基于不同鉆孔間距的瓦斯抽采效果實(shí)驗研究

彭守建，李正一，許 江，張鴻睿，胡晨陽，張超林，郭世超

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400044；2.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400044)

在瓦斯抽采過程中，鉆孔的布置對瓦斯抽采效率具有重要影響。鉆孔間距過大會產(chǎn)生抽采空白帶，鉆孔間距過小，鉆孔布置密集，則會導(dǎo)致成本較高。因此，確定合理的鉆孔布置間距，不僅能帶來較佳的抽采效果，也能有效降低抽采成本。李鋼等[1]利用MATLAB得出了不同鉆孔間距下的煤層瓦斯抽采率隨時間的變化情況。程志恒[2]采用COMSOL Multiphysics數(shù)值軟件分析了抽采時間及布孔間距對瓦斯抽采效果的影響，提出合理的穿層鉆孔封孔深度和布孔間距。李波等[3]通過COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件建立三維抽采鉆孔模型，分析鉆孔周圍瓦斯流態(tài)及抽采疊加效應(yīng)的作用機(jī)理，模擬研究不同布孔間距下的瓦斯抽采效果，得到順層瓦斯抽采合理的布孔間距為：2r≤L≤R。李書文等[4]在不同鉆孔間距條件下采用瓦斯抽采流量法，根據(jù)瓦斯抽采流量的變化確定了本煤層抽采鉆孔的有效影響半徑為1.2m。劉軍等[5]指出縮短抽采鉆孔布置間距可有效消除抽采空白帶，降低效檢指標(biāo)超標(biāo)率，預(yù)防和消除在掘進(jìn)過程中的煤與瓦斯突出危險性。

綜上所述，目前針對煤層瓦斯抽采效果的常用考察方法主要包括現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬研究。由于現(xiàn)場測試一般周期較長，成本較高，數(shù)值模擬的條件參數(shù)通常與實(shí)際煤層存在較大差異。因此，本文選擇在實(shí)驗室開展瓦斯抽采的物理模擬實(shí)驗研究，通過對不同鉆孔間距條件下瓦斯抽采中不同位置氣體壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并進(jìn)一步探討有效抽采范圍動態(tài)變化，從而對抽采效果進(jìn)行評價，以期為現(xiàn)場鉆孔布置提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗方案及步驟

1.1 實(shí)驗煤樣及裝置

實(shí)驗煤樣取自貴州金佳煤礦，將取回的煤樣破碎后篩分，加入質(zhì)量比為6.8%的石膏和3%的乳白膠攪拌均勻以備實(shí)驗用。實(shí)驗裝置為煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗室(重慶大學(xué))自主研發(fā)的多場耦合煤層氣開采物理模擬實(shí)驗系統(tǒng)[6]。

1.2 傳感器布置

試件箱體內(nèi)部有效模擬尺寸為1050mm×400mm×400mm，如圖1所示。4個抽采鉆孔(圖1黑色線段)，分別編號為1號、2號、3號和4號，抽采鉆孔長度均為30mm，內(nèi)徑為6.4mm，同時在鉆孔周圍布置40個氣體壓力傳感器，編號P1—P40。為便于區(qū)分不同測點(diǎn)和分析面，定義垂直于Z軸且包含傳感器的面稱之為斷面，垂直于Y軸且包含傳感器的面稱之為縱面，垂直于X軸且包含傳感器的面稱之為層面。

圖1 實(shí)驗箱體鉆孔及傳感器布置圖

1.3 實(shí)驗方案

本文共設(shè)計3組物理模擬實(shí)驗，分別為2號和3號鉆孔，2號和4號鉆孔，1號和4號鉆孔同時抽采條件下的瓦斯抽采物理模擬實(shí)驗，對應(yīng)鉆孔間距分別為250mm、504mm和784mm。為便于表述，分別用23鉆孔、24鉆孔、14鉆孔表示。

地應(yīng)力三個方向加載均為4.0MPa，煤層初始?xì)怏w壓力為1.0MPa，考慮安全問題，以二氧化碳代替甲烷進(jìn)行實(shí)驗。具體實(shí)驗步驟為：

1)將煤樣分批次加入試件箱，埋入傳感器，采用三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)在7.5MPa的條件下成型，然后將傳感器連接到電腦，試件箱與氣源連接。

