鉆孔瓦斯流量法確定煤層滲透率和瓦斯壓力的試驗研究

鉆孔瓦斯流量法確定煤層滲透率和瓦斯壓力的試驗研究

徐剛，李樹剛，劉超

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

[摘要]針對煤礦生產實踐中存在測定煤層滲透率和瓦斯壓力難度大、準確率低的問題，依據(jù)煤層瓦斯徑向流動原理，構建了用于確定煤層滲透率和瓦斯壓力的理論和方法，并在五陽煤礦進行了不同鉆孔直徑和不同流量監(jiān)測時間段的實測對比。結果表明：鉆孔直徑對煤層滲透率和瓦斯壓力的計算值影響較??；瓦斯流量監(jiān)測時間段對煤層滲透率和瓦斯壓力的計算值影響較為顯著，進行q-1-lnt圖線性回歸分析，為減少誤差應選用鉆孔施工5d后的流量數(shù)據(jù)；計算值與實測值相比誤差較小，能夠滿足礦井瓦斯災害預測和防治中對瓦斯基礎參數(shù)的測定要求。

[關鍵詞]鉆孔瓦斯流量；煤層滲透率；瓦斯壓力；徑向流量法

[中圖分類號]TD712.5[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-01-21

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.027

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(51174157)；陜西省教育廳科研計劃項目資助(2013JK0863)；中國博士后科學基金資助項目(2013M542365)；西安科技大學博士啟動基金資助項目(2012QDJ021)

[作者簡介]徐剛(1981-)，男，河南南陽人，博士研究生，副教授，主要從事煤礦瓦斯災害防治方面的教學和研究工作。

Test of Coal-seam Permeability and Methane Pressure by Bore-hole Methane Flow Method

XU Gang, LI Shu-gang, LIU Chao

(Energy School, Xi'an University of Science & Technology, Xi'an 710054, China)

Abstract:It is difficult that measuring coal-seam permeability and methane pressure and measurement accuracy is low.This paper constructed theory and method of determining coal-seam permeability and methane pressure on the basis of methane racial flow principle.On-the-spot measurement with different bore-hole diameters and different flow was finished in Wuyang Colliery.Results showed that the influence of bore-hole diameter on calculation value of coal-seam permeability and methane pressure was small, but that of methane flow monitoring time was obvious.Flow data after 5 days of bore-hole construction should be selected for linear regression analysis to reduce error.Relative error of calculation value and measurement value was small, which showed that this method could meet the requirement of basic methane parameter in methane prediction and prevention.

Keywords:bore-hole methane flow; coal-seam permeability; methane pressure; radial flow method

[引用格式]徐剛，李樹剛，劉超，等.鉆孔瓦斯流量法確定煤層滲透率和瓦斯壓力的試驗研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：92-94，104.

瓦斯壓力和煤層滲透率是煤礦瓦斯抽采和瓦斯災害預測與防治的重要基礎參數(shù)，它們的準確快速測定一直是煤礦安全工作者關心的問題[1-2]。瓦斯壓力和煤層滲透率的測定方法可分為直接測定法和間接測定法，在煤礦生產實踐中，這兩種參數(shù)主要采取直接法進行測定。對瓦斯壓力而言，直接法存在著測定工藝復雜、測定周期長、成功率低和場地限制等問題；對煤層滲透率而言，直接法首先要準確地測定出瓦斯壓力，其次是現(xiàn)有的計算方法還存在著無法找到合適計算公式或存在兩個互相矛盾的計算結果等問題；而間接測定方法中的瓦斯壓力梯度推算法、煤層瓦斯含量推算法、煤屑解吸指標測算法和煤屑瓦斯解吸量測算法存在著適用性差、誤差大等缺點，不能滿足煤礦開采實踐對參數(shù)測定的精度要求。因此，依據(jù)煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流動理論，構建了基于鉆孔瓦斯流量的確定煤層瓦斯壓力和滲透率的理論和方法，以期為煤層瓦斯基礎參數(shù)的測試提供一定的指導。

