基于钻孔瓦斯涌出规律的突出危险性预测模型.pdf

第 19 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER基于钻孔瓦斯涌出规律的突出危险性预测模型陈诚1，田世祥1，赵佳佳1，刘正堂2（1.贵州大学矿业学院，贵阳 550025；2.六盘水恒鼎实业有限公司盘县乐民镇洪兴煤矿，贵州六盘水 553537）摘 要：为提高急倾斜煤层上山掘进过程中煤与瓦斯突出危险性预测的准确性，首先，基于Mohr-Coulomb准则建立钻孔瓦斯流动模型；其次，通过数值模拟定量分析钻孔瓦斯初始涌出量和瓦斯压力之间的关系；最后，使用ZTL20/1000-Z型矿用隔爆预测装置对贵州洪兴煤矿111707上山掘进面进行现场试验。结果表明：钻孔初始瓦斯涌出量与瓦斯压力呈正相关关系，其相关系数为0.977 3，钻孔初始瓦斯涌出量可以作为预测煤与瓦斯突出的一项参考指标；随着钻孔深度的增加，钻孔初始瓦斯流量会经历“稳定增加降低稳定”4个阶段，钻孔瓦斯流量峰面积可以反映煤与瓦斯突出危险性。关键词：钻孔瓦斯；煤与瓦斯突出；预测；急倾斜煤层中图分类号：TD713 文献标志码：A文章编号：2095-2783（2024）01-0043-07开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Prediction model of outburst danger based on gas emission law of boreholeCHEN Cheng1，TIAN Shixiang1，ZHAO Jiajia1，LIU Zhengtang2（1.Mining College，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.Hongxing Coal Mine，Liupanshui Hidili Industrial company Limited，Liupanshui，Guizhou 553537，China）Abstract：The aim of the present work focuses on the accuracy improvement of coal and gas outburst risk prediction in the process of uphill driving in steeply inclined coal seam.Firstly，a borehole gas flow model was established based on Mohr-Coulomb criterion.Secondly，the relationship between initial gas emission and gas pressure was quantitatively analyzed by numerical simulation.Finally，the ZTL20/1000-Z mine flameproof prediction device was used to predict the risk of coal and gas outburst in 111707 uphill heading face of Guizhou Hongxing coal mine.The results show that the initial gas emission of the borehole is positively correlated with the gas pressure，and the correlation coefficient is 0.977 3.The initial gas emission of the borehole can be used as a reference index in predicting coal and gas outburst.With the increase of borehole depth，the initial gas flow of borehole will experience four stages of“stability-increase-decrease-stability”.The peak area of borehole gas flow can reflect the risk of coal and gas outburst.Keywords：drilling gas；coal and gas outburst；prediction；steep seam煤与瓦斯突出是由瓦斯和地应力共同作用引起的一种煤岩动力灾害1。