瓦斯抽采钻孔瞬态高压脉冲疏堵机制与差异化策略研究

《Scientific Reports》：Study on gas flow characteristics and pulse blockage removal regulation in unstable collapsed boreholes

　　

摘要

瓦斯抽采钻孔在原地应力与开采扰动作用下，极易发生孔壁坍塌和煤粉堵塞，严重降低瓦斯抽采效率。为避免传统疏堵工艺存在的排水中断和孔壁损伤等弊端，本文提出一种利用瞬态高压瓦斯实现非接触式疏堵的瓦斯脉冲疏堵方法。通过建立坍塌堵塞钻孔的瓦斯脉冲疏堵试验系统，揭示了坍塌位置与煤粉粒径耦合作用下的流动阻力特性，阐明了脉冲压力与频率对疏堵性能的影响规律，并综合考虑能量衰减与煤结构演化，建立了孔内响应与结构渗透程度的预测模型。结果表明：坍塌位置与粒径共同决定钻孔流动阻力，钻孔口细煤堵塞形成全局流动瓶颈，导致抽采峰值浓度最低，周围煤层瓦斯残留严重。脉冲能量随传输距离呈指数衰减：底部堵塞钻孔疏堵效果弱，响应滞后超过10秒；而孔口堵塞响应迅速，浓度增长显著。脉冲压力对疏堵效率的促进作用呈边际递减效应，在本试验条件下，0.4 MPa为多数工况下的最优压力，气体浓度增量ΔC达到110%–186%；压力进一步增至0.6 MPa时，ΔC增幅不足20.3%，且孔口细煤发生湍流二次沉积，削弱疏堵效果。脉冲频率主导累积能量输入，疏堵性能遵循慢增—加速突破—增速减缓的三阶段演化规律。中孔段坍塌最优频率为每10分钟4次（ΔC增量94.7%），孔口坍塌最优频率为每10分钟3次（ΔC增量高达168.0%）。所建模型对关键参数进行了量化，表明综合响应系数A随粒径增大而降低，能量累积指数B随传播距离增加而升高。在此基础上，提出了"近源高频短时脉冲、远源低频累积脉冲"的差异化脉冲策略，为瓦斯抽采钻孔高效精准疏堵提供了理论依据与参数设计指导。