頂?shù)装鍘r層透氣性對煤層瓦斯抽采的影響研究

李大旺

(貴州省能源局 煤礦安全監(jiān)督管理處，貴州 貴陽 550004)

我國煤層瓦斯含量普遍較高，而且煤層賦存條件復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害總體較為嚴重。防止煤礦瓦斯災(zāi)害的根本性措施是對煤層瓦斯進行高效抽采，然而影響瓦斯抽采的因素較多，主要包括煤體自身的物理、化學(xué)性質(zhì)，以及外部影響因素兩方面[1-4]。煤體自身的物理、化學(xué)性質(zhì)，如煤的結(jié)構(gòu)和熱演化特征對瓦斯抽采過程中的瓦斯吸附、放散特性起決定性作用。同時鉆孔周圍瓦斯流動狀態(tài)對能否高效抽采煤層瓦斯也有至關(guān)重要的影響[5]。

瓦斯在煤層中的運移規(guī)律是煤礦抽采瓦斯最基礎(chǔ)的研究內(nèi)容，國內(nèi)外眾多科技工作者對此進行了大量研究。尹光志等[6]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的增大對瓦斯抽采流量的增加具有抑制作用；周福寶等[7]研究發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯壓力與滲透率會對瓦斯抽采產(chǎn)生影響；呂有廠等[8]通過現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)傾角較大的鉆孔的瓦斯抽采流量較高，而且標(biāo)高較低的掩護掘進穿層鉆孔的瓦斯抽采流量要高于下部穿層鉆孔的瓦斯抽采流量；黃勇等[9]研究發(fā)現(xiàn)，鉆孔瓦斯抽采量隨著鉆孔間距的增大而增大，不同鉆孔間距下的布置方式對抽采效果有較大影響，鉆孔直徑的變化對瓦斯抽采效果影響不大，不同抽采負壓時，鉆孔抽采影響半徑幾乎是重疊的，隨著抽采負壓的增大，鉆孔抽采影響半徑有小幅度增大，直到最后不變。近年來，越來越多的研究人員利用COMSOL Multiphysics多物理場軟件，模擬研究了煤層內(nèi)的瓦斯運移規(guī)律，其中司鵠等[10]根據(jù)建立的瓦斯流固耦合模型，研究得出煤層瓦斯壓力隨抽采時間的變化規(guī)律；張學(xué)博等[11]基于達西定律，建立二維鉆孔抽采模型并進行了數(shù)值模擬計算；張鈞祥等[12]在瓦斯流動方程的基礎(chǔ)上，考慮滲透率動態(tài)變化規(guī)律，建立了三維瓦斯抽采模型，研究得出不同抽采時間下瓦斯壓力和抽采有效半徑的變化規(guī)律。

然而，以往研究很少有人關(guān)注煤層頂?shù)装鍘r層特性對瓦斯抽采的影響，特別是透氣性巖層由于與煤層可能形成耦合流場，對瓦斯抽采存在的潛在影響。以往人們一般將煤層圍巖的孔隙率設(shè)為0(致密巖層)，即巖層不透氣，巖層中就不會存在瓦斯壓力。但是，現(xiàn)實中煤層圍巖的孔隙率并不為0(孔隙巖層)，自成煤期到現(xiàn)在經(jīng)過了數(shù)億年，在這期間煤層與頂?shù)装鍘r層中的瓦斯壓力會趨于相同。為此，筆者主要探究煤層圍巖透氣性對瓦斯抽采的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 瓦斯流動方程

煤層內(nèi)的瓦斯流動是一個十分復(fù)雜的過程，在煤層和圍巖中的瓦斯流動形式均符合達西定律，質(zhì)量守恒方程如下[13]：

(1)

式中：Q為單位體積煤層或圍巖中的瓦斯含量，kg/m3；t為瓦斯抽采時間，s；ρ為瓦斯密度，kg/m3；v為瓦斯?jié)B流速度，m/s。

瓦斯在煤層和圍巖中以吸附態(tài)和游離態(tài)存在[14]，所以單位體積內(nèi)煤層或圍巖中的瓦斯含量Q包含游離瓦斯Qg和吸附瓦斯Qa。

單位體積煤巖中游離瓦斯含量的計算公式如下[15]：

Qg=βpφ

(2)

式中：Qg為單位體積煤巖中游離瓦斯含量，kg/m3；β為瓦斯壓縮系數(shù)，kg/(m3·MPa)；p為儲層瓦斯壓力，MPa；φ為煤層或圍巖的孔隙率，%。

單位體積煤巖中吸附瓦斯含量的計算公式如下[16]：

(3)

