貴州煤層氣鉆孔抽采數值分析*

張鵬翔　馬曙　周炳秋

(1.貴州省煤礦設計研究院　貴陽 550003；　2.貴州省礦山安全科學研究院　貴陽 550003)

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貴州煤層氣鉆孔抽采數值分析*

張鵬翔1,2馬曙1,2周炳秋1,2

(1.貴州省煤礦設計研究院貴陽 550003；2.貴州省礦山安全科學研究院貴陽 550003)

論述了影響煤層氣鉆孔抽采的因素，對煤層氣鉆孔抽采進行數值分析，研究煤層氣鉆孔抽采時煤層氣運移規律，結合實例驗證煤層氣鉆孔抽采作用機理，為加快煤層氣鉆孔抽采新工藝研發速度，提高煤層氣鉆孔抽采效率提供參考。

煤層氣鉆孔抽采數值分析

0　引言

在煤炭開采前和開采中進行煤層氣抽采工作，是開發新型清潔能源，保證煤礦安全的重要舉措。貴州高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井占一半以上，今后均需建立瓦斯抽采系統。貴州省煤礦地質地形條件復雜，由于其特殊的喀斯特地貌特征、獨特的煤層分布特點以及復雜的地質構造情況，建立地面井進行煤層氣抽采有一定的困難，由于井下鉆孔抽采方式簡便靈活，抽采濃度高、效率高，工程量小，成本低，大部分高突礦井多適用于在井下打穿層或順層鉆孔進行煤層氣抽采。但煤礦煤層氣抽放方面與其他地區和國外相比存在抽放率低，噸煤瓦斯抽放量(相對瓦斯抽放量)少，裝備和管理水平有待加強和提高等差距。因此對貴州省煤層氣鉆孔抽放進行數值分析，掌握煤層氣鉆孔抽放規律，對購置研發設備，合理布置鉆孔參數，制定抽采計劃，提高煤礦煤層氣抽采效率，加大煤層氣資源開發利用的經濟效益，具有重要的現實意義。

1　煤層氣鉆孔抽采影響因素

影響煤層氣鉆孔抽放的因素眾多，其中比較重要的有以下幾個方面。

(1)鉆孔直徑。鉆孔抽放時，數倍鉆孔直徑的距離是鉆孔引起的松動和卸壓范圍[1-2]。范圍外，鉆孔抽放的是未卸壓煤層的煤層氣。抽放鄰近層煤層氣時，鉆孔主要是引導煤層氣的通道，主要是對煤層氣沿鉆孔流動的助力有所不同，相差不大。

(2)鉆孔布置方式。鉆孔布置方式應使煤層氣流動狀態較好，提高鉆孔煤層氣抽放效果[3]。每個鉆孔中心都有一個抽放半徑，在一定的抽放時間內，應盡量以三角形或者多角形布置鉆孔，以充分發揮每個鉆孔的作用。

(3)鉆孔的深度。煤層鉆孔中，鉆孔深度越大，煤壁暴露面積越大，煤體抽放范圍越大，越有利于煤層氣的涌出，煤層氣抽放量越大。

(4)鉆孔抽放負壓。抽放負壓使煤層中的煤層氣流動方向發生改變，使煤層氣流向鉆孔[4]。提高鉆孔抽放負壓可以相應提高煤層氣運移的壓力差，是煤層氣運移的動力。鉆孔抽放負壓對煤層氣抽放量影響很大，抽放負壓越高，煤層氣抽放量越多。

(5)抽放時間。隨著鉆孔抽放時間的延長，煤層氣鉆孔抽放半徑逐漸增大，但是到一定距離以后幾乎不再增大。鉆孔煤層氣抽放時，隨著鉆孔瓦斯衰減系數的增大，延長抽放時間的效果將越來越差[5]。有效抽放時間與鉆孔瓦斯流量衰減系數成反比，隨著鉆孔流量衰減系數增大，有效抽放時間急劇下降。

