基于地質(zhì)強(qiáng)度因子（GSI）測(cè)定瓦斯抽采半徑

范　超，王少雷

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南　焦作　454000）

基于地質(zhì)強(qiáng)度因子（GSI）測(cè)定瓦斯抽采半徑

范超，王少雷

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000）

摘要為了快速測(cè)定瓦斯抽采半徑，引用GSI巖體分類體系評(píng)價(jià)煤體結(jié)構(gòu)。基于理論煤體定量表征方法，推測(cè)GSI與煤層滲透率的關(guān)系，通過(guò)分析GSI與瓦斯運(yùn)移的關(guān)系，推導(dǎo)出有關(guān)GSI和抽采半徑的公式。從而計(jì)算瓦斯抽采半徑。采用該方法對(duì)焦作新河煤礦抽采半徑進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞GSI；瓦斯抽采半徑；線性滲流區(qū)；低速非線性滲流區(qū)

目前，我國(guó)煤礦企業(yè)常使用鉆孔瓦斯抽采技術(shù)對(duì)高瓦斯礦井進(jìn)行消突處理，而鉆孔布置方式和間距的選取，則是依賴于鉆孔抽采半徑的確定。確定瓦斯抽采半徑有直接測(cè)定和間接測(cè)定兩種方法，一般多采用直接測(cè)定法［1］，但這種辦法需要大量的時(shí)間和資料參數(shù)，且僅僅依靠幾個(gè)鉆孔的測(cè)定數(shù)值，不能代表整個(gè)煤層的情況，容易出現(xiàn)誤差。而間接法多是根據(jù)達(dá)西定律和變系數(shù)非線性瓦斯?jié)B流方程質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，或是用模擬軟件進(jìn)行模擬，相對(duì)簡(jiǎn)單。本文在間接法的基礎(chǔ)上，探討煤層瓦斯產(chǎn)出過(guò)程中運(yùn)移規(guī)律，引入煤體結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度的一個(gè)量化指標(biāo)—巖體強(qiáng)度因子，計(jì)算出瓦斯在線性和低速非線性滲流范圍內(nèi)的理論抽采半徑。

1　基于GSI理論的煤體結(jié)構(gòu)定量表征方法

地質(zhì)強(qiáng)度因子（GSI）是判斷巖體強(qiáng)度的一個(gè)量化指標(biāo)，是Hoek－Brown破壞準(zhǔn)則的一個(gè)重要參數(shù)。E．Hoek創(chuàng)立了這種巖體分類體系（GSI），通過(guò)對(duì)巖體的觀測(cè)和其力學(xué)性質(zhì)的研究估算出巖體的強(qiáng)度 。對(duì)于一種巖體的地質(zhì)強(qiáng)度因子（GSI）判斷取決于巖體的裂隙、節(jié)理面質(zhì)量和巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育程度，這二者都與巖體的強(qiáng)度有著密不可分的聯(lián)系。考慮到巖體的表面和地質(zhì)狀況，可以把巖體的GSI賦值定量分析，這也是引用GSI測(cè)定瓦斯抽采半徑的基礎(chǔ)。

煤也是巖石的一種，屬于可燃有機(jī)巖，二者實(shí)質(zhì)相同，也可以用GSI巖體分類體系來(lái)評(píng)價(jià)煤體結(jié)構(gòu)，典型的煤體結(jié)構(gòu)及其特征見(jiàn)圖1［2］?；贕SI理論煤體定量表征方法，對(duì)煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量賦值，綜合考慮煤體結(jié)構(gòu)和裂隙發(fā)育的兩方面，判斷煤體滲透率與煤體結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖1可以根據(jù)所采煤層的煤體結(jié)構(gòu)，定量分析出煤體的GSI值。

2　煤層中瓦斯流態(tài)分析

氣體在多孔介質(zhì)中低速滲流時(shí)出現(xiàn)非達(dá)西流，遵循非線性滲流規(guī)律是對(duì)滲流力學(xué)的重要補(bǔ)充，流態(tài)劃分見(jiàn)圖2［3－4］。對(duì)于流體運(yùn)移規(guī)律定量描述的基礎(chǔ)是對(duì)多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)狀態(tài)的判別，氣體在多孔介質(zhì)中的流態(tài)劃分可以采用滲流理論雷諾數(shù)（Re）與摩擦因數(shù)（f）的對(duì)數(shù)曲線劃分。因此，瓦斯在煤層中流動(dòng)流態(tài)可劃分為：低速非線性滲流（包括擴(kuò)散，Re＜10－4）；線性滲流（10－4≤Re≤10）；高速非線性滲流（Re＞10）。根據(jù)蘇現(xiàn)波、馬耕的理論，可確定抽采半徑范圍，可確定為線性滲流區(qū)和非線性滲流區(qū)［5］。

3　計(jì)算公式

研究表明，瓦斯在煤儲(chǔ)層中運(yùn)移符合傳統(tǒng)的達(dá)西線性滲流定律：

式中：

圖1　GSI巖體分類系統(tǒng)

