煤層裂隙發(fā)育方向?qū)ν咚钩椴尚Ч绊懙膶?shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用

張 馳，高新宇，王 森，任黎明

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著煤礦開采深度增加，瓦斯抽采難度大的問題更加嚴(yán)峻。瓦斯作為一種清潔能源，具有重要價(jià)值，袁亮院士建立了煤與瓦斯共采技術(shù)體系[1]。針對煤層中存在一定方位的微觀裂隙走向，在布置瓦斯抽放鉆孔時(shí)，與裂隙呈不同的夾角來布置鉆孔，可能會(huì)達(dá)到更好的抽采效果。本文依據(jù)該思路來進(jìn)行研究。

煤層賦存具有非均勻性，因此煤體的滲透率針對層理存在明顯的層理效應(yīng)[2]。劉進(jìn)平[3]等發(fā)現(xiàn)抽采鉆孔與滲透率優(yōu)勢方向呈現(xiàn)的夾角越大，則瓦斯有效抽采半徑也越大；岳高偉[4]等發(fā)現(xiàn)煤層面割理和端割理方向滲透率均大于垂直層理方向滲透率；范超軍[5]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆孔布置方向與煤層具有最大滲透率方向保持較大夾角時(shí)，抽采效果最好； 姜婷婷[6]等發(fā)現(xiàn)對滲透率影響最大的是裂隙以及裂隙貫通程度；許江[7]等選取六盤水礦區(qū)的原煤，研究了試樣內(nèi)外孔隙特征，發(fā)現(xiàn)原煤滲透率和內(nèi)外孔隙特征呈正相關(guān)的關(guān)系；鄧博知[8]等對垂直與平行裂隙兩種煤體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煤體會(huì)在滲流過程發(fā)生變形，其中平行裂隙煤體滲透率高；Wang K等[9]構(gòu)造了煤層各向異性滲透率演化模型，揭示了煤體內(nèi)瓦斯在吸附解吸的過程中，滲透率各向異性的演化；黃啟翔[10]等推導(dǎo)出關(guān)于煤層瓦斯?jié)B流方程，借助該方程可以模擬采場周圍煤層瓦斯的滲流，對提升瓦斯抽采效果存在重大意義；裴磊[11]研究表明有效應(yīng)力的變化對于滲透率在不同方向存在較大影響；郭軍杰，鄒友平等[12]發(fā)現(xiàn)煤樣的力學(xué)變形與煤樣滲透性關(guān)系緊密，煤樣滲透率的變化趨勢與應(yīng)變累積量增速在循環(huán)過程中的變化趨勢具有一致性；閆志銘[13]等的研究也發(fā)現(xiàn)針對煤體裂隙不同方位上瓦斯抽采效率存在明顯的差異；王曉彬，趙晶等[14]研究認(rèn)為構(gòu)井下煤層增透卸壓工程重點(diǎn)布置區(qū)域主要集中在造應(yīng)力集中區(qū)域、低滲透率分布區(qū)域；李波波，李建華等[15]研究發(fā)現(xiàn)孔隙壓力恒定時(shí)，滲透率隨含水率的增大而減?。慌｛愶w，曹運(yùn)興等[16]證明垂直層理和平行層理的煤體變形和滲透率均隨著有效應(yīng)力的增大而呈減小趨勢。

保德煤礦抽采鉆孔布置方向主要是平行于裂隙方向，這種方式抽采效果不太理想。為了達(dá)到更好抽采效果，研究保德煤礦煤層裂隙走向與抽采鉆孔呈不同方位布置時(shí)的抽采效果具有重大意義。因此本文通過實(shí)驗(yàn)研究和煤礦現(xiàn)場應(yīng)用兩種研究方法，系統(tǒng)探究了與煤層微觀裂隙呈不同夾角的鉆孔對于瓦斯抽采效果的影響規(guī)律，該成果對保德煤礦煤層瓦斯抽采效率的提升具有指導(dǎo)意義。

1 研究煤層概況

保德煤礦8#煤層煤層厚度變化區(qū)間為2.15～10.50m，平均7.36m。純煤厚1.85～9.20m，平均厚度為6.02m；為厚-特厚煤層，并以厚煤層為主。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸0～8層，夾矸總厚0～3.84m，平均厚度為1.38m。煤層直接頂板多為砂質(zhì)泥巖與泥巖，局部為粗粒砂巖，底板以泥巖為主，次為粉砂巖。

