煤層瓦斯壓力對瓦斯抽采效果的影響

　　摘 要：近年來，煤炭資源開采逐漸走向深部，煤層瓦斯壓力不斷加大。為研究煤層瓦斯壓力對瓦斯抽采效果的影響，開展了不同吸附瓦斯壓力條件下煤層瓦斯抽采試驗，分析了瓦斯抽采過程中煤層瓦斯壓力、滲透率、溫度、流量等參數動態演化規律。研究結果表明：瓦斯抽采過程中，解吸瓦斯通過煤層孔裂隙運移至抽采鉆孔并排出，其運移路徑基本保持不變，但隨著煤層瓦斯壓力的降低，其運移速度逐漸下降;煤層滲透率受控于有效應力效應和基質收縮效應，當吸附瓦斯壓力小于 1.0 MPa 時，煤層滲透率整體持續上升，最終大于初始滲透率。當吸附瓦斯壓力大于或等于 1.0 MPa 時，煤層滲透率先下降后上升，最終小于初始滲透率;隨著瓦斯壓力的增加，瓦斯抽采過程中煤層滲透率恢復速度減緩，瓦斯抽采結束后煤層溫度下降量呈對數式增長同時累積抽采量呈 Langmuir 式增加，即累積抽采量增加速度逐漸降低。研究成果可指導深部高瓦斯煤層瓦斯抽采及突出防控。

　　本文源自張超林; 王恩元; 許江; 彭守建， 采礦與安全工程學報 發表時間：2021-07-05

　　關鍵詞：煤層瓦斯抽采;瓦斯壓力;煤層溫度;抽采效果;物理模擬

　　2020 年，我國煤炭消費量占一次能源消費量的比重依然高達 56.8% [1]。在未來相當長一段時間內，煤炭仍將作為我國最重要的基礎能源和工業原料，在經濟和社會發展中起到其他資源無法替代的作用。煤層瓦斯(煤層氣)是一種由煤生成并以吸附在煤基質顆粒表面的甲烷為主要成分的非常規天然氣[2]。國土資源部最新評價表明，我國埋深 2 000 m 以淺的煤層氣地質資源量為 30.05×1012 m 3，可采資源量為 12.50×1012 m 3，開采潛力巨大[3]。煤層瓦斯同時還是威脅煤礦安全生產的“第一殺手”，2020 年全國共發生煤礦事故 123 起、死亡 228 人，其中瓦斯事故 7 起、死亡 30 人[4]。在煤炭資源開采前對煤層瓦斯進行合理抽采，不僅能減少環境污染，還能保障煤礦安全生產，同時獲得清潔能源，具有“環境、安全、能源”三重效益[5-6]。

　　然而，我國復雜的資源稟賦條件使得煤層瓦斯抽采面臨“抽采難度大、抽采效率低、抽采集中度差”等困難[7]。為此，學者們圍繞以上難題開展了大量的研究。程遠平等[8]基于微孔填充和單層吸附理論建立了表征煤樣甲烷吸附能力的量化方法，表明煤中甲烷主要以微孔填充形式吸附在微孔孔隙中;魏建平等[9-10]導出了隨孔隙尺寸和孔隙壓力變化的動態擴散系數，并建立了考慮滲流-擴散效應的煤層瓦斯流動新模型;尹光志等[11-13]開展了不同應力路徑、層理方向和瓦斯壓力對含瓦斯煤滲流及力學特性影響規律的實驗研究;許江等[14-16]分析了瓦斯抽采過程中煤體變形特征及其影響因素;馮增朝等[17-18]研究了瓦斯抽采過程中煤體有效應力變化規律;彭守建等 [19-20]探討了瓦斯抽采過程中瓦斯壓力和煤層溫度的動態響應特征;張超林等[21]分析了鉆孔數量對瓦斯抽采量和抽采時間的影響規律;林柏泉 [22]、郝富昌[23]、魯義[24]等研究了不同條件下有效抽采半徑和有效抽采區域變化趨勢，以優化抽采鉆孔布孔間距;梁冰[25]、王登科[26]、張村[27] 等建立了瓦斯抽采多場耦合模型，數值模擬并分析了瓦斯抽采過程中滲透率動態演化規律。