2)對煤樣抽真空，進(jìn)行連續(xù)性充氣，直至充氣吸附48h煤樣吸附飽和。

3)打開出氣口閥門，進(jìn)行瓦斯抽采，并全程監(jiān)測各參數(shù)變化。

2 實(shí)驗結(jié)果及分析

2.1 抽采過程中瓦斯壓力演化規(guī)律

1號和4號鉆孔聯(lián)合抽采條件下第1區(qū)域斷面、縱面部分測點(diǎn)瓦斯壓力隨抽采時間變化曲線如圖2所示。兩個鉆孔同時抽采，前200min瓦斯壓力下降速率快，而后趨于平穩(wěn)。

圖2 第1區(qū)域抽采斷面、縱面瓦斯壓力與抽采時間曲線

由圖2(a)可知，位于鉆孔中心的測點(diǎn)P5瓦斯壓力下降最快，離中心位置80mm的P2測點(diǎn)次之，距離中心位置160mm的P1測點(diǎn)最慢。這是由于在抽采過程中，煤層瓦斯由各個方向向抽采管中心位置運(yùn)移，導(dǎo)致距抽采中心位置越近，瓦斯壓力下降速率越快，下降量越大。由圖2(b)可知，測點(diǎn)P9、P10瓦斯壓力變化曲線近似重合，說明距鉆孔中心距離相等，其瓦斯壓力下降速率、下降量相近。

選取連線過第一斷面鉆孔中心的3組測點(diǎn)，連線方向與Y軸、Z軸平行，繪制各組測點(diǎn)瓦斯壓力與抽采時間曲線，如圖3所示。由圖3(a)可知，測點(diǎn)P4、P6在14鉆孔抽采條件下瓦斯壓力下降速率最快，在23鉆孔抽采條件下次之，在24鉆孔抽采條件下最慢，說明鉆孔間距對瓦斯壓力下降速率有一定影響，且鉆孔間距越小，瓦斯壓力下降速率越快。

圖3 第一斷面沿Y軸、Z軸方向瓦斯壓力與抽采時間曲線

在抽采初期，儲層瓦斯壓力與鉆孔出口壓力的壓差超過滲流啟動壓力，瓦斯受氣體壓力梯度影響，向鉆孔中心移動，兩個鉆孔同時抽采時，運(yùn)移區(qū)域產(chǎn)生疊加效應(yīng)，鉆孔間距越小，疊加效果越強(qiáng)，瓦斯壓力下降速率越快。

隨著抽采繼續(xù)進(jìn)行，鉆孔間距對瓦斯壓力下降速率影響程度減弱，說明鉆孔間距影響主要在抽采前期。對比14鉆孔抽采與23鉆孔抽采瓦斯壓力下降速率可知，與鉆孔中心的距離遠(yuǎn)近對測點(diǎn)瓦斯壓力影響強(qiáng)于鉆孔間距的影響。

2.2 抽采過程中瓦斯運(yùn)移演化規(guī)律

瓦斯在煤層中的流動速度與壓力梯度呈正比[7]，因此可用氣壓梯度表示某一時刻下抽采過程中煤層各點(diǎn)的瓦斯流速相對大小和方向。本文以14鉆孔抽采條件下第四斷面為例，對瓦斯流場進(jìn)行分析，將相應(yīng)的坐標(biāo)位置上傳感器監(jiān)測的氣體壓力數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件的quiver函數(shù)進(jìn)行插值擬合，繪制出不同抽采時刻不同區(qū)域的瓦斯流場圖，如圖4所示。由于抽采20 min后，瓦斯壓力梯度變化不明顯，因此僅選取t=1min和t=10min時刻瓦斯流場圖進(jìn)行對比分析。從圖4可看出：

圖4 鉆孔抽采條件下第四斷面瓦斯壓力場

1)t=1min和t=10min時刻，等壓線以鉆孔為中心呈中間下凹、兩端外擴(kuò)近似橢圓分布，靠近抽采端口一側(cè)，等壓線外擴(kuò)趨勢較小且分布密集，說明鉆孔抽采中心瓦斯壓力下降量大，壓力梯度變化大，即抽采端口一側(cè)瓦斯壓力變化顯著。

2)對比兩張圖等壓線分布和變化趨勢可知，t=1min時刻相鄰等壓線間距由鉆孔中心向外不斷增大且分布密集；t=10min時刻，相鄰等壓線間距趨于相等且有逐漸趨于重合的趨勢。結(jié)合14鉆孔抽采條件下瓦斯壓力演化規(guī)律可知，鉆孔中心瓦斯壓力變化急劇，等壓線密集程度高，而后瓦斯壓力下降速率會趨于平緩，等壓線間距逐漸相等。