地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)通常導(dǎo)致存在地應(yīng)力，通常把這種地應(yīng)力在一定空間范圍內(nèi)的分布狀況稱為地應(yīng)力場。研究區(qū)域在煤系地層形成以來，主要經(jīng)歷了三期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，按時(shí)間先后順序分別為印支期-燕山期-喜山期。通過對保德地區(qū)大量地質(zhì)研究成果的分析總結(jié)、室內(nèi)宏微觀裂隙的研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的優(yōu)勢方位明顯，其構(gòu)造樣式的發(fā)育明顯受控于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的演化。

保德礦區(qū)8#煤的顯微裂隙的平面展布表現(xiàn)出南、北高，中間低的格局，北部高值中心向南移，是由于受到了保德背斜的控制。說明研究區(qū)裂隙在平面上的展布規(guī)律總體上為南、北裂隙發(fā)育程度高于中部，局部受到背斜構(gòu)造的控制。

通過調(diào)研保德煤礦8#煤層(三盤區(qū))的相關(guān)基礎(chǔ)地質(zhì)資料，并且通過井下實(shí)地觀測，確定了煤層產(chǎn)狀和主要裂隙發(fā)育方向。保德地區(qū)裂隙走向在南北有一定的差異性，走向優(yōu)勢方位呈現(xiàn)出由南部的NNW向轉(zhuǎn)變?yōu)楸辈康腘E、NEE向的特點(diǎn)，走向與局部構(gòu)造關(guān)系緊密。根據(jù)對8#煤層的裂隙探究，并經(jīng)過測量和分析，發(fā)育兩組優(yōu)勢走向共軛裂隙，分別為(206°，269°)、(223°，188°)，這兩組共軛裂隙主應(yīng)力方向分別為NNE-SSW和NE-SW向。

圖1 取煤塊的工作面及微觀裂隙總體走向

通過對鄂爾多斯盆地、保德礦區(qū)、主采煤層的構(gòu)造應(yīng)力演化特征的分析，得到了保德礦區(qū)的煤層產(chǎn)狀與應(yīng)力的關(guān)系，總結(jié)了煤層裂隙的特征。保德礦區(qū)8#主采煤層內(nèi)微觀裂隙如圖1所示，帶呈組分布，發(fā)育主方向與81310工作面煤壁呈現(xiàn)出約23°的夾角，走向與煤層近一致(即近南北向)，傾向與煤層傾向基本一致(即向西傾斜)，裂隙帶寬度在80～120m，間距在100～150m。

2 實(shí)驗(yàn)室測試

2.1 試樣制備

試樣取自山西省保德煤礦81310工作面，利用取回的大塊煤體，在取芯設(shè)備上鉆取煤樣，加工成為Φ50mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)試樣。在加工不同裂隙角度的試樣時(shí)，先沿平行裂隙方向一側(cè)找平，用夾具固定，確保鉆取試樣軸線方向與裂隙方向成一定角度。由于煤巖裂隙發(fā)育，在鉆取中降低鉆取速度，減少擾動(dòng)，最后再打磨其表面，將試樣打磨成符合標(biāo)準(zhǔn)的試樣。

鉆芯方向與煤塊微觀裂隙分別呈0°、30°、45°、60°和90°。沿著不同微觀裂隙方向所制得的煤樣如圖2所示。

圖2 制取煤樣示意圖

2.2 測試標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)前將制得的試樣進(jìn)行烘干，且烘烤24h。滲透率實(shí)驗(yàn)擬采用QTS-2煤巖滲透率測試儀，該設(shè)備采用穩(wěn)態(tài)法，滲透率測試儀工作原理如圖3所示。

圖3 滲透率測試儀工作原理示意圖

實(shí)驗(yàn)將選用瓦斯作為測試的氣體，且忽視瓦斯吸附效應(yīng)的影響。滲透率可由達(dá)西公式計(jì)算求得。

式中，K為滲透率，mD；Q為出口端的氣體流量，ml/s；L為巖心試件的長度，cm；A為橫截面積，cm2；Pα為測點(diǎn)大氣壓力，MPa；P1為巖心出口端絕對壓力，MPa；P2為巖心入口端的絕對壓力，MPa；μ為瓦斯氣體粘度系數(shù)，mPa·s。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

