巷道壁前方的原岩应力区后，钻孔施工的 扰动仅小范围内应力波动。同时，从图3a、b、 c 可以看出，随着距钻孔壁距离的增加，钻孔施工 的二次扰动作用逐渐减小，也就是说这中扰动只在 116 孔周局部范围内出现，这也说明了钻孔卸压松动圈 与巷道卸压松动圈叠加效应。 eds 二 s w e s w e 钻孔长S/m 20 图3钻孔施工前后周围垂直应力变化曲线图 2.2主要漏气通道确定 目前，钻孔漏气通道主要有三种〔闵，如图4所 示。①巷道煤壁卸压区裂隙漏气封孔深度不足, 使封孔段未避开煤壁卸压区，抽采负压大、预抽期 过长，封孔深度不足以抵挡负压运移影响区，导致 漏气；②钻孔松动圈漏气封孔材料未充实钻孔周 围的塑性破坏区形成漏气通道；③封孔材料与钻孔 壁之间的空隙漏气封孔材料不充实或者封孔材料 凝固收缩造成漏气，其主要出现在封堵水平钻孔。 ansa卸压封扎杖料与語孔肇 圈漏气通道 裂隙圈漏气通道 煤层 4 图4 “两堵一注”封孔漏气示意图 前节钻孔周围应力分布分析表明巷道壁前方 2019年第7期煤炭工程 研究探讨 “三带”与钻孔卸压松动圈产生叠加效应，在巷道 壁前方应力集中带内二次应力的集中使此处孔周一 定范围内的煤体裂隙再次发育，势必增加此处煤体 透气性。结合现场各种封孔方法和封孔深度，可确 定封孔主要漏气通道是由巷道卸压造成的裂隙沟通 钻孔松动圈裂隙形成的。 3主动支护封孔技术研究 如前节所述封孔主要漏气通道是由巷道卸压造 成的裂隙沟通钻孔松动圈裂隙形成的。“主动支护” 封孔是依靠注浆压力，使浆液进入周围煤体，形成 “骨料”填充裂隙；后期，材料膨胀压力的作用下, 进一步“愈合”塑性破坏区煤体裂隙，增加煤体强 度，减少后期煤体的蠕变破坏⑴。 3.1漏气通道处理 损伤破坏引起煤岩体裂隙发育，渗透率急剧增 大，渗透率的增大倍数用入表示⑷，损伤破坏后渗 透的描述如下 “碳hkhk 7 3.2主动支护封孔效果分析 假设①封孔材料与孔壁接触紧密；②封孔材 料结构致密；③注浆压力及材料膨胀压力均归结为 对钻孔壁的支护力。 .为较好的表现岀漏气通道的漏气机理，以下分 析以瓦斯流线和瓦斯压力等值线为依据分析。流线 是速度场的矢量线，线上所有质点在该时刻的速度 矢量都与流线相切，流体是在压力梯度的作用下流 动时，存在压力梯度的区域应该分布有均匀的流 线1切。流线用黑色曲线表示，瓦斯压力等值线用彩 色曲线表示。 仍以图1中右侧巷道壁处、钻孔中心轴线所在 水平面为研究对象。在无支护力作用下，抽采15d、 30d时孔周流线和瓦斯压力如图5所示，图5中粗直 线区为封孔段。可以看出抽采15d时，封孔段椭圆 区域内，靠近巷道壁处流线紊乱，有间断；靠近抽 采段，流线分布均匀连续，此时漏气通道正在形成; 抽采30d,椭圆区域内出现明显的压力等值线，流 线分布与钻孔抽采段类似，均匀连续，此时封孔段 的钻孔壁处形成了低压区，可以确定漏气通道已 形成。 在支护力4MPa、6MPa作用，分别抽采30d、 60d钻孔周围流线和瓦斯压力如图6、7所示。支护 力4MPa作用下，抽采30d、60d在封孔段的椭圆区 钻孔长度/m a抽采15d \i\iMPMP 加 5 0 4 2 0 8 7 5 2 5 0 4 2 0 8 7 5 2 社 8 7 6 5 3 2 1 0 8 7 6 5 3 2 1 0 斯 IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. IO. 