1煤層瓦斯徑向流動模型

鉆孔垂直貫穿煤層時，瓦斯在壓力作用下向鉆孔流動的這種狀態(tài)稱之為徑向流動[7-8]，煤層瓦斯徑向流動模型見圖1。

圖1　瓦斯徑向流動模型

1.1　基本假設

為了建立徑向瓦斯流動模型，作出以下基本假設：瓦斯為理想氣體，瓦斯的流動服從達西定律，瓦斯在煤層中的流動為等溫過程；煤層為均質不可壓縮介質，并忽略重力的影響；煤層滲透率、孔隙率和瓦斯流體的粘度與瓦斯壓力無關；忽略鉆孔表皮效應對瓦斯?jié)B流的影響。

1.2　煤層瓦斯徑向流動數(shù)學模型

瓦斯在煤層中的流動服從達西定律，則運動方程為：

(1)

式中，v為瓦斯的滲流速度，m/s；k為煤層的滲透率，m2；μ為瓦斯氣體動力粘度，Pa·s；為哈密頓算子。

煤層中游離狀態(tài)瓦斯服從理想氣體狀態(tài)方程，即

p=ρRT

(2)

式中，p為瓦斯氣體壓力，Pa；R為瓦斯氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T為瓦斯(煤層)絕對溫度，K；ρ為游離狀態(tài)瓦斯的密度，kg/m3。

瓦斯在煤層中流動的連續(xù)性方程為：

(3)

式中，φ為煤層的孔隙度。

聯(lián)立式(1)、式(2)和式(3)并考慮等溫過程可得：

(4)

根據(jù)基本假設，煤層滲透率、孔隙率和瓦斯流體的粘度與瓦斯壓力無關，并且由于p·p=1/2p2，因此，式(4)又可寫為

(5)

將式(5)寫成徑向圓柱坐標形式可得

(6)

式(6)即為平面瓦斯徑向流動數(shù)學模型。

2煤層滲透率和瓦斯壓力的確定方法

為了簡化計算，將瓦斯徑向流動數(shù)學模型轉化成無因次形式。無因次表達形式具有的優(yōu)點：變量數(shù)目大為減少；可轉化為標準的熱傳導方程形式，將熱傳導方程的解直接應用于瓦斯徑向流動數(shù)學方程。

為此引入壓力函數(shù)P，將P定義為

P=p2

(7)

將式(7)代入式(6)可得徑向圓柱坐標形式的平面徑向瓦斯?jié)B流方程

(8)

將式(8)寫成無因次形式為：

(9)

邊界條件：ΔpD|rD→∞ =0；p|rD=1 =pw；初始條件：ΔpD|tD=0 =0。

式(9)在形式上和標準的熱傳導方程是等價的，而標準的熱傳導方程在不同條件下的解是已知的，因而可直接應用于該徑向瓦斯流動方程。因次，可得鉆孔的瓦斯流量為：

(10)

令kp=k(p0+pw)并代入式(10)可得：

(11)

(12)

(13)

根據(jù)式(11)、式(12)和式(13)確定煤層滲透率和瓦斯壓力的方法如下：將實測的鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)繪成q-1-lnt圖，用其中的直線段回歸分析求得M和N，然后將M和N代入式(13)求得kp，將求得的kp和N代入式(12)求得p0，即可得到煤層滲透率及瓦斯壓力值。

3工程試驗

工程試驗的地點選在潞安集團五陽煤礦3號煤層。該煤層賦存穩(wěn)定，煤層平均厚度為6.2m，煤層傾角1～5°?？紤]到煤層溫度和井下環(huán)境溫度基本一致，因此溫度不再考慮，試驗地點的基本參數(shù)如下：ps=0.1MPa，μ=1.08×10-5Pa·s，pw=0.1MPa，φ=0.03。為了提高測定的可靠程度，共施工鉆孔12個，其中1～4號鉆孔的直徑為42mm，5～8號鉆孔的直徑為75mm，9～12號鉆孔的直徑為100mm，鉆孔間距為5m，鉆孔盡量垂直于煤層并且全部貫穿煤層。鉆孔施工后開始記錄瓦斯流量，每12h記錄1次數(shù)據(jù)，記錄時間為20d。