考慮到取樣點(diǎn)的地應(yīng)力在5MPa至12MPa的區(qū)間范圍，瓦斯壓力在1.5MPa左右，故實(shí)驗(yàn)擬采用在1.5MPa的進(jìn)氣壓力條件下，對煤樣周圍分別施加5、8、10、12MPa的圍壓，來進(jìn)行滲透率測試。

首先對樣品施加5MPa的圍壓；然后向夾持器中充入壓力為1.5MPa的瓦斯氣體；接著測試出口流量，并最終計(jì)算得到滲透率。此次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，提高圍壓至8MPa，再次計(jì)算滲透率。隨后依次將圍壓分別提至10、12MPa，記錄下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.4 不同微觀裂隙角度下滲透率變化

對上述實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如圖4所示的典型煤樣滲透率變化曲線。由圖4可以看出，隨著層理角度逐步增大，煤體滲透率呈現(xiàn)迅速下降趨勢。

圖4 不同層理角度下滲透率(1.5MPa進(jìn)氣壓)

將瓦斯進(jìn)氣壓力設(shè)定為1.5MPa時(shí)，隨與微觀裂隙夾角增大滲透率差異巨大。其中在圍壓為5MPa的條件下時(shí)，角度分別為90°與0°時(shí)的滲透率相比，下降了接近95%，相差極大。在其他圍壓條件下，滲透率都表現(xiàn)出明顯的變化。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為當(dāng)增大圍壓時(shí)，初始滲透率會(huì)減小，同時(shí)滲透率下降速率也會(huì)變小。進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)不同圍壓下的煤體滲透率與裂隙角度存在線性負(fù)相關(guān)的關(guān)系。煤是經(jīng)歷沉積形成，微觀裂隙對于氣流是較為理想的通道。當(dāng)裂隙夾角增大或圍壓增大后，氣流的有效通道減少，微觀裂隙也會(huì)壓實(shí)減小，煤體基質(zhì)則成為氣流必經(jīng)區(qū)域，而煤體基質(zhì)本身滲透率非常低。

2.5 結(jié)果分析

保德煤礦煤層存在明顯的微觀裂隙發(fā)育走向，沿走向微觀裂隙在煤層間貫通，形成氣流通道。雖然測試結(jié)果顯示煤樣滲透率在0°時(shí)測得最大值，但該結(jié)果體現(xiàn)出的實(shí)質(zhì)是氣流在特定方向流動(dòng)要克服阻力的難易程度。

在實(shí)際抽采鉆孔布置時(shí)，平行于裂隙方向的順層鉆孔如圖5(a)所示，其結(jié)果恰好相反。垂直于裂隙方向布置的鉆孔如圖5(b)所示，瓦斯流動(dòng)的方向是平行于裂隙。圖5(a)中煤層內(nèi)的瓦斯從鉆孔方向運(yùn)移必然得經(jīng)過微觀裂隙之間的煤基質(zhì)，此時(shí)滲透率測試值也是最小。而圖5(b)中鉆孔穿過無數(shù)個(gè)煤層裂隙，瓦斯經(jīng)過解吸進(jìn)入裂隙，并通過裂隙大量涌出。

圖5 不同裂隙角度對瓦斯抽采影響示意圖

當(dāng)鉆孔與裂隙夾角小于90°則如圖5(c)所示，瓦斯仍然解吸后從裂隙方向進(jìn)入鉆孔。此時(shí)相比于垂直裂隙鉆孔，鉆孔及瓦斯所穿過的裂隙數(shù)量下降明顯。

在實(shí)際工程中，當(dāng)鉆孔平行于微觀裂隙走向布置時(shí)，瓦斯抽采過程中需要克服的阻力最大；而當(dāng)鉆孔垂直于裂隙走向布置時(shí)，則此時(shí)為阻力最小的情況，抽采效果也最理想。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室結(jié)果得到的結(jié)論，驗(yàn)證存在裂隙的煤層，是否會(huì)導(dǎo)致鉆孔抽采效果存在明顯方位特征，于81310工作面施工4組鉆孔，通過觀測每組鉆孔總組的抽采濃度和抽采瓦斯的純量，來分析不同方位鉆孔對于抽采效果的影響。