式中：Qa為單位體積煤巖中吸附瓦斯含量，kg/m3；a為單位質(zhì)量煤巖的最大吸附瓦斯量，m3/kg；b為煤巖的吸附常數(shù)，MPa-1；c為煤巖的校正參數(shù)，kg/m3；ρn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的瓦斯密度，kg/m3。

瓦斯在煤層和圍巖中運移都符合達西滲流規(guī)律[17]：

(4)

式中：k為煤層或圍巖的滲透率，m2；μ為瓦斯動力黏度，Pa·s。

由式(1)～(4)，可以得到瓦斯在煤層和圍巖中的滲流方程：

(5)

1.2 煤巖體變形方程

含瓦斯煤巖體是由分子顆粒構(gòu)成的煤巖體骨架和顆粒間裂隙共同組成的多孔介質(zhì)。根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力規(guī)律，以有效應(yīng)力表示的應(yīng)力平衡式為：

σ′ij,j+(αpδij),j+Fi=0

(6)

式中：σ′ij,j為有效應(yīng)力，MPa；α為Biot’s系數(shù)；δij為Kronecker符號；Fi為煤巖的體積力張量，N/m3。

煤巖體變形方程遵循：

(7)

式中：εij為應(yīng)變分量，i,j=1,2,3；ui,j、uj,i為位移分量，m。

煤巖體在彈性階段的變形本構(gòu)方程為[18-19]：

σij=λeδij+2Gεij

(8)

式中：σij為有效應(yīng)力，MPa；λ、G為拉梅常數(shù)；e為體積變形。

有效應(yīng)力的張量形式可表示為[20]：

(9)

根據(jù)式(6) ～(9)，可以得到煤巖體變形方程：

(10)

式中：ν為泊松比；uj,ij為位移分量，m；pi為煤巖中瓦斯壓力，MPa。

1.3 幾何模型及參數(shù)設(shè)置

利用COMSOL Multiphysics 5.4模擬軟件實現(xiàn)多物理場的耦合，對煤層頂?shù)装鍘r層孔隙率的影響及鉆孔抽采有效范圍進行模擬，并進一步分析各種因素對鉆孔抽采半徑的影響。

1.3.1 幾何模型

為了研究煤層頂?shù)装鍘r性對瓦斯抽采的影響，考察頂?shù)装逋笟夂筒煌笟馇闆r下瓦斯抽采的效果。頂?shù)装逋笟馀c不透氣采用巖石孔隙率來界定，將不透氣頂?shù)装宓目紫堵试O(shè)置為0，透氣頂?shù)装宓目紫堵试O(shè)置為20%。模型幾何尺寸為10.0 m×10.0 m×3.5 m，如圖1所示。在該模型中，上部為頂板，厚1.0 m；中部為煤層，厚2.0 m；下部為底板，厚 0.5 m；鉆孔傾角為30°。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層透氣性對瓦斯抽采的影響幾何模型

1.3.2 參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模擬相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型中材料的物性參數(shù)

2 模擬計算結(jié)果分析

2.1 瓦斯流場對比分析

為了對比分析不同的煤層頂?shù)装鍘r石透氣性對瓦斯流場造成的影響，繪制了抽采180 d時透氣巖層模型和不透氣巖層模型的瓦斯流線圖，如圖2 所示。

圖2 抽采180 d時模型瓦斯流線圖

從圖2中可以看出，不論在何種圍巖條件下，在抽采過程中瓦斯總會沿鉆孔徑向流動。當(dāng)頂?shù)装鍘r層透氣時，頂?shù)装鍘r層內(nèi)大部分的瓦斯都會經(jīng)過煤層流向鉆孔，這一點在煤巖交界處最為明顯，當(dāng)頂?shù)装鍘r層不透氣時則不會發(fā)生這種狀況。由此可見，頂?shù)装鍘r層的透氣性會對瓦斯壓力分布產(chǎn)生較大的影響。

2.2 煤層殘存瓦斯壓力

2.2.1 縱切面殘存瓦斯壓力分布

預(yù)抽180 d后，不同抽采時間的煤(巖)層殘存瓦斯壓力分布如圖3所示。

圖3 2種模型不同抽采時間的殘存瓦斯壓力分布圖

從圖3中可以看出，對于透氣巖層和不透氣巖層2種模型，不同抽采時間下鉆孔抽采影響范圍是不同的，抽采時間越長，鉆孔影響的范圍越大，且 2種模型在煤層內(nèi)部瓦斯壓力分布的區(qū)別不大，但是在煤巖交界處的區(qū)別較為明顯。

