低滲煤層高壓注水驅(qū)替瓦斯提高抽采效率的試驗研究

李 妍

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤集團公司辛置煤礦屬于低瓦斯礦井，2#煤層厚度為3.8～4.3m，平均4.1m，屬于中厚煤層。煤層傾角2°～4°，平均3°，屬于近水平煤層。礦井南區(qū)開采的2#煤層瓦斯含量和瓦斯涌出量較大，瓦斯絕對涌出量為42.44m3/min，相對涌出量為8.69m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.0598～0.1456m2/MPa2·d。為保障工作面正常開采，采用順層鉆孔治理本煤層瓦斯。目前，已經(jīng)用順層鉆孔抽采過的工作面有2-106、2-105，整體抽采效果較差。

2-109 工作面位于310水平，開采2#煤層，煤層平均厚度為3.95m。煤層頂板為泥巖和K8細砂巖，底板為泥巖和中砂巖，煤層含兩層夾矸，厚度0.1～0.7m。工作面設計采用綜合機械化采煤法，采用金屬支架支護一次采全高，全部垮落法管理頂板。2#煤層煤質(zhì)主要為肥煤，同時含有少量的焦煤，煤層瓦斯壓力為1.59MPa，瓦斯含量為9.82m3/t，透氣性系數(shù)0.0855m2/MPa2·d，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.3987～0.7965d-1，屬于難抽采煤層。2-109工作面煤層瓦斯含量較高，預計回采期間瓦斯絕對涌出量可達46.89m3/min。由于采用順層鉆孔抽采的2-106和2-105工作面抽采效果很不理想，抽采周期過長，效率較低，因此設計在2-109工作面開展煤層注水促抽瓦斯試驗，測定注水前后瓦斯抽采的相關參數(shù)。

2 煤層注水促抽瓦斯及其影響因素數(shù)值模擬研究

2.1 建立數(shù)值模型

為合理確定現(xiàn)場試驗的相關參數(shù)，采用FLUENT軟件對煤層注水促抽瓦斯效果及其相關因素進行模擬研究，獲取煤層注水合理的工藝技術參數(shù)，為煤層注水促抽瓦斯試驗提供相關的依據(jù)[1-2]。運用Gambit建立尺寸為長×寬=15×6.4m的二維幾何模型，模型上布置三個鉆孔，鉆孔間距為5.0m，鉆孔的直徑為94mm。中間的2#孔，即注水孔和抽采孔，網(wǎng)格通過由線至面的方式進行劃分，在鉆孔附近加密網(wǎng)格得到劃分。建立的煤層注水促抽瓦斯模型如圖1所示。

圖1 煤層注水促抽瓦斯數(shù)值模型

2.2 煤層注水促抽瓦斯效果分析

為研究煤層注水對于瓦斯抽采的影響效果，設置煤層原始壓力為1.6MPa，抽采負壓為6000Pa，煤層滲透性系數(shù)根據(jù)2-109工作面的實際情況取0.146×10-15m2。對煤層正常抽采20d后，將2#孔作為注水孔，1#和3#孔作為瓦斯抽采孔，連續(xù)注水10d，注水壓力為7.5MPa，觀察注水期間煤層內(nèi)瓦斯的運移情況。

圖2 注水促抽瓦斯效果模擬結(jié)果

根據(jù)圖2（a）所示的模擬結(jié)果可知，經(jīng)過20d的瓦斯抽采之后，煤層內(nèi)瓦斯壓力由1.6MPa減小為0.8MPa。在煤層注水前期，煤層壓力最大的區(qū)域為壓力水覆蓋區(qū)域，以注水孔為中心徑向逐漸減小，高壓水未覆蓋區(qū)域的壓力主要為瓦斯壓力。隨著注水時間的增加，高壓水的覆蓋范圍以注水孔為中心，在注水鉆孔徑向方向逐漸增大，高壓水覆蓋的區(qū)域整體的壓力逐漸增大，由于高壓水驅(qū)替作用的影響，在高壓水未覆蓋的區(qū)域煤層瓦斯壓力也由原本的0.8MPa增大至1.3MPa左右，瓦斯抽采的有效壓差明顯的增大，提高瓦斯抽采的效率。

根據(jù)圖2（b）注水后抽采時煤層瓦斯含量分布圖可知，注水后進行抽采時，煤層瓦斯含量分布規(guī)律和注水前基本相同，但是數(shù)值上有明顯的減小。隨著注水抽采時間的增加，壓力水覆蓋的范圍不斷增大，煤層瓦斯的含量明顯減小。注水抽采時間由1d增加至10d時，煤層瓦斯含量由0.98～2.31m3/t減小為0.23～0.68m3/t。在正常抽采20d后，通過煤層注水抽采能夠使煤層內(nèi)瓦斯在較短的時間內(nèi)降至更低的范圍，能夠明顯縮短瓦斯抽采的時間周期。

2.3 煤層注水促抽瓦斯試驗參數(shù)模擬分析

煤層注水促抽瓦斯工藝參數(shù)比較復雜，瓦斯抽采效果的影響因素很多，常見的有注水時間、注水時機、注水壓力等關鍵參數(shù)[3-4]。下面給出注水時機和時間模擬分析的過程。

