基于CFD模拟的巷道煤壁喷涂对瓦斯抽采影响研究＊

时间：2024-07-28

成艳英林柏泉郝志勇李子文高亚斌

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116）

1 我国煤矿瓦斯抽采存在的主要问题

煤矿瓦斯抽采是降低矿井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施。同时，瓦斯作为一种非常规天然气，也是一种宝贵的能源财富。2011年我国煤层气（瓦斯）产量首次突破百亿立方米，标志着煤层气产业进入了高速发展的初期阶段。虽然瓦斯产量大，但是抽采量不均衡、浓度波动大的现状造成了瓦斯充分利用难、瓦斯利用率低的现状。

导致我国煤矿瓦斯抽采效果差的主要原因来自两方面，一方面是煤层透气性低，煤层渗透率平均只有1.1974×10-18～1.1596×10-14m2，其中渗透率大于0.1987×10-15m2的仅占28%，而大于0.9187×10-15m2的极少；另一方面主要表现为抽采时间短、钻孔工程量不足、封孔质量差、抽采系统不匹配和管理不到位等。

针对煤层渗透率低的难题，经过国内外研究人员的努力，发明了钻孔卸压增透法、高能液体扰动卸压增透法和爆生气体扰动卸压增透法等，尤其是水力割缝、水力压裂等钻孔卸压措施增大了钻孔周围的渗透性，提高了裂隙之间连接率及单孔瓦斯抽采率，较好地解决了煤层渗透性问题。同时，随着封孔工艺及封孔材料的改进，钻孔封孔质量显著提高。然而，随着抽采时间的延长，抽采浓度普遍降低，一方面是因为瓦斯含量的减少；另一方面是由于瓦斯抽采过程中，巷道一侧空气从煤壁渗入钻孔，导致瓦斯浓度低。

煤矿巷道开挖过程中，应力重新分布，煤巷壁面产生大量裂隙。煤壁的裂隙与煤层内部的裂隙连通，成为空气混入煤层的通道。外部空气渗入钻孔示意图如图1所示。瓦斯抽采时，大量空气沿煤壁裂隙混入煤层，导致抽采负压损失，瓦斯抽采效率低。因此，解决瓦斯抽采效果差的关键是研究从煤壁渗入钻孔的外部空气，壁面喷涂能很好地解决空气从煤壁裂隙的渗漏，因此研究壁面喷涂对瓦斯抽采的影响势在必行。

图1 外部空气渗入钻孔示意图

2 模型建立

为研究壁面喷涂对瓦斯抽采的影响，结合现场本煤层瓦斯抽采钻孔布置情况，建立如图2所示几何模型，设置观察点A （2，27）。其中，煤层沿钻孔方向长100 m，沿钻孔径向长度50 m。钻孔位于煤层中间，角度为0°，长70 m，孔径89 mm，钻孔封孔长度为10 m。将模型充分简化，封孔段及抽采管均不画出。煤层给定多孔介质渗流边界条件，指定煤层渗透系数。钻孔孔口抽采压力为-20kPa，煤层压力为2 MPa。湍流计算选用层流模型，瓦斯在煤层中流动用多孔介质模型，设定煤层孔隙率为10%，其内部流动由达西公式确定。