近年来，由于国内煤矿开采深度的不断加深，瓦斯压力和矿井瓦斯涌出量也随之增大，煤与瓦斯突出的风险愈发严重2-4。通常突出煤层并非在整个区域都有突出风险，而是石门揭煤、地质构造带和煤巷掘进等局部区域的突出风险性较高5-7。因此，准确预测这些局部区域是否存在煤与瓦斯突出危险性对于煤矿安全生产至关重要。目前，学者们针对煤与瓦斯突出危险性预测开展了大量研究。王宏图等8提出了基于温度和瓦斯涌出量预测突出危险性的方法。桂祥友等9、周洋等10、赵旭生等11研究了钻孔倾角和煤层倾角对钻屑量的影响，验证了钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标用于预测突出风险的可行性。岳立新等12提出使用钻杆转速和钻屑量来预测煤体应力的大小，为煤矿动力灾害的防治提供了新思路。潘一山等13、王振等14基于膨胀因子提出应力梯度下钻屑量增量的变化指数，获得了钻屑量与煤体应力之间的关系。宋大钊等15利用声电瓦斯监测技术监测煤与瓦斯突出矿井区域，提出了逐级聚焦的局部监测方法。综上所述，前人对于突出危险性预测指标的研究多处于静态预测层面，缺乏基于时间维度的动态预测方法。鉴于此，本文基于Mohr-Coulomb准则，建立钻孔瓦斯流动模型，探究钻孔瓦斯涌出量与瓦斯压力的关系，并使用ZTL20/1000-Z型矿用隔爆型突出预测装置对贵州洪兴煤矿11107上山掘进面进行验证，以期为精准预测煤与瓦斯突出危险性提供参考。收稿日期：2023-09-06基金项目：国家自然科学基金资助项目（52104079）；贵州省省级科技计划项目（黔科合支撑20204Y050）第一作者：陈诚（1996），男，硕士研究生，主要研究方向为瓦斯治理通信作者：田世祥，副教授，主要研究方向为矿井瓦斯灾害防治，第 19 卷 中 国 科 技 论 文1钻孔初始瓦斯涌出规律1.1数学模型构建钻孔作业与巷道掘进过程类似，徐超等16、蒋承林等17、秦跃平等18认为，由于钻孔的推进致使原本稳定的高压软煤层受到破坏，钻孔前方会形成类球面切面，形成一定半径的球向不稳定渗流区（Rp1），同时解吸瓦斯沿着径向渗流区（Rp2）在压力差的驱动下向孔内渗流，以及钻孔中暴露煤屑的瓦斯球向渗流区（Rp0），使孔内瓦斯涌出量迅速增加，如图1所示。为研究钻孔作业过程中瓦斯涌出量与瓦斯压力之间存在的关系，对瓦斯涌出条件作如下假设并建立数学模型19：1）瓦斯被密封在煤层内，且煤层内无裂隙；2）煤层属于均质煤层，煤体温度维持在一个恒定的状态；3）煤层中的瓦斯气体为服从达西定律的理想气体；4）钻孔四周的瓦斯流动属于球向不稳定流动；5）煤层的透气性系数不会随瓦斯压力的变化而变化。1.1.1煤屑瓦斯扩散方程首先把不规则的煤屑颗粒假设为球状的、各向同性的均质体，煤屑内部的瓦斯可以看成球向不稳定流动，基于质量守恒定律与连续性定律，则有20-22Pt=a1(2Pr2+2rPr)。（1）初始条件为t=0，P=P0=p20；边界条件为 0t，r=R1，P=P1=p21；0t，r=0，P=P0=p20，Pr=0。式中：P=p2，MPa2；p为瓦斯压力，MPa；t为时间，s；a1为煤层瓦斯含量系数，m3/（m3 MPa0.5）；r为半径，m；P0=p20，MPa2；p0为原始瓦斯压力，MPa；R1为钻孔半径，m；P1=p21，MPa2；p1为钻孔内瓦斯压力，MPa。由拉普拉斯变换得rT(r，S)-Sa1rT(r，S)+rP0a1=0，（2）rT(r，S)-rP0S=AchSa1r+BshSa1r。（3）式中：A、B为待定系数；ch为双曲匹弦函数；sh为双曲余弦函数。