(6)煤層的透氣性。煤體中存在的孔隙和裂隙是煤層氣在煤體中運移的通道[6]。煤體透氣性越大，煤層氣在煤體中運移速度越大。地應力增大，煤體裂隙和孔隙發生閉合，煤體滲透率降低，煤體吸附瓦斯，強度降低，塑性增加，煤體抽放半徑減小，煤與瓦斯突出危險性增大。

(7)煤層的瓦斯含量。煤層瓦斯含量越大，煤層氣賦存量越多，煤層氣抽放量越大。煤體的煤層氣含量中，一般吸附瓦斯占80%～90%，吸附瓦斯量的多少取決于煤對瓦斯的吸附能力、瓦斯壓力和溫度等條件。

(8)封孔效果。目前鉆孔封孔有聚氨酯封孔、機械彈性封孔、氣囊封孔等技術[7-8]。但限于目前發展階段，各種封孔技術都存在一定的缺陷，不能有效保障封孔的效果。聚氨酯封孔技術:高分子發泡材料需要有較高的發泡倍數才能將鉆孔封閉，高分子發泡材料發泡之后具有抗壓強度低、可壓縮性大的致命缺陷。隨著高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井采深的增大，在地應力作用下，松軟煤層發生蠕變，鉆孔周圍產生松動裂隙(漏氣通道)。機械彈性封孔技術(螺旋彈性脹圈式封孔器、彈性串球式封孔器)、充氣式封孔器(免充氣氣囊式、充氣氣囊式)、水力膨脹式封孔器，它們對鉆孔的密封性能很差，鉆孔周圍微裂隙的微泄漏很嚴重。煤礦地質條件、煤層瓦斯透氣性、瓦斯含量、瓦斯壓力等條件的不同選擇封孔方式也不一樣。今后的研究方向是選擇合理的封孔深度，使鉆孔周圍的裂隙得到充填，消除裂隙和漏氣通道，另一方面要有效的支護鉆孔，避免鉆孔的變形，使鉆孔周圍不再產生新的裂隙，避免后期漏氣通道的產生和發展，提高煤層氣抽采濃度和抽采量。

2　煤層氣鉆孔抽采的數值分析

煤層氣在大孔和裂隙中的瓦斯流動基本上服從Darcy滲透定律[9]。因此，鉆孔周圍裂隙帶中的瓦斯流動數學模型應是以Darcy滲透定律和狀態方程為基礎的聯立方程，方程基本假設為：①氣體單相滲流；②符合線性滲流運動方程；③氣體為理想氣體；④滲流過程是等溫的。

煤層鉆孔中，無論是穿層孔還是順層孔，鉆孔周圍的煤層瓦斯均沿徑向流入鉆孔，根據鉆孔周圍煤層瓦斯流動的質量守恒公式(式1)、煤層氣達西流動方程(式2)、瓦斯氣體狀態方程(式3)、煤層瓦斯含量方程(僅游離瓦斯含量)(式4)，得出煤層鉆孔抽放瓦斯的單向非穩定滲透流動的控制方程(式5)[10]，式5為非線性二階拋物型方程，方程利用Matlab軟件中的偏微分函數進行求解。單位時間內一個容積內瓦斯含量變化應等于同一時間內瓦斯流入流出的質量差。

(1)

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(4)

3　應用實例分析

3.1煤層基本條件

貴州省某礦含煤地層為二疊系統龍潭組，礦區內煤呈黑色至灰黑色，以玻璃光澤為主，各煤層含鏡煤條帶較多，呈較強的玻璃光澤，層狀、似層狀結構，硬度一般為1.12～3.38。各煤層以肥煤為主，其次為焦煤，有少量的氣煤和1/3焦煤。井田內由淺到深，煤的變質程度有逐漸增高的趨勢。原煤平均水分為1.39%左右，煤層原煤平均灰分為22.25%，平均浮煤揮發分為29.05%左右。井田內各可采煤層的平均視相對密度1.40t/m3。煤層原始瓦斯壓力平均為0.10～1.85MPa；煤層原始瓦斯含量為4.085～12.564m3/t；煤層透氣性系數為3.485×10-4～9.760×10-4(m2/MPa2·d)；煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.008 3～1.531d-1；煤層鉆孔瓦斯涌出初速度為0.001 33～0.115 76m3/(min·m)。

