復(fù)合作用下煤層瓦斯抽采時(shí)空演化及衰減特性研究

丁 紅

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.國(guó)家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶 400037)

目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用順煤層鉆孔預(yù)抽作為煤礦瓦斯災(zāi)害防治的區(qū)域性措施[1，2]。但是順煤層鉆孔預(yù)抽時(shí)間過(guò)短無(wú)法有效保障工作面安全生產(chǎn)，預(yù)抽時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則導(dǎo)致礦井“采-掘-抽”失調(diào)[3]。預(yù)抽時(shí)間的科學(xué)合理確定與順煤層鉆孔瓦斯抽采效果息息相關(guān)，而鉆孔瓦斯抽采效果受到煤體自身應(yīng)力分布、瓦斯賦存特性及負(fù)壓抽采條件的影響[4，5]，因此亟需開展復(fù)合作用下順煤層鉆孔瓦斯抽采效果的主控因素研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆孔瓦斯抽采進(jìn)行了理論分析，丁厚成等[6]提出了順層鉆孔瓦斯流動(dòng)公式，并計(jì)算得出鉆孔瓦斯流量與抽采時(shí)間的關(guān)系；許江等[7]分析了抽采過(guò)程中煤層瓦斯運(yùn)移相對(duì)速度和方向特征；袁梅等[8]開展了不同抽采條件煤體瓦斯流量物理模擬試驗(yàn)；魏國(guó)營(yíng)等[9]基于瓦斯鉆孔衰減負(fù)指數(shù)規(guī)律建立鉆孔瓦斯抽采模型。以上學(xué)者的理論研究成果具有一定指導(dǎo)意義，但是不完全符合現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采實(shí)際，因此許多學(xué)者開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，陳少榮[10]探討了鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)合理測(cè)定期，岑培山等[11]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了鉆孔瓦斯流量并繪制衰減曲線，運(yùn)用煤層瓦斯流動(dòng)理論分析了鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律；呂有廠等[12]研究了鉆孔傾角對(duì)瓦斯抽采流量演化規(guī)律的影響；余陶[13]提出采用瓦斯抽采流量法確定本煤層鉆孔有效影響半徑；孫玉峰等[14]基于瓦斯流量法確定了瓦斯抽采半徑。以上學(xué)者開展的研究基本上集中于鉆孔瓦斯流量與抽采時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于復(fù)合作用下影響因素與鉆孔瓦斯流量變化規(guī)律研究甚少。為了科學(xué)合理的確定平慶煤礦117802回采工作面順煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽時(shí)間，在分析順煤層鉆孔瓦斯流動(dòng)特性的基礎(chǔ)上確定順煤層鉆孔瓦斯抽采影響因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的鉆孔抽采參數(shù)，獲得復(fù)合作用下煤層瓦斯抽采單孔瓦斯?jié)舛群蛥R流管瓦斯流量時(shí)空演化及衰減特性，為順煤層鉆孔瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)提供參考和借鑒。

1 鉆孔瓦斯流動(dòng)特性及影響因素

1.1 順煤層鉆孔瓦斯流動(dòng)特性

煤體是一種氣固耦合介質(zhì)，煤體中瓦斯以吸附或游離狀態(tài)賦存，處于“吸附-解吸”的動(dòng)態(tài)平衡。順煤層鉆孔施工后在煤層中產(chǎn)生擾動(dòng)，在孔壁周圍煤體一定范圍內(nèi)形成卸壓區(qū)域，改變煤體應(yīng)力平衡和瓦斯“吸附-解吸”動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，形成一定的壓力梯度，卸壓區(qū)域內(nèi)處于正壓狀態(tài)下的游離瓦斯通過(guò)煤體裂隙流向鉆孔空間，煤體吸附瓦斯逐步解吸以期補(bǔ)充流失的游離瓦斯，屬于鉆孔瓦斯自然排放階段。鉆孔瓦斯抽采階段，在負(fù)壓牽引下吸附瓦斯加速向游離狀態(tài)轉(zhuǎn)換，引起煤體基質(zhì)收縮，瓦斯壓力梯度減小，導(dǎo)致鉆孔孔壁周圍煤體補(bǔ)償范圍擴(kuò)大，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，直到負(fù)壓牽引作用不能夠克服瓦斯?jié)B流阻力為止[15]。