瓦 nTHTTUmlrnvInlHIHIn 邀s Q r i二 w iHs w iHs 瓦斯压力/MPa 2 4 6 8 10 12 钻孔长度/m b抽釆30d O 3 O 3 8 7 8 7 0. 0. 0. 0. n r s n r s n n n n m i i m m H i n in n n n m i i m m H i n i 图5无支护力，孔周流线及瓦斯压力等值线分布图 域内未形成压力等值线，只有小范围内的流线指向 封孔段孔壁，其余均指向抽采负压区和巷道壁，且 近巷道壁2m左右范围内，流线集中。支护力6MPa 作用下，抽采30d、60d在封孔段的椭圆区域内亦未 形成压力等值线，抽采30d时，封孔段椭圆区域内 流线紊乱、间断，此处未形成流场；抽采60d时, 封孔段区域内的瓦斯分别抽采负压和巷道大气压作 用下，向压力低处流动，支护力作用下封孔段裂隙 被充填、压实，未形成低压通道，漏气效果明显 降低。 3. 3现场试验 为验证理论分析结果，选在霍尔辛赫煤矿进行 现场试验，该矿井主采3煤层，平均埋深480m,煤 层倾角5。左右，煤厚4. 497. 17m,平均5.65m,煤 层最大瓦斯压力0. 52MPa。现场试验选在该矿3302 工作面回风顺槽，选定试验区布置1组10个钻孔, 钻孔直径94mm,深度为120m左右，距巷道底部 1.7m,近似垂直煤壁施工。该矿现有的封孔方式是 普通囊袋式封孔，经现场统计最高日平均抽采浓 度10. 76 ,最低2. 93,钻孔日平均抽采浓度 7. 14；最高日平均抽采纯量11.45n/d,最低 3. 34m3/d,钻孔日平均抽采纯量7. 50m3/do 3. 3. 1现场封孔步骤 主动支护封孔前期的压力来自注浆压力，主要 作用是将浆液压入钻孔周围塑性破坏期；后期压力 来自材料膨胀应力，采用了液体微胶囊技术，能有 117 研究探讨煤炭工程2019年第7期 E / E / 殖塑二工珀眾丑 2 4 6 8 10 12 钻孑L长度/m a抽采30d 4 3 2 1 0 1 2 3 4 4 3 2 1 0 1 2 3 4 壇 s Q -H s Q -H- - 気揺品 钻孔长度/m b抽采60d 0 2 1 9 8 6 0 2 1 9 8 6 胡 OC 7 6 4 3 2 7 6 4 3 2 斯 0. 0.0 0. 0. 0. 0. 0.0 0. 0. 0. 瓦 cnigjimiiimipimmnn 瓦斯压力/MPa 0.80 0.73 0.61 0.50 0.38 0.27 0」5 0.02 图6支护力4MPa,钻孔周围流线及 瓦斯压力等值线分布图 4 3 2 1 0 1 2 3 4 4 3 2 1 0 1 2 3 4 E a s l 4 E a s l 4 斗揺星 瓦斯压力/MPa 30.80 0.50 0.15 0 2 4 6 8 10 12 钻孔长度/m a抽采30d 4 3 2 1 0 1 2 3 4 0.61 0.38 0.26 0.15 0.02 钻孔长度/m ⑹抽采60d 图7支护力6MPa,钻孔周围流线及 瓦斯压力等值线分布图 MPaMPa 期为囊袋注浆，当达到一定压力后，中间的阀门爆 破片开启，两端的阀门单向阀闭合，开始向中 间腔体注浆，此时可能出现的情况为，封孔管中有 气体和水涌出，其原因是腔体内的空气顺囊袋表面 涌岀，当涌出的气体减弱或者钻孔中的涌水浑浊类 似浆液颜色，可以停止注浆。 