基于水锁机理的瓦斯超限防治理论

张国华, 鲁 婷, 梁 冰, 韩立鑫

基于水锁机理的瓦斯超限防治理论

张国华1,2, 鲁 婷1, 梁 冰2, 韩立鑫1

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院,哈尔滨 150027; 2.辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院,辽宁 阜新 123000)

为防治煤矿井下回采工作面瓦斯超限,受石油天然气开采领域中水锁损害研究的启示,提出利用水锁抑制含瓦斯煤的瓦斯释放的思想。基于水锁机理,确定了含瓦斯煤中形成水锁的条件及利用水锁防治回采工作面瓦斯超限的实施途径。结果表明,该思想具有理论可行性;含瓦斯煤的多裂隙和多孔隙性、近似干燥的环境,外液,孔隙内外之间的压力差小于毛细管阻力,分别为水锁的形成提供了自然条件、物质条件和压力条件;采前“预抽 +抽后注液”顺序作业、采前“抽放 +注液”平行作业、采前直接钻孔注液、落煤过程中喷淋外液四种方式可防治工作面瓦斯超限。该思想的提出,对推动回采工作面瓦斯灾害的防治研究具有一定的借鉴意义。

水锁;瓦斯超限;防治;回采工作面;含瓦斯煤

0 引 言

在煤矿生产中,瓦斯超限一直是影响回采工作面安全生产和生产能力正常发挥的关键因素。目前普遍采用瓦斯抽放的解决方式。然而,受抽放工艺、抽放时间等因素的影响,抽放不彻底致使工作面瓦斯超限的现象仍然存在。即使是低瓦斯矿井,由于通风管理不善,也常出现回采工作面瓦斯超限现象。工作面瓦斯超限的根本原因在于瓦斯的涌入量过大,瓦斯释放速度过快,利用正常通风无法及时稀释和外排,所以,在工作面风量一定的条件下,合理的抽放技术以及有效的抑制瓦斯释放和延缓瓦斯释放速度的措施,成为防治工作面瓦斯超限的关键。

近年来,随着研究的深入,瓦斯抽放技术日趋成熟,并在实践中取得了较好效果,但对于如何抑制含瓦斯煤的瓦斯释放和延缓瓦斯释放速度的研究甚少。基于此,笔者受石油天然气开采领域中水锁损害研究的启示,提出了利用水锁抑制含瓦斯煤的瓦斯释放和延缓瓦斯释放速度,防治工作面瓦斯超限的方法,并对其机理和实施途径进行了初步探讨,以期为矿井安全生产和防治瓦斯超限提供参考。

1 水锁机理

水锁一词来源于石油、天然气开采领域,是指由于外液渗入储层内部孔道而产生毛细管阻力,如果储层内部的能量不足以克服这一阻力,就会堵塞渗流孔隙通道,使预采流体相对无外液侵入条件下的储层渗透率降低,从而导致预采流体回采率降低的现象[1]。

在石油、天然气开采领域,水锁始终作为一种对储层的损害来加以防治,研究热点主要集中在其产生机理、影响因素、解除技术三个方面,其中,解除技术主要包括水力压裂、预热地层、注混相水溶剂、添加表面活性剂、增大生产压差、酸化处理等[2]。总体分析现有水锁研究,可得到这样一个启示:对于气藏而言,水锁的存在阻碍了储层内气体的外渗,不仅降低了气体的外排量,而且延缓了气体的外排速度。而对于煤矿井下回采工作面,瓦斯超限正是由于瓦斯气体从割落煤体中释放的速度过快造成的,所以利用水锁来延缓和抑制瓦斯的释放速度,势必会对防治工作面瓦斯超限和保证矿井安全生产产生积极作用。

2 水锁条件

2.1 自然条件

煤是一种双重多孔介质,也是一种亲水性物质,其内存在大量的裂隙 (割理)和孔隙 (图 1)[3],这为水锁的形成提供了基本条件。

图1 煤层块体结构Fig.1 Coal block structure

在天然气勘探与开采界普遍认为“有水则无瓦斯”[4],即对于某一煤岩层,若其中含有大量的水,则该煤岩层中不存在瓦斯或瓦斯含量很少。这说明水在煤体表面的吸附能力强于瓦斯气体,故在竞争煤体表面吸附位时占有绝对优势,从而导致外来水浸入时会在含瓦斯煤表面发生置换效应,使吸附态瓦斯变为游离态瓦斯,并在外来水的驱替作用下外排,于是该煤岩层储层中不存在瓦斯或存在的瓦斯很少。这也说明,瓦斯含量比较大的煤层内含水量很少,近似处于干燥状态,这为利用外来液注入形成水锁提供了条件。