　　近年來，隨著淺部資源逐漸枯竭，煤炭開發不斷走向地球深部[28-29]。統計表明，煤層瓦斯壓力隨著埋深的增加近似呈線性增長[30]。目前關于不同煤層瓦斯壓力條件下瓦斯抽采效果的研究較少。鑒于此，本文通過物理模擬手段，開展不同煤層瓦斯壓力條件下瓦斯抽采試驗，分析瓦斯抽采過程中煤層參數變化規律和抽采流量演化特征及其受瓦斯壓力影響作用，為深部煤層瓦斯抽采及煤層防突提供參考和借鑒。

　　1 試驗方案及步驟

　　1.1 試驗方案

　　瓦斯抽采試驗利用重慶大學自主研發的多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗裝置開展。該試驗裝置主要包括試件箱體、主體承載支架、伺服加載系統、抽采系統以及數控系統[21,31]，可以在室內模擬不同地應力、煤層瓦斯壓力、抽采鉆孔布置等條件下瓦斯抽采全過程，并能同步監測煤層瓦斯壓力、溫度等煤層參數及抽采流量，如圖 1(a)所示。

　　試件箱體內部尺寸為 1050 mm×400 mm× 400 mm，將取自貴州金佳煤礦的煤樣破碎、篩分、攪拌后，裝入試件箱進行分層成型，同時在成型過程中安裝抽采鉆孔及傳感器。其中，抽采鉆孔、瓦斯壓力傳感器、溫度傳感器分別布置 4 個(編號Ⅰ～Ⅳ)、40 個(編號 P1～P40)、14 個(編號 T1～T14)，如圖 1(b)所示。垂直抽采鉆孔且布置傳感器最多的平面(y=250 mm)稱為中垂面。

　　1.2 試驗步驟

　　目前，我國部分礦井最大采深達到 1500 m，煤層瓦斯壓力約為 10.0 MPa[30]，結合相似模擬常數為5 [32]，本文共開展4次瓦斯抽采模擬試驗，煤層瓦斯壓力分別為 0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa，地應力設為 4.0 MPa 靜水壓力。同時為確保試驗安全以二氧化碳代替甲烷開展試驗。具體試驗步驟如下：

　　1)型煤制備：型煤共分 4 層成型，每次成型均在 7.5 MPa 壓力條件下保壓 1 h;

　　2)抽真空脫氣：型煤成型后進行箱體密封性測試，然后抽真空 2 h;

　　3)充氣吸附：首先啟動應力加載，然后打開氣瓶開始充氣，吸附時間約 48 h;

　　4)瓦斯抽采：吸附平衡后，關閉進氣口閥門并打開出氣口閥門，開始抽采;

　　5)抽采結束后改變條件開展下一次試驗。

　　2 試驗結果及分析

　　2.1 煤層瓦斯壓力及瓦斯流場分布

　　以瓦斯壓力測點1和2為例分析瓦斯抽采過程中瓦斯壓力演化，如圖 2 所示。抽采 6 h，P1 分別從 0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 下降至 0.025 MPa、0.033 MPa、0.039 MPa 和 0.047 MPa，且始終保持煤層吸附瓦斯壓力越小，抽采過程中同一測點對應瓦斯壓力越小。根據《防治煤與瓦斯突出細則》，煤層殘余瓦斯壓力降至 0.74 MPa 即可實現消突[33]，結合相似模擬常數為 5，以 0.148 MPa 為消突臨界值對比不同條件下測點 1 實現消突快慢。由圖可知，吸附瓦斯壓力 0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 條件下分別抽采 49 min、66 min、79 min 和 93 min 即可實現測點 1 的消突。