3)觀察對比圖4(a)、(b)中箭頭方向和長度可知，箭頭指向鉆孔中心位置且t=1min時刻箭頭長度較長，表明抽采過程中，靠近鉆孔中心位置運(yùn)移流速大。

2.3 抽采過程中消突區(qū)域演化規(guī)律

《煤礦安全規(guī)程》以煤層瓦斯抽采率大于30%為指標(biāo)[9]，確定消除煤與瓦斯突出危險性的有效抽采半徑。在該實(shí)驗中，當(dāng)抽采率達(dá)到30%時，煤層瓦斯壓力降為0.49MPa，以此可確定鉆孔的有效抽采半徑。

由于抽采20min后瓦斯壓力均處于較低水平(小于0.49MPa)，因此，選取抽采t=2min、6min、10min、14min、18min時刻的0.49MPa等值線，繪制出不同鉆孔間距條件下鉆孔中心縱面的有效抽采范圍，如圖5所示。

圖5 不同時刻鉆孔中心縱面有效抽采范圍

從圖5可以看出，0.49MPa等值線以鉆孔為中心大致呈圓形分布。各鉆孔中心等值線分布較對稱，而相鄰鉆孔間抽采區(qū)域等值線彎曲弧度較小，趨于直線，且鉆孔間距越大，其直線趨勢越明顯，說明相鄰鉆孔抽采疊加區(qū)域受鉆孔間距影響，產(chǎn)生疊加效果不同。當(dāng)鉆孔間距較小時，儲層瓦斯分別向鉆孔中心移動，所形成疊加區(qū)域較大，等值線弧度較大，而鉆孔間距較大時，抽采疊加區(qū)域較小，等值線弧度較為平整。

對比三種鉆孔間距條件下的抽采消突區(qū)域可看出，t=18min時刻，23鉆孔抽采條件下的0.49MPa等值線所圍范圍是以鉆孔為中心，半徑為100mm的弧形區(qū)域，24鉆孔抽采消突區(qū)域是半徑為80mm的弧形區(qū)域，14鉆孔抽采消突區(qū)域是半徑為50mm的弧形區(qū)域，即三種鉆孔間距條件下有效抽采半徑分別為100mm、80mm和50mm，23鉆孔抽采條件下有效抽采半徑最大。

以23鉆孔抽采為例，鉆孔間距增加112%(24鉆孔抽采)和213.6%(14鉆孔抽采)時，有效抽采半徑減小20%和50%，可見鉆孔間距布置對有效抽采半徑影響較大。

不同時刻不同鉆孔間距下縱面的有效抽采區(qū)域面積見表1。由表1可知，在相同抽采時間內(nèi)，23鉆孔抽采時有效抽采范圍最大，表明有效抽采范圍隨鉆孔間距增大而減少。依據(jù)表1數(shù)據(jù)對不同間距下有效抽采范圍與抽采時間進(jìn)行擬合，得出23鉆孔呈指數(shù)形增長，24鉆孔呈階數(shù)為2的多項式增長，14鉆孔呈冪函數(shù)增長，表明鉆孔間距不同時，有效抽采范圍增長速率形式不同，其中鉆孔間距較小時，抽采疊加效果強(qiáng)，抽采效果較佳。因此，應(yīng)合理布置鉆孔位置，提高瓦斯抽采效率。

表1 不同時刻不同鉆孔間距下縱面有效抽采范圍面積 mm2

3 結(jié) 論

1)在抽采初期，靠近鉆孔中心位置的測點(diǎn)瓦斯壓力下降速率快，下降量大，且其與鉆孔中心的距離對瓦斯壓力下降速率的影響強(qiáng)于鉆孔間距的影響。

2)在瓦斯抽采過程中，鉆孔中心瓦斯壓力變化急劇，等壓線密集程度高，表明靠近鉆孔中心位置壓力梯度大，瓦斯流速快。

3)相鄰鉆孔會產(chǎn)生抽采疊加效應(yīng)，影響有效抽采范圍，鉆孔間距越近，有效抽采范圍越大，當(dāng)鉆孔間距增加112%和213.6%時，有效抽采半徑減小20%和50%。