下面以1號鉆孔為例進行煤層滲透率和瓦斯壓力計算，鉆孔瓦斯流量測定結果見圖2。首先將實測的鉆孔瓦斯涌出數(shù)據(jù)繪成圖(圖3)，利用其中一段近似直線的數(shù)據(jù)進行回歸分析可得到：q-1=6742.1+2056.3lnt，其回歸系數(shù)R=0.9542，這表明上式有顯著的線性關系。然后由式(13)可得

到kp=1.693×10-11，再代入式(12)中求得p0=0.907MPa，同時求出k=1.68×10-17m2。

圖2　鉆孔瓦斯流量隨時間變化曲線

圖3　瓦斯流量數(shù)據(jù)

為了考察瓦斯流量監(jiān)測時間和鉆孔半徑對測定煤層滲透率及瓦斯壓力的影響，對9～12號鉆孔采用分時間段進行瓦斯流量統(tǒng)計計算，即9號孔統(tǒng)計1～5d的瓦斯流量，10號孔統(tǒng)計6～10d的瓦斯流量，11號孔統(tǒng)計11～15d的瓦斯流量，12號孔統(tǒng)計16～20d的瓦斯流量。將各個鉆孔的統(tǒng)計數(shù)據(jù)都采用1號孔的計算方法進行計算，計算結果見表1。

表1　煤層滲透率及瓦斯壓力計算結果

圖4為煤層滲透率及瓦斯壓力隨時間段的變化規(guī)律。由圖4可知：隨著測量時間段的增加，滲透率及瓦斯壓力有降低的趨勢，在第1個時間段內測定值與實測值相比誤差較大，第2，3和第4個時間段測定值與實測值相比誤差較小。這說明不同時間段的瓦斯流量數(shù)據(jù)對測定結果影響較大，計算時應選用施工5d后的數(shù)據(jù)以便減少誤差，而且監(jiān)測的瓦斯流量數(shù)據(jù)越多，測定結果的準確度越高。

圖4　瓦斯壓力和滲透率隨時間段變化曲線

隨著鉆孔直徑的增加，煤層滲透率和瓦斯壓力測定值與實測值相比變化不大，這說明鉆孔直徑對煤層滲透率和瓦斯壓力測定值影響較?。?號鉆孔由于瓦斯流量監(jiān)測數(shù)據(jù)只有5d之內的，測定結果與實測值相比誤差較大。

基于上述分析可看出：測定值對瓦斯流量數(shù)據(jù)監(jiān)測時間段比較敏感，此外線性回歸參數(shù)M和N的準確程度直接決定了測定結果可靠性，因此鉆孔瓦斯流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)非常重要，在條件允許的情況下應盡可能收集更多數(shù)據(jù)以提高計算的準確度。

盡管測定值與實測值之間存在著一定的誤差，但是測定值能夠反映煤層的瓦斯賦存情況，能夠滿足礦井瓦斯災害預測和防治中對瓦斯基礎參數(shù)的測定要求，為礦井瓦斯基礎參數(shù)的測定提供了一條新的途徑。

4結論

(1)根據(jù)煤層瓦斯徑向流動原理，采用無因次分析的方法，構建了確定煤層滲透率和瓦斯壓力

的分析模型。

(2)采用該方法進行了不同鉆孔直徑和不同流量監(jiān)測時間段的煤層滲透率和瓦斯壓力參數(shù)值的測定，并與實測值進行了對比。結果表明鉆孔直徑對煤層滲透率和瓦斯壓力的計算值影響較小；瓦斯流量監(jiān)測時間段對煤層滲透率和瓦斯壓力的計算值影響較為顯著，進行線性回歸分析應選用鉆孔施工5d后的流量數(shù)據(jù)以便減少誤差。

(3)計算值與實測值相比誤差較小，能夠滿足礦井瓦斯災害預測和防治中對瓦斯基礎參數(shù)的測定要求，為煤層滲透率和瓦斯壓力的測定提供了一條新的途徑。

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[責任編輯：施紅霞]

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