随着煤炭资源的开采向深部发展，深井、低透、高瓦斯与地应力耦合灾害愈加严重[1,2,3]。瓦斯抽采是解决瓦斯突出问题的主要方法手段[4,5,6]。在瓦斯抽采过程中，使用合适的抽采管，不仅可以保证瓦斯抽采的正常进行，也可以提高中后期瓦斯抽采效率[7,8]。根据松软煤层的地质情况，现有的花管在瓦斯抽采过程中很难避免堵孔的现象，抽采管路会因为孔体垮塌造成花孔堵塞[9,10,11,12]。花孔堵塞会导致瓦斯抽采效率降低、资源浪费。若对花孔堵塞不及时处理，钻孔抽采浓度会降低，需重新钻孔，进而增加工人劳动强度以及生产成本[13,14,15,16]。现有的花管在松软煤层中使用受煤层特性影响，造成抽采效率降低，影响后期煤矿开采施工进度。

在筛管研究发展过程中，叶高榜[17]提出了用于解决松软煤层钻孔塌孔的新型内支撑护孔管，内支撑管包括人字形、十字形和一字形。李坤等[18]研究了护孔筛管的筛孔分布情况和筛孔直径对筛管径向抗压特性的影响，并对PVC筛管无孔、1孔、2孔进行压缩、拉伸、扭转试验，对支护筛管的管材力学特性进行探讨。程洪亮等[19]提出了“双重接替”顺层钻孔全孔深护孔技术，即：先在钻孔中下入直径50 mm的双抗实管，然后将注浆管和返浆管下入双抗实管中，在管两端用封堵剂封堵，接下来用32 mm双抗花管(带堵头)顺着双抗实管下至孔底。以上学者为提高花管的抗压特性进行研究，进而达到护孔的效果，但对于瓦斯抽采过程中堵孔、堵塞、瓦斯涌出量低等问题不能有效地解决。针对瓦斯抽采管路部分或全部堵塞造成的瓦斯抽采效率低等问题进行研究，提出了新型瓦斯抽采花管。

1、原花管结构及抽采机理分析

义安矿在11070底抽巷施工的预抽瓦斯钻孔为穿层钻孔，在成孔后，进行水力冲孔，按照安全标准，冲煤量达到1.5～2 t后进行封孔抽采瓦斯，其目的为增加煤层透气性，提高安全性，同时在煤层内形成一个巨大的坑洞。封孔及瓦斯抽采工艺采用两堵一注封孔器与直径为32 mm的花管。其瓦斯抽采煤层为地质复杂的松软突出煤层，在瓦斯抽采过程中面临的主要问题是堵孔、塌孔、钻孔变形收缩引起花管与煤壁贴合，造成瓦斯抽采不出、抽采量减少，其中钻孔收缩变形与抽采管路贴合是导致瓦斯抽采效率降低的主要原因，如图1所示。

瓦斯抽采花管的长度为2.5 m, 直径为32 mm, 管壁上有等距离布置的花孔，如图2所示，花管上的花孔是瓦斯抽采的瓦斯流通通道。在抽采中后期，应力重分布导致钻孔收缩变形、软煤层塌陷、以及煤水混合物流入花孔等，将会造成抽采花管局部或全段被煤水混合物堵塞。如果不及时处理堵塞，将导致瓦斯抽采浓度达不到要求，进而增加了工人劳动强度以及生产成本。

图1 瓦斯抽采的主要影响因素   

图2 常用瓦斯抽采花管   

2、自膨胀护孔抗压花管

2.1 新型自膨胀护孔抗压花管的结构

为解决上述问题，在钻孔封孔过程中，将新型花管连接封孔器实管推入钻孔内部，并进行注浆封孔，在瓦斯抽采时通过抽拉绳索将固定阀打开，使新型花管外围钢片和网布膨胀达到球状；在瓦斯抽采时，瓦斯透过钢丝网布游离于花管壁，通过花孔进入花管，最终汇入抽采管。