3.2煤層氣鉆孔抽采半徑數值分析

根據煤層氣鉆孔抽采單向流動控制公式，運用Matlab軟件對其建立煤層氣鉆孔抽采數值模型，選取煤礦瓦斯壓力1.2MPa，煤層原始瓦斯含量為9.4m3/t，煤層瓦斯含量系數為6.14m3/(m3·Pa0.5)，煤層透氣性系數為0.08m2/(MPa2·d)的地點進行實驗，數值分析運算結果如下：設置左邊界條件為抽放負壓平方值0.006 4MPa2；流場設置為無限流場，因此右邊界設置為煤層原始瓦斯壓力平方值1.44MPa2(流場設置為有限流場時，右邊界設置為煤層原始瓦斯壓力平方值0)；初始值為1.44MPa2。單向流動時不同抽采時間與抽采距離處的瓦斯壓力平方數值解見圖1。

抽采1，50，100，300，500d后不同半徑范圍內煤層瓦斯壓力平方值情況如圖2。

圖1　單向流動時不同抽采時間與抽采

從圖1、圖2可以看出，煤層氣鉆孔抽放瓦斯100 d后，煤層瓦斯鉆孔抽放壓力下降到煤與瓦斯突出臨界值(0.74 MPa)的平方值0.547 6 MPa2以下時的距離為1.8 m。300 d后煤層瓦斯壓力分布基本穩定，煤層瓦斯鉆孔抽放壓力下降到煤與瓦斯突出臨界值(0.74 MPa)的平方值0.547 6 MPa2以下時的距離為3.0 m。在煤礦井下鉆5個相互平行的測量孔，孔徑42 mm，孔長50 m，間距0.5 m，封孔40 m，在距最近的測量孔邊緣0.5 m處，鉆一平行于測量孔的抽放瓦斯鉆孔，通過觀測煤體中瓦斯壓力3個月內的變化情況，確定瓦斯壓力降到0.74 MPa以下時，抽放鉆孔的有效抽放半徑為2 m，基本與理論結果相符。

4　結語

(1)通過對煤層氣鉆孔抽采影響因素分析，得出影響煤礦煤層氣鉆孔抽采的因素眾多，各個因素對煤層氣鉆孔抽采的作用不同，影響大小不同，影響作用機理不同。要研究煤層氣鉆孔抽放技術，提高煤層氣鉆孔抽采效率，就需要對煤層氣鉆孔抽放時煤層中煤層氣的運移規律進行研究。

(2)根據質量守恒定律、達西定律等氣體流動規律，對煤層中煤層氣的運移規律進行定量的數值分析和研究，得出鉆孔抽放時煤層中煤層氣的運移機理和控制方程，并采用現代數值計算技術進行了快速計算，得出了符合實際的結果，反映了煤礦煤層氣鉆孔抽放的現實情況。

(3)運用計算機技術，采用現代數值分析技術和方法研究煤礦煤層氣鉆孔抽放單向流動情況，為今后研究煤層氣鉆孔抽放徑向流動、三維流動、流固耦合的研究提供了基礎，節省了井下人工測定時人力、物力、財力損耗，能大大縮短煤層氣抽采新技術實施效果論證的時間，提高了煤層氣鉆孔抽采新技術的研發效率。

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The Numerical Analysis of Extracted Coalbed Methane by Drilling in Guizhou

ZHANG Pengxiang1,2MA Shu1,2ZHOU Bingqiu1,2

(1.GuizhouCoalMineDesignlnstituteGuiyang550003)

The paper discusses the effect factors of extracted coalbed mathane by drilling,and do the numerical analysis and conduct studies on the migration rules of coalbed methane drilling mechanism is verified. Combinidg with an example, which can provide references for speeding up the development of the coalbed methane drilling technology, and improving the efficiency of extracted coalbed methane by drilling.

the coalbed methanedrillingextractnumerical analysis

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAK04B07)。

張鵬翔，男，1987年生，碩士，工程師，主要從事礦山安全、瓦斯災害防治方面的研究。

2015-07-01)