順煤層鉆孔孔壁周圍煤體的瓦斯流動(dòng)方向基本屬于徑向流動(dòng)，在煤層頂?shù)装宸秶鷥?nèi)其等瓦斯壓力線平行鉆孔孔壁呈近似同心圓形，當(dāng)瓦斯壓力線在煤層頂?shù)装宀荒苎由旌螅溲刂簩幼呦蚶^續(xù)擴(kuò)展，如圖1所示。

圖1 鉆孔瓦斯流動(dòng)

1.2 瓦斯抽采影響因素分析

順煤層鉆孔在瓦斯抽采過(guò)程中主要受到煤體有效應(yīng)力以及煤層透氣性系數(shù)的影響。

煤體滲透率符合達(dá)西定律[16]：

式中，K為煤體滲透率，10-3μm2；μ為瓦斯粘度，Pa·s；q為隨抽采時(shí)間變化的瓦斯流量，m3/min；r為抽采影響半徑，m；A為孔壁暴露面積，m2；p1為瓦斯壓力；MPa；p2為抽采負(fù)壓，kPa；p3為孔口壓力(即大氣壓)，MPa。

煤體滲透率與其承受壓力存在如下關(guān)系[17]：

K=K0e-bσ

(2)

式中，K0為未承壓煤樣滲透率，10-3μm2；b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(由試驗(yàn)確定)，MPa-1；σ為煤樣承受的壓力(即煤體有效應(yīng)力)，可以看成煤體所受地應(yīng)力減去孔隙壓力，MPa。

聯(lián)合式(1)和式(2)，可以得到：

式中，K0、p3、μ不變，假定p2、b基本穩(wěn)定，隨著抽采時(shí)間的增加，孔壁暴露面積減小，瓦斯壓力下降，瓦斯流動(dòng)動(dòng)力大小(有效應(yīng)力)減小，抽采影響半徑增大，瓦斯流量逐漸減小，但是瓦斯流量在各個(gè)階段衰減的幅度存在差異。

同時(shí)滲透率與透氣性系數(shù)存在如下關(guān)系[18]：

式中，λ為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；pn為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.1013MPa。

聯(lián)合式(1)和式(4)，可以得到：

其中，pn、p3不變，假定p2基本不變，隨著抽采時(shí)間的增加，孔壁暴露面積減小，瓦斯壓力下降，煤層透氣性系數(shù)增大，抽采影響半徑增大，由于煤層透氣性系數(shù)增大的速率不同，瓦斯流量可能會(huì)呈現(xiàn)不穩(wěn)定增大減小。

2 鉆孔抽采參數(shù)測(cè)試

2.1 回采工作面鉆孔布置情況

云南省平慶煤礦117802回采工作面走向長(zhǎng)760m，傾斜長(zhǎng)200m，開采范圍內(nèi)C7+8煤層傾角4°～8°，煤厚平均3.50m，瓦斯壓力0.74MPa(埋深322m)，瓦斯含量11.87m3/t，煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.35～0.41。117802回采工作面開采范圍內(nèi)C7+8煤層雖然整體上賦存比較穩(wěn)定，但是局部區(qū)域受到斷層等構(gòu)造影響。同時(shí)，117802回采工作面開采范圍內(nèi)上覆C3煤層已經(jīng)全部開采，形成大范圍采空區(qū)，但是仍然遺留部分煤柱區(qū)。因此在117802機(jī)巷施工j1—j178上向順層鉆孔，在117802回風(fēng)巷施工w1—w61(外側(cè))、n1—n146(內(nèi)側(cè))和q16—q21-1(切眼)下向順層鉆孔預(yù)抽117802回采工作面瓦斯。

2.2 復(fù)合作用區(qū)域劃分

117802回采工作面開采范圍內(nèi)受到C3煤層保護(hù)層煤柱區(qū)、C3煤層保護(hù)層采空區(qū)和C7+8煤層斷層帶的影響，產(chǎn)生集中應(yīng)力、采動(dòng)卸壓或構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)合作用，因此可以將117802回采工作面順層鉆孔控制范圍劃分為5個(gè)復(fù)合作用區(qū)域[19]，復(fù)合作用區(qū)域劃分如圖2所示。