如图3所示，自膨胀护孔抗压花管本体左端部外圆设有环形固定插接器，花管本体右端部外圆设有环形活动插接器，环形固定插接器和环形活动插接器之间设有将花孔罩住的可膨胀透气支撑结构，花管本体右端内部设有用于定位环形活动插接器轴向伸展或径向膨胀位置的伸缩阀组件，伸缩阀组件连接有用于驱动伸缩阀组件的绳索，绳索沿花管本体内部向左伸出钻孔。多根弹簧片呈圆形阵列分布于花管周围，在弹簧片外围裹一层钢丝网，通过弹簧片的自膨胀，为花管支撑起一个外包球。弹簧片因其自身的力学特性及排列特点，有足够的力量支撑起煤层脱落块的重量，有效阻止煤层塌陷造成堵孔。通过插接器连接弹簧片，从而有效地固定弹簧片的位置，防止弹簧片位置混乱而造成膨胀失败。

图3 自膨胀护孔抗压花管的结构  

当弹簧片处于拉伸状态时，钢丝网折叠于花管壁。花管端头用护孔网包裹，预防在封孔塞管时造成管内积煤而导致瓦斯抽采时堵塞，甚至导致封孔报废等情况。

2.2 自膨胀花管的使用方法

将封孔器装入钻孔之后，通过拉预留的绳子触发固定阀定位销，释放约束弹簧片的力，使弹簧片恢复原状。恢复原状的弹簧片将钢丝网布撑开，同时活动插接器会卡在固定阀另一个销处，固定位置防止回弹。恢复形变的弹簧片将钢丝网撑起进而将花管周围保护起来，在抽采中后期抵抗钻孔缩径变形，增大花管与煤体的接触面积，增加瓦斯流量，有利于吸附态瓦斯向游离态转变。

花管外围有6块弹簧片支持，即使遇到煤层垮塌也具有一定的支撑力，使得花管外围存在一定的抽采空间，以防止花管上的孔全部被煤泥堵塞、掩埋，保证内管能正常抽采。

花管外围有一层钢丝网布，能有效地将煤渣抵挡在花管外面，且网布能够将弹簧片受到的作用力分散到整个装置上，这样减少了花管被堵塞的概率，有效地解决瓦斯抽采堵塞的问题。

2.3 瓦斯涌出量分析

在实际煤层中瓦斯流动较复杂，将现场某时间的瓦斯流动当作稳定流计算可以获得近似结果。在均质煤层进行瓦斯抽采的过程中，瓦斯在煤层中的流动主要包括径向流动和球向流动。

穿层钻孔内的瓦斯流量为径向涌出量与球向涌出量之和。

2.3.1 穿层钻孔瓦斯径向涌出量计算

径向流动瓦斯涌出量Q1为[20]:

式中，m为煤层厚度，m; λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·d);r为内花管半径，m; P为煤层中瓦斯压力的平方，MPa2。

边界条件为：

式中，R1为钻孔半径，m; R0为钻孔瓦斯源半径，m; p0为煤层中原始瓦斯压力，MPa; p1为钻孔中的瓦斯压力，MPa。

2.3.2 穿层钻孔内瓦斯球向涌出量计算

计算过程与瓦斯在均质煤层中的径向流动计算相似，即瓦斯在均质煤层中的流动遵循质量守恒，并服从达西定律[21]。因此，采用球坐标表示，则煤壁瓦斯涌出量Q2可表示为：

2.3.3 抽采中后期瓦斯涌出量计算

义安煤矿二1煤层较稳定，厚度0.8～8.8 m, 平均4.0 m; 原始瓦斯含量为4.81～7.59 m3/t, 选定该工作面煤层原始瓦斯含量为7.59 m3/t, 由实测二1煤层原始瓦斯含量计算原始瓦斯压力为0.29～1.51 MPa, 选定该区域煤层原始瓦斯压力为0.9 MPa; 煤层透气性系数为0.0083 m2/(MPa·d),瓦斯抽采钻孔孔径94 mm, 钻孔深18 m, 钻孔内瓦斯压力0.1 MPa, 有效影响半径0.75 m。使用常用花管进行瓦斯抽采，在瓦斯抽采中后期，钻孔收缩变形，钻孔煤壁紧贴花管，此时钻孔直径为花管直径R1、钻孔长度等于花管长度L。流动形式如图4所示。