将初始条件和边界条件代入，可得E0=1-R1rerf 1-rR12F0-erf 1+rR12F0。（4）式中：E0为压力准数；erf（u）为高斯误差函数；F0为时间准数。基于达西定律，可得q=2R1F0(p0-p1)exp(-F0)+1。（5）式中：为煤层的渗透系数，m2/（MPa2 d）；q为单位面积的瓦斯涌出量，m3（m2 d）-1。1.1.2钻孔壁面瓦斯扩散方程钻孔周围壁面煤体的瓦斯流动属于不稳定径向流动，假定煤层属于均质煤层，瓦斯在钻孔中的径向渗流可描述为Pt=a1(2Pr2+1rPr)。（6）初始条件为t=0，P=P0=p20；边界条件为 0t，r=R1，P=P1=p21；0t，r，P=P0=p20，Pr=0。由拉普拉斯变换得rT(r，S)+T(r，S)+Sa1r T(r，S)-P0S=0。（7）转为贝塞尔方程求解可得T(r，S)-P0S=AI0(Sa1r)+BK0(Sa1r)。（8）代入边界条件，可得出A=0，B=-P0-P1SK0()Sa1rt。将A、B代入式（8），可得图1钻孔瓦斯涌出示意图Fig.1Schematic diagram of borehole gas emission44陈诚，等：基于钻孔瓦斯涌出规律的突出危险性预测模型第 1 期P0S-T(r，S)=P0-P1SK0()Sa1rK0()Sa1rt。（9）式中，rt为瓦斯在钻孔壁面煤体的真实渗流区半径，m。当钻头深入煤层时，瓦斯流动通道会在钻头附近形成，钻头附近的瓦斯服从球向渗流。瓦斯在钻孔中的球向渗流可描述为P0t=a1(2Pr2+2rPr)。（10）初始条件为t=0，P=P0=p20；边界条件为 0t，r=R1，P=P1=p21；0t，r，P=P0=p20，Pr=0。由拉普拉斯变换得rT(r，S)-rP0S=AchSa1r+BshSa1r。（11）将初始条件和边界条件代入，可得E0=P-P1P0-P1=1-R1rerf(r-R12a1t)。（12）基于达西定律的煤壁瓦斯涌出公式为q=-Pr|r=R1。（13）将式（10）代入式（11），可得q=(p0-p1)(rR1+a14p1.50t)。（14）1.2数值模拟构建利用COMSOL Multiphysics软件构建关于瓦斯压力与钻孔瓦斯流量关系的数值模型，各项参数见表1。边界条件根据煤层的物理特性进行限定，模型的左、右和后方为法向位移约束边界，前方为自由空间，底部为固定边界，顶部施加上覆岩层的自重应力F，煤层渗透率为有效应力的函数。数值模型如图2所示。为研究煤层瓦斯在掘进工作面打钻工作中受到不同压力影响作用下的涌出规律，预设在煤层埋深400 m处进行打钻，煤体含水率为5.6%，打钻时间为180 s，打钻深度为1 m，在瓦斯压力为0.52.0 MPa的条件下开展数值模拟，其中每次增加0.5 MPa，共开展4组数值模拟试验，最终得到瓦斯压力（P）-钻孔初始瓦斯涌出流量（q）-时间（t）三者之间的变化规律，如图3所示。通过钻孔初始瓦斯流量可以在打钻过程中不间断地监测瓦斯释放量，其与瓦斯涌出初速度相比多出了煤体在刚被暴露时的瓦斯解吸数据，为了定量地描述钻进过程中煤体的突出危险性，以单位长度钻孔的初始瓦斯流量之和作为指标，称为钻孔初始瓦斯涌出量（Q），通过积分计算求出图 3 中曲线与坐标轴所围成的面积，即 180 s 内处于不同瓦斯压力下钻孔初始瓦斯流量的大小，然后绘制出钻孔初始瓦斯涌出量-瓦斯压力拟合线，如图4所示。由图4可知，钻孔初始瓦斯涌出量与瓦斯压力呈正相关关系，其相关系数高达0.977 3。由此可以得出结论：钻孔初始瓦斯涌出量可以代替瓦斯压力，作为评估急倾斜煤层上山掘进面是否存在突出风险的表1模型参数Table 1Model parameter项目模型高度/m模型长度/m模型宽度/m钻孔直径/mm内摩擦角/（）煤体弹性模量/MPa内聚力/MPa泊松比煤体密度/（kg m-3）瓦斯压缩系数瓦斯动力黏度/（Pa s）瓦斯密度/（kg m-3）温度/K参数2.01.52.042226730.1370.451 3501.11.8510-50.716303图2数值模型Fig.2Numerical model图3瓦斯压力-钻孔初始瓦斯涌出流量-时间变化规律Fig.3Relationship among gas pressure，initial gas flow and time45第 19 卷 中 国 科 技 论 文一个敏感指标。