圖2 復(fù)合作用區(qū)域劃分示意圖

2.3 鉆孔封孔及接抽工藝

順煤層鉆孔采用水泥漿封孔工藝，水灰比1∶2，采用聚氨酯固定封孔管，封孔管直徑Φ40mm，封孔深度不小于8m，待水泥漿凝固后，用Φ50mm鋼絲軟管將順煤層鉆孔封孔管與Φ108mm集氣管相連接，經(jīng)過(guò)Φ108mm測(cè)流管與Φ315mm支管相連接。單個(gè)鉆孔采用負(fù)壓表(或皮托管)及CJG100光學(xué)瓦斯檢測(cè)儀定期測(cè)定抽采負(fù)壓、濃度。

順煤層鉆孔在抽采過(guò)程中，由于應(yīng)力疊加使得煤層透氣性改變導(dǎo)致鉆孔相互影響，連續(xù)鉆孔累計(jì)抽采量并不是簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)疊加單個(gè)鉆孔抽采量。因此將若干個(gè)連續(xù)鉆孔組成匯流管，采用WGCB瓦斯抽放管道氣體參數(shù)測(cè)定儀(配合負(fù)壓表、皮托管及CJG100光學(xué)瓦斯檢測(cè)儀)，定期測(cè)定抽采負(fù)壓、壓差、濃度、管道溫度及大氣壓力，計(jì)算得到測(cè)流管瓦斯抽采純量，支管連接方式如圖3所示。

圖3 支管連接方式

3 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)單孔測(cè)流數(shù)據(jù)，孔口負(fù)壓為13～24kPa，不同影響區(qū)域單孔瓦斯抽采濃度如圖4所示。

3.1 單孔瓦斯?jié)舛葏^(qū)域差異特性分析

由圖4可知，單孔瓦斯抽采濃度在復(fù)合作用劃分區(qū)域內(nèi)存在明顯的區(qū)域差異特性：

圖4 瓦斯?jié)舛茸兓€

1)采空區(qū)卸壓區(qū)單孔初始抽采濃度達(dá)到30%～60%，大部分鉆孔經(jīng)過(guò)90d抽采后仍然維持在30%以上。該區(qū)域只受到采空區(qū)的卸壓作用，使煤層應(yīng)力狀態(tài)和瓦斯動(dòng)力狀態(tài)發(fā)生改變，釋放煤層的彈性潛能，增大煤層的透氣性，有利于瓦斯“解吸-滲流”。

2)寬煤柱集中應(yīng)力區(qū)初始抽采濃度達(dá)到20%～70%，部分鉆孔經(jīng)過(guò)60d抽采后仍然維持在30%以上。該區(qū)域只受到上保護(hù)層遺留煤柱(>50m)影響，煤柱底板應(yīng)力呈現(xiàn)“倒鐵塔”式分布狀態(tài)，煤層受到的集中應(yīng)力較小，基本上處于原始應(yīng)力階段。

3)窄煤柱集中應(yīng)力區(qū)單孔初始抽采濃度僅10%～30%。該區(qū)域上保護(hù)層遺留煤柱寬度小于50m，煤柱底板應(yīng)力呈現(xiàn)“鐘”形分布狀態(tài)，距煤柱中心越近應(yīng)力越大，煤體變形收縮，瓦斯運(yùn)移受阻。

4)“采空區(qū)-斷層帶”共同卸壓區(qū)單孔初始抽采濃度僅5%～20%，該區(qū)域受到長(zhǎng)期處于張應(yīng)力場(chǎng)的開放性斷層作用，斷層帶有利于瓦斯提前排放，大大減少鉆孔見煤長(zhǎng)度，降低瓦斯抽采效果。

5)“采空區(qū)-煤柱區(qū)-斷層帶”共同影響區(qū)單孔初始抽采濃度僅5%～30%，該區(qū)域遺留煤柱在斷層帶發(fā)育的煤層中形成集中應(yīng)力，使得本就相互錯(cuò)動(dòng)的煤層更加破碎，瓦斯提前得到大范圍的釋放。