图4 常用花管抽采时穿层钻孔周围的瓦斯流动形式   

用常用花管抽采瓦斯的中后期瓦斯流量Q总为径向瓦斯流量Q1和球向瓦斯流量Q2之和：

使用自膨胀花管时，花管膨胀呈球形，在瓦斯抽采中后期因钻孔坍塌及缩径变形后，仍能提供较大的抽采空间，此时瓦斯在穿层钻孔内的流动形式如图5所示。

图5 自膨胀花管支撑下瓦斯在穿层钻孔内的流动形式   

由图5可知，球向流动包括n个自膨胀花管支持下的球形空间，径向流动主要出现在自膨胀花管膨胀后的未被包裹段，设自膨胀花管膨胀球体半径为R2,自膨胀花管长为a,单个自膨胀花管未被包裹段长度为d1,内花管半径为r,根据圆的周长公式可以得到：

πR2=a (8)

d1=a-2R2 (9)

根据式(8)、式(9)得自膨胀球体半径

假设瓦斯抽采需要n段花管，采用自膨胀花管时钻孔瓦斯流量为：

取煤层厚度为4 m, 使用两根自膨胀花管，每根长度为2 m, 将有关参数值代入式(11),计算出瓦斯流量为：Q总=0.22 m3/d。

2.4 数值模拟分析

采用Solidworks软件建模(见图6),并进行静力学分析。考虑到外围钢丝网受到压力时，主要支撑为弹簧钢片；因此对弹簧钢片进行受力分析，将左右侧固定环设置为固定夹具，在弹簧片上方施加垂直压力。

图6 弹簧钢片结构模型   

对单根弹簧片施加1000 N/m2的压力，模拟得到的应力云图和位移云图分别如图7和图8所示。

图7 单根弹簧片受压时的应力云图   

图8 单根弹簧片受压时的位移云图   

从图7和图8可以看出，对单一弹簧片施加压力时，其余未受压力的弹簧片会分摊压力，同时也产生了位移。在对单个弹簧片施加压力时，主要承压物为自膨胀花管内管，出现应力集中区域。

对相对的两根弹簧片施加500 N/m2的压力，并进行模拟分析，模拟分析结果如图9和图10所示。由图9和图10可以看出，对两根弹簧片施加压力时，压力主要集中在活动固定环以及弹簧钢片上，避免了单根弹簧片受压时出现的花管内管上产生应力集中的现象。由模拟结果可知，选择合适材料的固定环是解决应力集中导致破坏的关键。

图9 相对的两根弹簧片受压时的应力云图  

图10 相对的两根弹簧片受压时的位移云图   

根据以上结果分析可知：在对单个弹簧钢片施加应力时，不但受压的弹簧片产生位移，此时其余弹簧片也会受到影响而产生位移，而6根弹簧片所受到的应力相等，弹簧钢片所受到的力会被整体平分，共同承担；在极限应力作用下，主要受力弹簧片会发生大变形，中间凹陷与花管贴合，两端仍处于膨胀状态，周围其他弹簧钢片整体处于平行于花管的膨胀状态，在煤层与花管之间仍有较大的空间供瓦斯径向流动与球向流动；在煤体发生变形时，弹簧片能有效抵御钻孔的收缩变形、支撑局部塌落的煤体，因此增大了花管与煤体的接触面积，有助于瓦斯由吸附态转化为游离态。

3、工业性试验

3.1 试验场地概况

义安煤矿设计年生产能力120万t。该矿的二1煤层11070工作面位于11采区东侧，东至F29断层保护煤柱，西至11采区回风大巷，工作面上、下部均未开采。二1煤层11070工作面标高-238～-256 m, 地面标高+371.4～+266.8 m, 埋深627～513 m。

该矿井的瓦斯相对涌出量为13.98 m3/t, 瓦斯绝对涌出量为29.49 m3/min; CO2相对涌出量为2.32 m3/t, CO2绝对涌出量为4.89 m3/min。由此可见，该矿井为煤与瓦斯突出矿井。二1煤层瓦斯压力为0.29～1.51 MPa; 二1煤层瓦斯含量为6.75～14.52 m3/t。