　　為定量表征煤層瓦斯壓力下降快慢，以瓦斯抽采 t 時刻瓦斯壓力下降量(△P，吸附瓦斯壓力 P0 與殘余瓦斯壓力 Pt差值)與吸附瓦斯壓力比值，定義瓦斯壓力下降率 DP，即： 0 0 0 1 0 0 % 1 0 0 % t P P P P D P P ? ?? ? ? ? 式(1)

　　4 次試驗抽采 1 h 后 DP1 分別達到 74.3%、 84.1%、87.7%和 89.5%，抽采 5 h 后分別為 95.0%、96.7%、97.4%和 97.6%，可見，煤層瓦斯壓力的下降先快后慢，且隨著吸附瓦斯壓力的增大而加快。瓦斯壓力測點 2 演化趨勢與測點 1 類似，不同之處在于：測點 2 達到消突時間分別為 38 min、54 min、68 min 和 78 min，抽采結束后的瓦斯壓力下降率分別為 95.8%、97.3%、 97.8%和 98.0%，即測點 2 對應瓦斯壓力下降更快、消突用時更短。測點 1 和測點 2 距抽采鉆孔距離分別為 160 mm 和 80 mm，表明不同測點距抽采鉆孔越近，對應瓦斯壓力下降越迅速。其余測點對應瓦斯壓力演化規律類似，不再贅述。

　　圖 3 為不同吸附瓦斯壓力抽采過程中垂直鉆孔的中垂面瓦斯流場圖，4 個紅色圓圈分別表示 4 個抽采鉆孔投影。由圖 3(a)可知抽采 10 min瓦斯壓力等壓線近似以鉆孔為中心呈現圓環形分布，等壓值由內向外分別為 0.2 MPa 和 0.3 MPa，即越靠近鉆孔區域，等壓值越小。矢量箭頭方向均徑向指向鉆孔，越靠近鉆孔其長度越長，表明抽采過程中，氣體從煤層向鉆孔流動，且鉆孔附近氣體運移速度較大;對比圖 3(b)中抽采 20 min 瓦斯流場圖可知，等壓線形狀幾乎保持不變，而相同位置等壓值則分別降低為 0.1 MPa 和 0.2 MPa，同時矢量箭頭方向也基本保持不變，其長度出現一定程度的減小，表明在瓦斯抽采過程中，解吸氣體通過煤層孔裂隙運移至抽采鉆孔并排出，且氣體總是沿著距鉆孔較近路徑方向運移，運移路徑一旦形成，則基本保持不變，但是隨著抽采的持續進行，煤層瓦斯壓力下降，導致壓力梯度減小，運移速度下降。

　　對比圖 3(a)和圖 3(c)-(e)可知，不同吸附瓦斯壓力條件下抽采 10 min，中垂面瓦斯流場分布規律相似，只是外側等壓值分別從 0.3 MPa 增加至 0.4 MPa、0.55 MPa、0.67 MPa，表明吸附瓦斯壓力的增加基本不改變瓦斯流場分布形態，改變的是相同位置處等壓線對應瓦斯壓力大小。進一步對比圖 3(a)和圖 3(e)發現，在瓦斯抽采到某一時刻，相鄰鉆孔周圍的等壓線會發生融合現象，表明此時多個鉆孔抽采瓦斯產生疊加效應 [34]，煤層瓦斯運移通道增大，抽采效果優于單一鉆孔抽采。

　　2.2 煤層滲透率時空演化規律

　　選取基于三軸應力條件并同時考慮有效應力和基質收縮效應的滲透率模型計算煤層中不同測點相對滲透率[35-36]： m a x 0 0 0 0 ( ) e x p 3 ( ) 3 (1 2 ) ( ) ( ) S t f t t k E P P P C P P f k v P P P P ?? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 式(2)式中，k 和 k0 分別為煤層滲透率和初始滲透率， mD;Cf 為裂隙壓縮系數，MPa-1 ;f 為基質內向膨脹變形率;E 為彈性模量，MPa;v 為泊松比; ε S max 為基質最大膨脹應變，%;pε為基質吸附變形壓力，MPa。