3.2 單孔瓦斯?jié)舛入A段演化規(guī)律分析

不同復(fù)合作用劃分區(qū)域內(nèi)單孔瓦斯?jié)舛染尸F(xiàn)相似的階段演化規(guī)律：

1)不穩(wěn)定升降階段(抽采時(shí)間小于30d)，單孔瓦斯抽采濃度隨抽采時(shí)間呈現(xiàn)不穩(wěn)定升高降低，大部分鉆孔瓦斯抽采濃度由初始濃度小幅下降約20%～30%。鉆孔完孔后孔壁周圍煤體受到動(dòng)力擾動(dòng)形成破壞卸壓圈，在此區(qū)域內(nèi)煤體自身原巖應(yīng)力充分卸壓，大量吸附瓦斯解吸導(dǎo)致瓦斯壓力降低，破壞卸壓圈內(nèi)煤體裂隙相互之間的擴(kuò)展通道時(shí)而連通時(shí)而閉合，此時(shí)孔壁暴露面積基本不變，煤層透氣性決定了煤層瓦斯流動(dòng)阻力，造成瓦斯?jié)舛炔环€(wěn)定升高降低。

2)大幅度衰減階段(抽采時(shí)間30—90d)，單孔瓦斯抽采濃度呈快速衰減特征，大部分鉆孔瓦斯抽采濃度由第1階段大幅下降約40%～60%。隨著抽采時(shí)間延長(zhǎng)，瓦斯流動(dòng)動(dòng)力(有效應(yīng)力)減小，瓦斯壓力大幅下降，由于煤質(zhì)松軟孔壁暴露面積減小，制約了深部煤體瓦斯向鉆孔的流動(dòng)空間，使得抽采區(qū)域瓦斯來(lái)源大幅度降低，鉆孔瓦斯?jié)舛燃眲∠陆?。同時(shí)在高負(fù)壓持續(xù)作用下，鉆孔內(nèi)部空間與巷道煤壁裂隙通道逐步連通，鉆孔吸入空氣逐漸增多，進(jìn)一步降低鉆孔瓦斯?jié)舛取?/p>

3)趨于穩(wěn)定階段(抽采時(shí)間大于90d)，單孔瓦斯抽采濃度變化幅度很小，大部分鉆孔瓦斯抽采濃度由第2階段小幅下降約10%～20%。經(jīng)過(guò)高負(fù)壓抽采90d后，鉆孔瓦斯抽采量逐步達(dá)到極限，孔壁周圍煤體結(jié)構(gòu)在有效應(yīng)力和抽采負(fù)壓的綜合作用下，破壞卸壓圈重新分布處于應(yīng)力平衡，此時(shí)游離瓦斯的滲透運(yùn)動(dòng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 瓦斯流量測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)匯流管測(cè)流數(shù)據(jù)，測(cè)流口負(fù)壓為15～26kPa，不同抽采時(shí)間匯流管瓦斯流量如圖5所示。

由圖5可知，根據(jù)不同抽采時(shí)間對(duì)應(yīng)的瓦斯流量，通過(guò)回歸分析采用負(fù)指數(shù)函數(shù)擬合得到瓦斯流量衰減曲線，描述瓦斯流量衰減規(guī)律：

q=q0×e-αt

(6)

式中，q0為初始瓦斯流量，m3/min；α為鉆孔流量衰減系數(shù)，d-1。

圖5 匯流管瓦斯流量變化曲線

根據(jù)負(fù)指數(shù)函數(shù)擬合得到不同抽采時(shí)間對(duì)應(yīng)的初始流量和衰減系數(shù)如圖6所示。在抽采負(fù)壓相對(duì)穩(wěn)定的條件下，采用初始瓦斯流量和衰減系數(shù)表征鉆孔瓦斯抽采效果。初始瓦斯流量越大，衰減系數(shù)越小，則鉆孔瓦斯抽采效果就越好；反之，則鉆孔瓦斯抽采效果就越差[20]。