对于外来水作用下的驱替作用,一些学者已进行了相关研究[5],并认为:对于煤这种双重多孔介质,在外来水的驱动下瓦斯会沿着裂隙网络形成渗流,而位于孔隙内的瓦斯气体分子,则由于毛细管自吸作用,在孔隙压力增加的条件下,沿着孔隙另一端进入裂隙网络,从而形成吸渗。因此,不难推断,对于孔隙中的瓦斯气体,若孔隙两端均有外来水存在,必会产生毛细管自吸作用,假如此时孔隙内外之间的压力差不足以克服毛细管阻力,吸渗势必会停止,于是便形成瓦斯渗流与扩散的“闭锁”,即形成水锁。

由此可见,含瓦斯煤自身多孔隙和多裂隙的结构条件,以及近似干燥的环境条件,均为外来液浸入形成水锁提供了自然条件。

2.2 压力条件

瓦斯通常以游离、吸附、吸收三种状态存在于煤层中。其中,游离态的瓦斯主要存在于裂隙和大孔隙中,随着外液浸入,会在压力差的驱动作用下瞬间形成渗流,而其他孔隙中的瓦斯则必须在吸渗作用下,先由孔隙运移到裂隙后方可形成渗流。若保证形成吸渗,则必须要求孔隙内外之间的压力差足以克服外液在毛细管中形成的毛细管阻力。依据 Poisetille公式,在驱动压差作用下,从毛细管中克服毛细管阻力所排出的外液流量为[6-7]

式中:qV——排出的流体流量;

r——毛细管半径;

Δp——孔隙内外之间的压力差;

pm——毛细管阻力,pm=2σ·cosθ/r;

σ——液体的表面张力;

θ——液体在煤表面的浸润角;

μ——流体的黏度; l——液柱的长度。

将pm代入式(1),得

由式(1)、(2)可以看出,若保证孔隙内的瓦斯外渗,则必须先消除毛细管阻力的影响,此时孔隙内外之间的压力差Δp必须满足

否则,若Δp≤2σ·cosθ/r,则会形成水锁。于是得到水锁形成的压力条件,即

由式(3)可知,外来浸入液的表面张力越大,孔隙半径越小,则越容易形成水锁。同时由式(1)也可以看出,外来浸入液的黏度越大,突破水锁效应的难度也越大。

综合以上分析,可得含瓦斯煤体产生水锁的三个必备条件,即:

(1)自然条件。主要包括含瓦斯煤体自身所具有的多孔隙、多裂隙性,以及所处的近似干燥的环境。

(2)物质条件。水锁的形成必须依托于外液的浸入,外液是形成水锁的物质条件。

(3)压力条件。毛细管阻力是形成水锁的力源,只有在孔隙内外之间的压力差不足以克服外液在孔隙内所形成的毛细管阻力的条件下,才能有水锁的存在。

在这三个条件中,后两者具有人为可控性。

3 瓦斯超限防治途径

在工作面配风量一定的条件下,防治含瓦斯煤工作面瓦斯超限一般从三方面入手:一是减少单位时间内的落煤量;二是减少原始煤体中的瓦斯含量;三是抑制含瓦斯煤的瓦斯释放量和瓦斯释放速度。减少单位时间内的落煤量不利于保证工作面的产量,故不宜采用。减少原始煤体中的瓦斯含量则必须依靠采前预抽,但需有足够的抽放时间做保障,否则会影响工作面正常生产,使抽放与回采在时间上相互制约。文中利用水锁来抑制含瓦斯煤的瓦斯释放量和瓦斯释放速度,可采取两种途径:

(1)抽放和水锁联合。利用抽放和水锁联合防治工作面瓦斯超限有两种方式:一是采前“预抽 +抽后注液”顺序作业。即通过采前预抽将煤体内的瓦斯压力降低到某一压力之后,再利用抽放钻孔向煤体注入外液形成水锁。二是采前“抽放 +注液”平行作业。即注液孔与抽放孔之间间隔布置,注液与抽放平行作业,一方面利用注液的驱替和吸渗作用促使瓦斯外排;另一方面增加注液孔(正压)与抽放孔(负压)之间的压力差,促使瓦斯定向流动以便于瓦斯抽放,同时也利用该压力差促进毛细管对外液的自吸并形成水锁。