為了研究煤巖交界處透氣巖層模型與不透氣巖層模型的區(qū)別，將二者在煤巖交界處抽采180 d后的瓦斯壓力云圖(局部)進行對比分析，如圖4所示。

圖4 抽采180 d時煤巖交界處瓦斯壓力云圖(局部)

從圖4中可以看出，在煤層與頂板交界處，就抽采鉆孔下側(cè)區(qū)域而言，透氣巖層模型的鉆孔影響范圍較不透氣巖層模型要大一些；而在煤層與底板交界處，就抽采鉆孔上側(cè)區(qū)域而言，透氣巖層模型的鉆孔影響范圍較不透氣巖層模型也要大一些。這說明頂?shù)装鍘r層是否存在瓦斯壓力即頂?shù)装鍘r層是否透氣會造成煤層內(nèi)瓦斯壓力分布出現(xiàn)差異。

2.2.2 煤層瓦斯壓力衰減特性

針對上述區(qū)別，在煤層與頂板交界處的鉆孔下側(cè)區(qū)域，以及煤層與底板交界處的鉆孔上側(cè)區(qū)域分別選取頂板和底板附近截線，如圖5所示，進一步定量分析2種模型在上述2條截線上的區(qū)別。

圖5 三維截線及壓力測點示意圖

同時為了研究頂?shù)装鍘r性對煤層瓦斯壓力衰減的影響，分別在圖5中2條截線的相同位置選取 4個瓦斯壓力測點，其在x方向上分別距離鉆孔中心0.1、0.5、1.0、1.5 m，而在y方向和z方向上坐標(biāo)相同。將各個測點的瓦斯壓力導(dǎo)出，繪制不同位置的瓦斯壓力隨抽采時間的變化曲線，如圖6和圖7 所示。

圖6 頂板附近截線上各測點的瓦斯壓力衰減曲線

圖7 底板附近截線上各測點的瓦斯壓力衰減曲線

從圖6和圖7可以看出，隨著與鉆孔中心距離的逐漸增大，2種模型在預(yù)抽180 d后，殘存瓦斯壓力逐漸增大，這與瓦斯壓力分布云圖的結(jié)果是一致的。然而，對于同一測點，2種模型的瓦斯壓力衰減曲線并不相同，頂?shù)装蹇紫堵蕿?0%的曲線總是在頂?shù)装蹇紫堵蕿?的下方，這說明當(dāng)頂?shù)装蹇紫堵蕿?0%時，瓦斯壓力衰減較快，殘存瓦斯壓力較低。

2.3 鉆孔抽采有效范圍

為了量化鉆孔抽采影響范圍，將煤層殘存瓦斯壓力下降到0.74 MPa以下的區(qū)域視為有效抽采范圍。為了進一步研究頂?shù)装蹇紫堵蕦Τ椴摄@孔有效抽采范圍的影響，可以通過測量圖5中截線上各點的不同抽采時間下的殘存瓦斯壓力，即可得到鉆孔有效抽采范圍，測試結(jié)果如表2所示。

表2 鉆孔有效抽采范圍

表2中頂?shù)装甯浇鼐€長度是抽采鉆孔附近殘存瓦斯壓力小于0.74 MPa的區(qū)域邊界至鉆孔中心的距離。從表2中可以得到：當(dāng)頂?shù)装蹇紫堵蕿?0%時，殘存瓦斯壓力處于0.74 MPa以下的范圍較頂?shù)装蹇紫堵蕿?時更大。

3 結(jié)論

1)通過對透氣巖層模型和不透氣巖層模型的模擬研究發(fā)現(xiàn)，2種模型條件下在抽采過程中瓦斯總是沿鉆孔徑向流動，但煤層頂?shù)装鍘r性對煤層瓦斯流場有明顯影響，當(dāng)頂?shù)装鍘r層透氣時，頂?shù)装鍘r層內(nèi)大部分的瓦斯都會經(jīng)過煤層流向鉆孔。

2)透氣巖層和不透氣巖層2種模型模擬鉆孔抽采時，抽采時間越長，鉆孔影響的范圍越大，同時距離鉆孔中心越遠煤層殘存瓦斯含量越大；透氣巖層模型與不透氣巖層模型的瓦斯壓力衰減特性不同，透氣巖層模型的瓦斯壓力衰減更快，殘存瓦斯壓力更低。

3)煤層頂?shù)装鍘r性對鉆孔抽采有效范圍有影響。與不透氣巖層模型相比，透氣巖層模型的鉆孔有效抽采范圍更大。