圖2　流態(tài)劃分圖

v—滲流速度，m／s；

k—滲透率；

△p—壓差，MPa；

μ—流體粘度，Pa·s；

L—運(yùn)移距離，m。

在多孔介質(zhì)中，單根毛管滲流定律為：

式中：

ρ—流體密度，kg／m3；

v—滲流速度，m／s；

k—滲透率；

μ—?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s；

φ—孔隙度。

對(duì)于煤體而言，煤體的結(jié)構(gòu)一定程度上決定了煤體的滲透性，可以考慮用地質(zhì)強(qiáng)度因子（GSI）反映出煤體的滲透率和運(yùn)移規(guī)律。根據(jù)滲透率與GSI的擬合關(guān)系可知［2］：

由式（1）、（2）和（3）得到GSI與Re的關(guān)系表達(dá)式：

式中：

GSIc—常數(shù)，52．7；

ρ—流體密度，kg／m3；

△p—瓦斯壓力，MPa；

Re—雷諾數(shù)，無(wú)量綱；

μ—?jiǎng)恿︷ざ龋琍a·s；

φ—孔隙度，無(wú)量綱；

L—運(yùn)移距離，m。

由式（4）可以看出，瓦斯壓力和地質(zhì)強(qiáng)度因子（GSI）也是決定瓦斯運(yùn)移距離的因素，參數(shù)變化對(duì)流態(tài)分界點(diǎn)的影響見(jiàn)圖3。

圖3　GSI與瓦斯運(yùn)移流態(tài)分布關(guān)系圖

由以上分析可知，瓦斯抽采半徑的最佳范圍是線性滲流區(qū)和非線性滲流區(qū)，可取擴(kuò)散與低速非線性滲流（λ≠0）的雷諾數(shù)分界點(diǎn)Re＝1E－08，代入式（4）便可得出瓦斯抽采半徑。

4　工程試驗(yàn)

焦煤新河礦主采煤層為山西組二1煤，煤層瓦斯含量高、壓力大，瓦斯治理難度大。煤層瓦斯含量13．91～42 m3／t，瓦斯壓力0．72～3．05 MPa，煤層透氣性系數(shù)0．11～5．64 m2／MPa2·d。由于區(qū)域內(nèi)不具備保護(hù)層開(kāi)采條件，瓦斯治理技術(shù)措施以井下預(yù)抽煤層瓦斯為主。

抽取新河礦39101工作面的煤樣，在井下盡量采取不受采動(dòng)影響且結(jié)構(gòu)不受外力破壞的煤塊，煤級(jí)為無(wú)煙煤，對(duì)煤樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出煤體的揮發(fā)分6．55%、灰分5．43%，水分1．11%。采取的部分煤樣見(jiàn)圖4。

對(duì)所取的原始煤樣進(jìn)行加工制造，制作出10個(gè)d45 mm×90 mm的煤芯，然后與標(biāo)準(zhǔn)的GSI圖進(jìn)行對(duì)比，得出煤體結(jié)構(gòu)的GSI值。經(jīng)過(guò)對(duì)比，得出每個(gè)煤芯的GSI值見(jiàn)表1。

根據(jù)表1得出，新河礦39101工作面煤體GSI的平均值為34，根據(jù)資料得出相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖4　部分原始煤樣

表1　煤樣與相應(yīng)GSI值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

表2　參數(shù)取值表

由式（4）可得，該礦的瓦斯抽采半徑為2．7 m，與實(shí)測(cè)瓦斯抽采半徑2～3 m相吻合。

5　結(jié)　論

可以在短時(shí)間內(nèi)測(cè)出瓦斯抽采半徑，根據(jù)瓦斯在煤體中的運(yùn)移規(guī)律并結(jié)合自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)，運(yùn)用地質(zhì)強(qiáng)度因子的方法抽采半徑。

在新河礦39101工作面底板巷應(yīng)用此方法得出的抽采半徑與實(shí)際情況中抽采半徑相差不大，表明具有一定的可行性。

基于地質(zhì)強(qiáng)度因子測(cè)定有效抽采半徑的方法，為煤礦鉆孔布置和工期安排提供了依據(jù)；為煤層消突，確保安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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［4］Vinsot，A．；Appelo，C．A．J．；Cailteau，C．CO2 data on gas and pore water sampled in situ in the Opalinus Clay at the Mont Terri rock laboratory［J］．Physics and Chemistry of the Earth，2008，33（1）：54－60．

［5］馬耕，蘇現(xiàn)波，魏慶喜．基于瓦斯流態(tài)的抽采半徑確定方法［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（4）：501－504．

中圖分類號(hào)：TD712＋．6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672－0652（2014）01－0036－03

收稿日期：2013－11－21

作者簡(jiǎn)介：范超（1988—），男，河南澠池人，2012級(jí)河南理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事煤及煤層氣地質(zhì)勘探的研究（E－mail）fanchaon＠sina．com

Measure the Gas Drainage Radius Based on Geological Intensity Factor

Fan chao，Wang Shao－lei

AbstractFor rapidly measuring the gas drainage radius，reference GSI rock mass classification system to evaluate the coal structure．Based on the theory of quantitative characterization method of coal to speculate the relationship of coal seam permeability and GSI．By analyzing the relationship of GSI and gas migration，deduced the GSI and drainage radius formula and calculated the gas drainage radius．Find that the calculated results are consistent with the field measurement．

Key wordsGSI；Gas drainage radius；Linear vadose zone；Low nonlinearity vadose zone