这两种方式均需通过抽放使煤层内的瓦斯压力降到某一压力pb以下,才能保证水锁形成后真正起到抑制含瓦斯煤释放瓦斯的作用。由于工作面煤壁和切割后破碎的煤块均暴露在工作面空气当中,所以外围环境压力为工作面空气压力p0,则抽放后孔隙内的瓦斯压力pb与周围环境之间的压力差Δp为

将式(4)代入式(3)可得

pb即为抽放后煤体内瓦斯压力。

以上两种方式比较适合于煤层原始瓦斯含量和瓦斯压力均比较大的条件。

(2)单一水锁。若煤层原始瓦斯压力满足式(5),可采取以下两种方式直接形成水锁:一是采前直接向煤体钻孔注液;二是在工作面落煤过程中喷淋外液,利用毛细管自吸作用。对于后一种方式,已有相关研究并取得了一定效果,但它仅从温度影响瓦斯解吸的角度进行解释[8],没有注意到,在喷淋外液的过程中,根据吸附作用原理[9],外液必然会在块煤表面对原吸附的瓦斯形成瞬间置换,促进其脱附,容易使水锁形成过程中工作面瓦斯浓度在局部区域出现短时间内增高的现象。但局部短时的瓦斯浓度增高不足以造成工作面瓦斯超限。

为促使式(5)条件的形成,可以附加一些提高外液表面张力的措施,如调整外液的组分、降低环境温度等。

4 结 论

(1)利用水锁抑制含瓦斯煤的瓦斯释放防治工作面瓦斯超限具有理论上的可行性。其机理为,外液在含瓦斯煤的瓦斯运移孔隙通道中利用其毛细管自吸作用形成毛细管阻力,从而降低瓦斯释放量,延缓瓦斯释放速度。

(2)含瓦斯煤的多裂隙和多孔隙性、近似干燥的环境是水锁形成的自然条件;外液是水锁形成所依托的物质条件;毛细管阻力是水锁形成的力源,孔隙内外之间的压力差小于毛细管阻力是水锁形成的压力条件。

(3)利用水锁防治工作面瓦斯超限,可采用抽放和水锁联合、单一水锁两种途径,以及采取采前“预抽+抽后注液”顺序作业、采前“抽放 +注液”平行作业、采前直接钻孔注液、落煤过程中喷淋外液四种方式。同时,为提高水锁效果,可通过调整外液的组分、降低环境温度等附加措施来增加外液的表面张力。

[1] 赖南君,叶仲斌,刘向君,等.低渗透致密砂岩气藏水锁损害室内研究[J].天然气工业,2005,25(4):125-127.

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[9] 赵振刚.吸附作用应用原理 [M].北京:化学工业出版社,2005.

Theory on preventing and controlling gas exceeding l im it based on water lock mechanism

ZHANG Guohua1,2,LU Ting1,L IANG B ing2,HAN L ixin1
(1.College of Safety Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China; 2.College of Resource&Enviroment Engineering,Liaoning TechnicalUniversity,Fuxin 123000,China)

Aimed atpreventing and control gas from exceeding limit in breakage face,thispaperproposes an approach to usingwater lock to restrain gas release in gas-coal,drawing on study of water lock damage in oil and natural gas exploitation field.The paper gives the conditions ofwater lock fo rmation in gas-coal identified depending on the mechanism ofwater lock,and the steps of using water lock to prevent and control gas from exceeding l imit in breakage face.The results show that the approach has theoretical feasibility;the more fractured and porous nature of gas-bearing coal and approximate dry conditions,outside liquid,pressure difference between the inside and outside of void less than capillary resistance,provides natural condition,physical condition and pressure conditions respectively for the formation of water lock;the fourways,such as gas drainage and liquid injection in sequence prior to mine,parallel gas drainage and injection prior to mine,drill and inject liquid prior to mine,spray liquid during coal mining,can prevent and control gas exceeding limit in breakage face.The approach has certain reference significance to promoting the study of gas disaster prevention and control in breakage face.

water lock;gas from exceed limit;prevent and control;breakage face;gas-coal

TD712.54

A

1671-0118(2010)02-0103-04

2010-03-08

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11513098)

张国华(1971-),男,黑龙江省讷河人,教授,博士,研究方向:矿山安全,E-mail:zgh710828131@163.com。

(编辑荀海鑫)