3.1 試驗(yàn)方案

為分析不同方位鉆孔抽采效果，在81310工作面巷道內(nèi)28聯(lián)絡(luò)巷至31聯(lián)絡(luò)巷位置施工4組測試鉆孔，其中一組至四組分別測試與煤層微觀裂隙呈30°、60°、90°和45°夾角的鉆孔組的抽采效果，不同方位抽采效果測試鉆孔布置如圖6所示。每組有五個(gè)鉆孔，每組內(nèi)鉆孔間距為5m，所有鉆孔孔徑均為113mm，傾角均為-1°，且每組鉆孔的封孔方式都是一致的。從左至右，一組鉆孔位于28聯(lián)絡(luò)巷，與裂隙夾角為30°；二組鉆孔與裂隙夾角為60°；三組與裂隙夾角為90°；四組鉆孔位于31聯(lián)絡(luò)巷，與裂隙夾角為45°。

圖6 不同方位抽采效果測試鉆孔布置示意圖

3.2 結(jié)果及分析

通過一個(gè)月時(shí)間的觀察與研究，對每組鉆孔的瓦斯?jié)舛群统椴赏咚辜兞繑?shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，不同方位測試鉆孔抽采濃度和抽采純流量對比如圖7、圖8所示。

圖7 不同方位測試鉆孔抽采濃度對比圖

圖8 不同方位測試鉆孔抽采純流量對比圖

煤體微觀裂隙繁多，總體上呈現(xiàn)一定方位的走向。煤體基質(zhì)本身滲透率極低，通透性非常差。要想高效將瓦斯從煤體中運(yùn)移出來，盲目打鉆抽采可能會(huì)使得瓦斯運(yùn)移時(shí)需要穿透煤體基質(zhì)本身，此時(shí)的抽采效率極低。最高效的做法就是借助于煤體的微觀裂隙通道，將其作為瓦斯運(yùn)移通過的路徑。

瓦斯運(yùn)移過程中，經(jīng)過的裂隙通道越多，其抽采效率無疑就會(huì)最高，抽采效果也會(huì)最好；經(jīng)過的煤體基質(zhì)本身越多，瓦斯運(yùn)移受到的阻礙就會(huì)越大，抽采流量自然也會(huì)越小。基于此，又發(fā)現(xiàn)當(dāng)抽采鉆孔垂直于裂隙走向時(shí)，即與裂隙走向夾角為90°時(shí)，鉆孔通過的裂隙最多，瓦斯抽采效果會(huì)最好；隨著夾角減小，逐漸減小至0°，則鉆孔會(huì)經(jīng)過的微觀裂隙數(shù)量也逐步減少，瓦斯運(yùn)移需要克服阻力就逐漸增大，抽采效率也會(huì)隨之降低。

根據(jù)鉆孔與裂隙的角度，4組鉆孔與裂隙方向呈30°、45°、60和90°。根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)研究與理論研究，當(dāng)鉆孔與裂隙或裂隙呈直角關(guān)系時(shí)，理應(yīng)抽采效果最佳，抽采濃度和抽采純流量均最大。而上述數(shù)據(jù)也表明，與裂隙呈90°的測試鉆孔的抽采濃度為最大，60°與45°夾角的測試鉆孔次之，30°的測試鉆孔抽采效果最差，證明了之前實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。

綜上所述，在保德礦區(qū)81310工作面所施工的抽采鉆孔中，與微觀裂隙呈90°的鉆孔的抽采效果最佳，抽采流量最大。

4 結(jié) 論

對于保德煤礦不同方位鉆孔對抽采效果的影響規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)兩種方式進(jìn)行了了測試，主要結(jié)論如下：

1)保德煤礦煤體滲透率對煤層微觀裂隙角度的響應(yīng)規(guī)律明顯，隨著瓦斯流動(dòng)方向與裂隙角度的增大，煤體滲透率迅速減小。

2)當(dāng)瓦斯抽采鉆孔與煤層內(nèi)微觀裂隙走向夾角呈90°時(shí)為鉆孔最優(yōu)布置方位，不同方位鉆孔抽采效果不同，但呈90°的鉆孔實(shí)際抽采效果最好。

3)在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)鉆孔平行于裂隙走向布置時(shí)，煤體瓦斯流動(dòng)通過的裂隙數(shù)量反而最少，滲透率最?。欢?dāng)鉆孔布置方式與裂隙垂直時(shí)，此時(shí)煤體瓦斯向外運(yùn)移通過的裂隙數(shù)量最多，滲透率也最大。