唐俊等23研究发现，在钻孔内部的初始瓦斯流量可以随着煤体被钻进的深度动态反映出总瓦斯涌出量。为验证应用钻孔初始瓦斯流量预测掘进面前方突出危险性的准确性，需开展工程现场试验研究。2工程试验2.1试验背景工程试验的地点为贵州洪兴煤矿111707上山掘进面，贵州省能源局 关于对2019年贵州省煤矿瓦斯等级鉴（测）定结果的公告（2020 2号）表明，该煤矿为突出矿井。111707 上山掘进面位于 M17 煤层中，M17 煤层为该煤矿的主采煤层，煤层埋深为370430 m，煤层倾角为 4754，平均倾角为 51，属于急倾斜煤层。M17煤层结构简单，煤层厚度为1.23.7 m，平均厚度为2.5 m，煤层厚度变化规律为掘进面北部、东部较薄，南部及西部较厚，变化特征较明显。该煤层为黑色至亮黑色，光泽亮至半亮，以不规则块状为主，细小碎块次之，节理系统发育有次序，次生节理面较平整，断口呈阶梯状或参差状。M17煤层瓦斯含量为6.94 m3/t，瓦斯压力为1.21 MPa，破坏类型为 类，瓦斯放散初速度为11 mmHg（1.013105 Pa=760 mmHg），坚固性系数为 0.41。M17煤层柱状分布如图5所示。2.2试验设备本试验装置为 ZTL20/1000-Z型矿用隔爆预测装置。此装置由多个部件组成，包括钻头、堵头、钻杆、小流量传感器、大流量感应器、流量管、钻机、煤仓、位移传感器、矿用隔爆以及本质安全型采集主机。装置构造及测试原理如图6所示。2.3试验步骤为满足现场试验的需求，首先需进行设备的封孔效果测试、传感器调试等一些前期准备工作，现场试验步骤如下：1）在上山掘进面接近中间位置施工尺寸为75 mm的钻孔，钻孔深度约为1.0 m；2）利用聚氨酯和膨胀水泥等复合材料进行封闭处理；3）固定相关传感器，安放钻机和数据收集器；4）接通电源，启动主机，开始进行数据采集；5）使用42 mm的钻头由封孔设备向煤体前方探钻9 m；6）从钻进深度第2 m开始，每钻进1 m就测试该1 m段的钻屑量；7）钻进深度达到9 m时，中断数据采集程序，启动数据处理程序；8）暂停钻进后2 min之内测定钻孔瓦斯涌出初速度，测量室长度为1 m；9）保存数据，现场测试结束。2.4数据处理方法计算机根据试验步骤将瓦斯流量传感器和位移传感器的电流值运算为对应的瓦斯流量和位移值。生成对应的流量位移曲线后，用曲线积分的方法对试验数据进行计算，具体计算原理如下：Si=x1x2qidx，（15）X=i=1n()Sixii=1nSi，（16）M=SL=S(K2-X)。（17）图4钻孔初始瓦斯涌出量-瓦斯压力拟合线Fig.4Drilling initial gas emission-gas pressure fitting line chart图5M17煤层柱状图Fig.5M17 Coal seam columnar cection1煤层；2堵头；3流量管；4大流量传感器；5小流量传感器；6煤仓；7位移传感器；8钻机；9钻杆。图6装置构造及测试原理Fig.6Schematic diagram of the device structure and test process46陈诚，等：基于钻孔瓦斯涌出规律的突出危险性预测模型第 1 期式中：Si为钻孔i点处的面积，L m/min；x1、x2为i点处流量段两端到工作面的长度，m；qi为i点处对应的瞬时瓦斯流量值，L/min；X为瓦斯流量面积的面心与工作面的距离，m；xi为i点处对应微段的流量面积的面心与工作面的距离，m；M为最大钻孔瓦斯流量峰面积，L m2/min；S为单位长度最大位移流量曲线图形面积，L m/min；L为单位长度最大位移流量曲线图形的重心与孔底的距离，m；K2为钻孔总长度，m。根据式（15）可知，最大钻孔瓦斯流量峰面积与单位钻孔长度流量面积呈正相关关系，这意味着掘进工作面最大钻孔瓦斯流量峰面积越大，则发生煤与瓦斯突出的可能性也就越大。3结果与讨论本次试验设计的预测钻孔长度为 9 m，既符合防治煤与瓦斯突出细则 的要求，又能保证足够的安全距离。