圖6 初始流量及衰減系數(shù)變化曲線

從圖6可以看出：①預(yù)抽時(shí)間在小于60d時(shí)初始流量和衰減系數(shù)不穩(wěn)定變化，預(yù)抽時(shí)間60—120d這一階段瓦斯抽采效果最優(yōu)，說(shuō)明隨著抽采時(shí)間的增加，由于煤層透氣性系數(shù)增大的速率不同，瓦斯流量可能會(huì)呈現(xiàn)不穩(wěn)定增大減小，在此階段煤層透氣性系數(shù)是瓦斯流量變化的主控因素；②當(dāng)預(yù)抽時(shí)間大于120d后，初始流量和衰減系數(shù)明顯減小并趨于穩(wěn)定，在此階段瓦斯抽采效果均不理想，說(shuō)明隨著抽采時(shí)間的增加，孔壁暴露面積減小，瓦斯壓力下降，瓦斯流動(dòng)動(dòng)力大小(有效應(yīng)力)減小，抽采影響半徑增大，瓦斯流量逐漸減小并趨于穩(wěn)定，在此階段煤層有效應(yīng)力是瓦斯流量變化的主控因素。

5 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)討論

鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)根據(jù)排放和抽放過(guò)程應(yīng)該區(qū)分為自然衰減系數(shù)和抽采衰減系數(shù)。鉆孔瓦斯流量自然衰減系數(shù)是表示鉆孔在排放過(guò)程中瓦斯流量隨時(shí)間延長(zhǎng)而呈負(fù)指數(shù)衰減的大小，衰減系數(shù)大則抽放困難，衰減系數(shù)小則抽放容易。根據(jù)《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》(AQ 1027—2006)中自然衰減系數(shù)確定的煤層抽放難易類別及相應(yīng)的取值范圍見表1。

表1 煤層抽放難易類別

根據(jù)117802回采工作面C7+8順煤層鉆孔瓦斯流量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算得到自然衰減系數(shù)為0.3909d-1，按照表2劃分為較難抽放類別。根據(jù)圖5順煤層鉆孔匯流管瓦斯抽采流量擬合結(jié)果，抽采衰減系數(shù)為0.00181～0.03777d-1，如果按照表1可以劃分為可以抽放類別。采用自然衰減系數(shù)和抽采衰減系數(shù)對(duì)煤層抽放難易類別進(jìn)行劃分的結(jié)果不統(tǒng)一。

而煤層透氣性系數(shù)是評(píng)價(jià)煤層抽放難易程度最直觀，也是應(yīng)用最普遍的參數(shù)，煤層透氣性系數(shù)大則抽放容易，煤層透氣性系數(shù)小則抽放困難。根據(jù)117802回采工作面C7+8順煤層鉆孔瓦斯流量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，計(jì)算得到煤層透氣性系數(shù)為3.7266m2/(MPa2·d)，按照表1劃分為可以抽放類別，與根據(jù)抽采衰減系數(shù)確定的煤層抽放難易類別相一致。因此可以將順煤層鉆孔匯流管瓦斯流量抽采衰減系數(shù)作為117802回采工作面C7+8煤層抽放難易程度的一個(gè)輔助判斷指標(biāo)。

6 結(jié) 論

1)上保護(hù)層開采后采空區(qū)、遺留煤柱和工作面斷層帶的復(fù)合作用使得順煤層瓦斯抽采鉆孔單孔瓦斯?jié)舛染哂忻黠@的區(qū)域差異特性，但是不同影響區(qū)域內(nèi)單孔瓦斯?jié)舛茸兓尸F(xiàn)相似的不穩(wěn)定升降(抽采時(shí)間小于30d)、大幅度衰減(抽采時(shí)間30—90d)和趨于穩(wěn)定(抽采時(shí)間大于90d)階段演化規(guī)律。

2)預(yù)抽時(shí)間在小于60d時(shí)煤層透氣性系數(shù)作為主控影響因素導(dǎo)致初始流量和衰減系數(shù)不穩(wěn)定變化，預(yù)抽時(shí)間60—120d時(shí)瓦斯抽采效果最優(yōu)，預(yù)抽時(shí)間大于120d后煤層有效應(yīng)力作為主控影響因素導(dǎo)致初始流量和衰減系數(shù)明顯減小并趨于穩(wěn)定。

3)采用順煤層鉆孔匯流管瓦斯抽采衰減系數(shù)與根據(jù)自然衰減系數(shù)確定的煤層抽放難易類別不統(tǒng)一，但與根據(jù)煤層透氣性系數(shù)確定的煤層抽放難易類別相一致，可以將順煤層鉆孔匯流管瓦斯流量抽采衰減系數(shù)作為117802回采工作面C7+8煤層抽放難易程度的一個(gè)輔助判斷指標(biāo)。