4关闭注浆泵，上弯注浆管并固定，完成注 浆，待钻孔无涌水即可联管抽采。 3.3.2现场试验数据及分析 试验钻孔封孔联管后统一测定，测定周期为 5d,总共测定10组数据，限于篇幅，仅列出每组前 5个钻孔抽采浓度及单孔日抽采纯量，如图8所示。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 抽采时间/d 亠1“钻孔*2“钻孔*3“钻孔4钻孔*5钻孔 一 P E s m z s TL P E s m z s TL *1“钻孔 *2钻孔*3“钻孔 4钻孔 *5钻孔 b单孔日抽采纯量 图8主动支护封孔单孔抽采参数变化曲线 效的控制材料的膨胀性。现场具体实施步骤如下 1 对钻孔清理，下封孔器。其中花管1根，每 根4m,有孔部分lm；封孔管2根，每根4m。 2 拌料。普通水泥1袋、粉末状材料I 500g、液态材料500mL,加水至拌料桶满，均 匀搅拌5〜lOmin, 桶注浆料大约50kgo 3 注浆。将风动注浆泵与封孔器注浆管、压风 管相连，开启注浆泵风动阀门，开始注浆。注浆初 118 根据测得的抽采数据，求出每组10个钻孔的平 均日抽采浓度和平均日抽采纯量，见表2O 1-10 主动支护封孔最高单孔日平均抽采浓度32. 25 , 最低14.69, 10个钻孔日平均抽采浓度20. 40； 最高日平均抽采纯量1 33ms/d,最低6. 56m3/d, 10个钻孔日平均抽采纯量11.83m3/do主动支护封 孔单孔日平均抽采浓度较普通囊袋式封孔提高近3 倍，单孔日平均抽采纯量较普通囊袋式封孔提高近 1.6倍，主动支护封孔封孔效果明显。 表2钻孔日平均抽采浓度和日平均抽采纯量 日平均抽 日平均抽 钻孔 编号 2 3* 4 5 采浓度 / 采纯量/ 21.5812.44 24.8 114. 55 18 . 1610.00 16. 1810. 12 21.731 17 钻孔 编号 6 7 8 9 10 日平均抽 日平均抽 采浓度 采纯量/ / m3-d_, 21.36 32. 25 105 15.08 14. 69 13.60 33 6. 69 7. 8 5 6. 56 2019年第7期煤炭工程 研究探讨 4结论 1 建立了流-固耦合作用下顺层钻孔漏气通道 模型，分析得出钻孔钻进经历巷道前方“三带”， 在应力集中带，孔周应力集中升高，两次扰动作用 下，此处煤体裂隙进一步发育；随着距钻孔壁距离 的增加，钻孔施工的二次扰动作用逐渐减小，钻孔 卸压松动圈与巷道卸压松动圈叠加效应只在孔周局 部范围内出现。钻孔周围的卸压松动圈与巷道壁的 卸压裂隙圈沟通，共同形成钻孔漏气主要通道。 2 在无支护力作用下，抽采负压与巷道大气压 在短时间内，很容易通过巷道壁的卸压裂隙圈和钻 孔周围的卸压松动圈沟通，形成漏气通道。支护力 的作用下加固了钻孔壁煤体，愈合卸压裂隙，减小 漏气通道，加大了有效抽采时间。 3 主动支护封孔单孔日平均抽采浓度较普通囊 袋式封孔提高近3倍，单孔日平均抽采纯量较普通 囊袋式封孔提高近1.6倍，主动支护封孔封孔效果 好，理论分析结果得到验证。 参考文献 [1] 王兆丰，武 炜煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析 [J].煤炭科学技术,20146 31-34, 103. 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