试验共采集到78组数据。由于数据具有相似规律，选取其中1组进行钻孔位移与钻孔初始瓦斯流量的关系分析，如图7所示。在初期钻进深度至1.03.4 m时，钻孔初始瓦斯流量较少，且涌出量相对稳定；当钻进深度至 3.45.3 m时，钻孔初始瓦斯流量开始较大幅度增大，并且瓦斯初始涌出量呈现阶梯式增加；当钻进深度至5.37.0 m时，钻孔初始瓦斯流量出现小幅度下降趋势，但该阶段钻孔初始瓦斯涌出量依然较大；当钻进深度至7.07.3 m时，钻孔初始瓦斯流量呈现出大幅度下降趋势；当钻进深度至7.39.0 m时，钻孔初始瓦斯流量较为稳定，与初期有相似的规律。钻孔初始瓦斯流量随钻孔位移变化的规律表明，在5.47.0 m处煤层内部储藏着大量的瓦斯，由于煤体受钻孔作业影响产生裂隙，从而大量的瓦斯从煤层中释放并涌到钻孔中。通 过 计 算 得 到 此 时 的 最 大 流 量 峰 面 积 为64.71 L m2/min，其中出现了卡钻现象，即存在突出危险性，采用复合指标法同时运用钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度指标进行验证判断，分别测得最大值为 5.5 kg/m 和 3.7 L/min，小于 防治煤与瓦斯突出细则 中的临界值（6 kg/m与5 L/min），然后对该预测区段进行上山掘进作业，结果显示，当最大流量峰面积为64.71 L m2/min时，未发生煤与瓦斯突出事故。从试验数据中选取10组结果进行分析，结果见表2。钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度、瓦斯流量峰面积变化趋势大致相同，其中流量峰面积最大值为 64.71 L m2/min，最小值为11.58 L m2/min，其相较于钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度指标敏感性更高、取值范围更广，说明其灵活性较高、适用性较好。4结 论1）钻孔初始瓦斯涌出量与瓦斯压力之间呈正相关关系，即在上山掘进时的煤与瓦斯突出危险性研究中，钻孔初始瓦斯涌出量可以作为预测突出的一项参考指标。2）初始瓦斯流量随着钻进深度的深入而增加，最终趋于稳定。当煤层被瞬间暴露和破坏时，会释放出大量的瓦斯。因此，钻孔初始瓦斯涌出量可以准确预测煤与瓦斯突出的危险性。3）最大流量峰面积指标、钻孔瓦斯涌出初速度指标、钻屑量指标三者的变化趋势大致相同，其中最图7钻孔位移-瓦斯流量曲线Fig.7Borehole displacement-gas flow curve表2试验结果Table 2Test results试验编号12345678910钻屑量（Z）/（kg m1）2.41.42.62.12.55.51.82.01.82.4钻孔瓦斯涌出初速度（b）/（L min1）2.71.33.32.52.43.72.21.92.92.1瓦斯流量峰面积（M）/（L m2 min1）26.5111.5828.3722.4925.1864.7119.2624.4218.0822.15有无突出危险性无无无无无有无无无无有无动力现象无无无无无有卡钻现象无无无无47第 19 卷 中 国 科 技 论 文大流量峰面积指标与其他预测指标相比取值范围更广、敏感度较高。（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：http: 梁运培，郑梦浩，李全贵，等.我国煤与瓦斯突出预测与预警研究综述 J.煤炭学报，2023，48（8）：2976-2994.LIANG Y P，ZHENG M H，LI Q G，et al.A review on prediction and early warning methods of coal and gas outburst J.Journal of China Coal Society，2023，48（8）：2976-2994.（in Chinese）2 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