式中：Δp——渗流压力降，Pa；

μ——气体的粘性系数；

k——渗透率，取决于煤层的几何结构，计算中煤层渗透率取2×10-17m2；

v——瓦斯流动速度，ml／s；

δ——瓦斯流过的距离，m。

图2 煤层瓦斯抽采几何模型

3 未喷涂巷道煤壁瓦斯抽采

根据实际经验，随着瓦斯抽采的进行，巷道气体会通过裂隙或者钻孔封孔段进入钻孔，假设钻孔封孔段密封性能良好，考察巷道一侧漏风情况。首先假设煤层巷道一侧自然漏风，即设置其压力出口值是0，设置煤层上、下、右边界为压力入口，如考察A 点瓦斯压力随抽采时间变化规律，选取有代表性点进行曲线拟合，如图3所示。该曲线显示A 点瓦斯压力呈现负指数规律下降，在16d以前A 点压力急剧降低，之后开始缓慢下降，在第26 d后降低为负值，开始向钻孔漏风，最后无限趋近于-20kPa。图3比较形象地说明刚开掘巷道煤壁壁面处瓦斯压力变化情况，在实际巷道掘进尤其是高瓦斯煤巷掘进过程中，要时刻注意巷道瓦斯变化情况。

图3 A 点瓦斯压力随抽采时间变化图

选取不同抽采时间段（2d，4d，6d，10d，14d，60d）煤层瓦斯压力云图，见图4。从图4可以看出，在煤壁巷道侧自然漏风情况下，钻孔附近煤层瓦斯压力下降较快，压力梯度明显，瓦斯压力云图呈现倒钟状。随着抽采时间的延长，卸压范围增大，即抽采有效半径增大。巷道侧瓦斯被抽采管抽走的同时，也会向巷道涌出。随着抽采的进行，瓦斯压力进一步降低，巷道一侧煤层压力如呈现负压，说明外部气体通过煤壁向钻孔处漏风情况严重，有必要对巷道进行保护。

图4 未喷涂巷道煤壁漏风下瓦斯压力云图

4 喷涂巷道壁面瓦斯抽采

在巷道一侧煤壁采取保护措施即壁面喷涂情况下，考察煤层抽采瓦斯压力变化情况。将模型巷道一侧设为壁面，即假设巷道完全不漏风，考察A 点瓦斯压力随抽采时间变化规律，选取有代表性点进行曲线拟合，见图5。该曲线显示A 点瓦斯压力呈现明显指数规律下降，前25d下降迅速，后期下降缓慢，最后无限趋近于一个定值。说明在理想的壁面喷涂情况下，巷道壁面处瓦斯被钻孔抽采管逐步抽走，但是不会降低到零，说明了钻孔抽采能力有限，抽采半径不会随时间延长无限期增大。

图5 A 点瓦斯压力随抽采时间变化图

选取不同抽采时间段（2d，4d，6d，10d，14d，60d）煤层瓦斯压力云图如图6所示。从图6可以看出，在巷道一侧煤壁采取保护措施、壁面完全不漏风的理想情况下，A 点位置瓦斯压力始终保持正值。瓦斯压力云图呈现椭圆状，下降速度变小。瓦斯抽采钻孔附近煤层瓦斯压力下降较快，在一定时间内，抽采时间越长，卸压范围越大，即钻孔抽采有效半径随着时间延长而变大，但是过了一定时间后，抽采有效半径会维持在一定范围内。

图6 巷道一侧煤壁完全密闭下瓦斯压力云图

在理想的壁面喷涂情况下，煤壁壁面完全不漏风，在一定期限内，抽采有效半径随时间延长而变大，煤层瓦斯抽采效果很好。然而，理想的煤巷壁面喷涂所用胶粘材料必须满足密封性、施工性、时效性、经济性、安全性、不可燃性、无腐蚀性等要求，而目前工程中常用的胶粘材料由于自身的缺点不能满足这些要求。并且在实际工作中，由于煤层地应力变化，巷道变形造成煤壁垮落，特别是在煤质较软情况下，破碎煤体容易脱落，导致喷浆效果不好。此外，壁面喷涂成本较高，造成了实际壁面喷涂应用的局限性，应当对壁面喷涂技术及工艺进行进一步的研究。

另外，受钻孔密封质量的限制，随着抽采的进行，钻孔封孔段因地应力变化产生裂隙，为外部气体进入钻孔提供了通道，造成瓦斯抽采负压不高、瓦斯抽采浓度过低，严重影响抽采效果，此时，应当增补其他措施以保证瓦斯抽采效果。