3.2 试验方案

为验证新型自膨胀花管的瓦斯抽采效果，分别采用常规瓦斯抽采花管(对照组)和新型自膨胀花管(试验组)进行对比试验。封孔方法统一采用两堵一注式注浆封孔。在二1煤层11070底抽巷施工钻孔，钻孔水平间距为10 m, 钻孔直径为113 mm, 孔深平均为50 m, 施工10个钻孔，分别采用两种花管进行交叉布置封孔，见图11。

图11 交叉封孔布置   

3.3 试验结果分析

封孔后，记录瓦斯抽采浓度，每隔10 d记录一次数据，为期105 d, 表1为对比组数据、表2为试验组数据，对照组和试验组的瓦斯抽采浓度随时间变化的曲线如图12、图13、图14所示。

表1 对照组瓦斯抽采浓度

表2 试验组瓦斯抽采浓度

图12 对照组瓦斯浓度随抽采时间的变化曲线   

图13 试验组瓦斯浓度随抽采时间的变化曲线   

图14 平均瓦斯浓度随抽采时间的变化曲线   

在瓦斯抽采初期，对照组与试验组的平均瓦斯抽采浓度分别为78.2%、78.4%,浓度接近。在瓦斯抽采前40 d内，采动和地应力影响较小，煤体未发生坍塌，孔径未发生收缩，两种花管的抽采效果相同。在瓦斯抽采50 d后，受采动和地应力影响，煤体发生坍塌，孔径收缩，常用花管抽采方式的瓦斯抽采效果越来越差。在70 d后，受影响最为严重，对照组中钻孔2抽采浓度为0,钻孔坍塌致使抽采管路堵塞，无法正常进行瓦斯抽采。使用新型自膨胀护孔抗压花管在中后期(50 d后)可有效抵御钻孔坍塌及钻孔收缩变形，保护抽采管路可以正常进行瓦斯抽采，瓦斯抽采浓度保持在20%以上，而常用花管的瓦斯抽采浓度仅1.8%,已无法满足瓦斯抽采要求。

在相同封孔方法及相同煤层环境下，使用新型自膨胀花管进行瓦斯抽采的效果较好，通过弹簧钢片的膨胀效果，增加了负压抽采空间，有利于吸附态瓦斯向游离态转变，同时降低了煤体塌陷造成瓦斯抽采失效的可能性，保证了瓦斯抽采的正常进行，提高了瓦斯抽采效率，减少了后期进行补孔抽采的经济成本和瓦斯抽采周期的时间成本。

4、结论

(1) 在采用常规花管抽采瓦斯时，煤层应力重分布导致瓦斯抽采钻孔收缩变形、软煤体塌陷、以及煤水混合物流入花孔等，造成抽采花管局部或全段被煤水混合物堵塞，导致瓦斯抽采效率降低或钻孔报废，需进行补孔进行瓦斯抽采，增大了煤炭开采经济成本和时间成本。

(2) 自膨胀花管在膨胀状态下呈现球体，增加了钻孔内瓦斯的球向流动半径。在瓦斯抽采的中后期，采用自膨胀花管的瓦斯流量为0.22 m3/d, 而采用的常规花管瓦斯涌出量为0.045 m3/d, 采用新型自膨胀花管后瓦斯日涌出量提高了4倍以上。

(3) 通过对比，在相同封孔方法及相同煤层环境下，使用新型自膨胀花管进行瓦斯抽采的效果较好，通过弹簧钢片的膨胀，增大了负压抽采空间，有利于吸附态瓦斯向游离态转变，同时降低了煤层塌陷造成瓦斯抽采失效的可能性，保证了瓦斯抽采的正常进行，同时提高了瓦斯抽采效率，减少了后期进行补孔瓦斯抽采的经济成本和瓦斯抽采周期的时间成本。

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基金资助:国家自然科学基金项目(41872188);

文章来源:王振锋,白志强,王宇等.新型瓦斯抽采自膨胀护孔抗压花管的研制与应用[J].矿业研究与开发,2024,44(01):161-167.