圖3 煤層注水效果影響因素模擬結(jié)果

對于順層鉆孔抽采瓦斯進行煤層注水促抽，煤層注水的時機非常關鍵。采用上述模型模擬不同抽采時間后開始注水的促抽效果，抽采時間分別為0d、10d、20d、30d，不同注水時機情況下瓦斯抽采孔內(nèi)瓦斯流量的變化如圖3（a）所示。由圖可知，開始煤層注水越早，瓦斯抽采鉆孔內(nèi)瓦斯流量的增幅越大，瓦斯抽采的效果越好。采用順層鉆孔抽采瓦斯前期瓦斯?jié)舛容^高，為充分發(fā)揮注水促抽技術的優(yōu)勢，考慮在抽采一段時間后再介入煤層注水，這樣既可以節(jié)約生產(chǎn)成本，又能明顯提高瓦斯抽采的效率。當抽采時間達到20d后，抽采孔瓦斯流量降至3.42×10-7m3/s，瓦斯抽采的效率已經(jīng)非常低，這時開始煤層注水促抽比較合理。

適當?shù)淖⑺畷r間既要達到理想的促抽瓦斯效果，又要避免壓力水進入瓦斯抽采孔，當抽采20d后，分別模擬注水時間為0d、5d、10d、15d條件下，抽采孔內(nèi)瓦斯流量隨時間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3（b）所示。注水時間在0～10d內(nèi)變化時，抽采孔內(nèi)瓦斯流量不斷增大，超過10d孔內(nèi)瓦斯流量開始減小，注水時間超過13d時，抽采孔內(nèi)瓦斯流量出現(xiàn)劇烈的波動，說明此時注水孔內(nèi)的高壓水已經(jīng)滲入臨近的抽采孔，因此在實際工程中注水時間定為10d比較合理。由于篇幅有限，上述給出了注水時機和注水時間的分析過程，通過相同的方法確定的參數(shù)還有：注水壓力，8MPa；注水方式，間歇注水；鉆孔布置方式，一注一抽；鉆孔間距，5m；鉆孔直徑對于抽采效果影響較小可不單獨考慮。

3 煤層注水促抽瓦斯現(xiàn)場試驗

在2-109工作面運輸順槽，未進行順層鉆孔瓦斯抽采的區(qū)域，距離巷道底板1.5m處施工3個直徑為94mm的順層鉆孔，分別為1#、2#、3#，鉆孔間距為5m，其中2號孔兼做注水孔和瓦斯抽采孔。在鉆孔之間施工4個檢測孔用來測試促抽瓦斯后煤層內(nèi)殘余瓦斯的含量，檢測孔深度為20m。鉆孔的布置詳見圖4。

圖4 現(xiàn)場試驗鉆孔布置示意圖

瓦斯抽采鉆孔施工完畢后立即采用“兩堵一注”的方法進行封孔，封孔長度不小于8m，瓦斯抽采管直徑為75mm。三個鉆孔封孔完成后，即開始抽采瓦斯。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在累計抽采20d后，對2#孔實施高壓注水，注水孔封孔采用抽采管+膨脹膠管封孔方式。注水壓力為8MPa，注水時間為10d，采用間歇式注水，累計注水123m3。注水后繼續(xù)對抽采孔內(nèi)瓦斯純流量進行了25d的監(jiān)測，將注水前后的瓦斯純流量隨時間變化的曲線進行擬合，得到如圖5所示的結(jié)果。

根據(jù)圖5監(jiān)測結(jié)果可知，1#和3#鉆孔瓦斯純流量隨時間變化規(guī)律基本相同。抽采20d后，注水前1#孔瓦斯純流量為0.0021m3/min，3#孔瓦斯純流量為0.0024m3/min。瓦斯純流量變化在注水期間可分為兩個階段：（1）注水前期，抽采孔內(nèi)瓦斯純量由于高壓水的驅(qū)趕作用逐漸增大，1#抽采孔瓦斯純流量最大可達0.0235m3/min，為注水前的11.2倍，3#抽采孔瓦斯純流量最大可達0.0189m3/min，為注水前的7.9倍；（2）注水后期（大約注水5d后），隨著抽采時間的增加，抽采孔內(nèi)瓦斯純流量也開始逐漸降低。整個注水階段1#抽采孔瓦斯純流量平均為0.0132m3/min，為注水前的6.6倍，整個注水階段3#抽采孔瓦斯純流量平均為0.0109m3/min，為注水前的4.6倍。注水結(jié)束后抽采孔內(nèi)瓦斯純流量仍為注水前的2～4倍。綜上可知，采用煤層高壓注水技術對于順層鉆孔瓦斯抽采的效果影響顯著，抽采瓦斯的純流量和濃度明顯提高。

圖5 抽采孔瓦斯純流量隨時間變化規(guī)律

4 結(jié) 語

采用煤層注水驅(qū)替瓦斯技術能夠提高瓦斯抽采的效率，結(jié)合辛置煤礦2#煤層具體的參數(shù)，通過數(shù)值模擬確定高壓注水驅(qū)替瓦斯技術相關參數(shù)：注水時機，抽采20d后；注水時間，10d；注水壓力，8MPa；注水方式，間歇注水；鉆孔布置方式，一注一抽；鉆孔間距，5m；鉆孔直徑對于抽采效果影響較小可不單獨考慮。根據(jù)模擬獲得的技術參數(shù)，在2-109工作面現(xiàn)場進行煤層注水試驗，總結(jié)出了煤層注水驅(qū)替瓦斯提高瓦斯抽采效率的技術方法，注水期間抽采孔內(nèi)瓦斯純流量可提高6～11倍。