　　圖 4(a)對比了吸附瓦斯壓力 0.5 MPa 條件下垂直抽采鉆孔的 5 個測點相對滲透率演化曲線，距抽采鉆孔最近的測點 5 滲透率隨著抽采的進行逐漸增加，而距抽采鉆孔較遠的 4 個測點滲透率分別隨著抽采先下降后上升。當吸附瓦斯壓力增加至 1.0 MPa 時，5 個測點滲透率均表現為先降后升的變化規律。但無論煤層吸附瓦斯壓力大小，距鉆孔越近的測點滲透率總是最先下降至最低點，同時最早開始回升。降壓抽采中煤層滲透率演化的影響因素主要有兩個方面，一方面是隨著煤層瓦斯的抽采，游離氣體逐漸排出，吸附氣體開始解吸，導致煤層瓦斯壓力下降，在外部總應力保持不變的條件下，瓦斯壓力的降低意味著有效應力的增加，而有效應力的增加會壓縮煤層內部孔裂隙，導致氣體運移通道的減小甚至部分閉合，表現為煤層滲透率的降低，不利于瓦斯抽采;另一方面，煤基質表面由于吸附氣體解吸而發生基質收縮現象，間接增大了氣體運移通道，使得煤層滲透率上升，有利于瓦斯抽采。以上兩種因素，在瓦斯抽采不同階段表現出不同的影響程度，且相互競爭，共同決定煤層滲透率，最終影響瓦斯抽采效果。由此可知，對于 0.5 MPa 吸附瓦斯壓力條件，測點 5 處煤基質收縮效應引起的正效應大于有效應力導致的負效應，使得滲透率呈現持續上升的趨勢，而對于其余測點，在抽采前期有效應力占據主導地位，而后兩種作用達到平衡，最后基質收縮效應占據主導作用，滲透率總體表現為先下降后上升的趨勢。當煤層吸附瓦斯壓力繼續增加時，所有測點在抽采前期均是有效應力占據主導地位。

　　圖 4(c)-(d)對比了不同吸附瓦斯壓力條件下同一測點相對滲透率，演化趨勢大致分為兩類，一類表現為滲透率直接上升或略微下降后立即上升為特征，且抽采結束時，煤層滲透率大于初始滲透率，以吸附瓦斯壓力 0.5 MPa 為代表;另一類則表現為滲透率出現較大幅度下降，且抽采結束后煤層滲透率小于初始滲透率，以吸附瓦斯壓力大于或等于 1.0 MPa 為代表。以測點 1 為例進行說明，吸附瓦斯壓力由小至大對應相對滲透率分別在 6.7 min、16.9 min、23.0 min 和 28.0 min 下降至最低，分別為 99.7%、92.47%、84.6%和 73.21%，抽采結束時，分別回升至 101.98%、 96.33%、86.38%和 74.66%。可知，隨著吸附瓦斯壓力的降低，煤層滲透率更早發生回升，且隨著抽采的進行，滲透率更易大于初始滲透率。表明，煤層吸附瓦斯壓力越低，有效應力效應影響程度越小，而基質收縮效應越明顯，因此對于低瓦斯壓力煤層，滲透率更易發生回升。

　　圖 5 進一步繪制了不同吸附瓦斯壓力條件下抽采不同時刻中垂面相對滲透率分布圖。由圖 5(a)-(b)可知，相對滲透率等值線和瓦斯壓力等壓線分布形狀類似，均以 4 個抽采鉆孔為中心呈現圓環形分布，不同的是越靠近抽采鉆孔瓦斯壓力越低，而滲透率反而越高。如抽采 10 min，Ⅰ 號鉆孔最內側相對滲透率等值線為 1.005，第二圈等值線為 1。抽采 50 min，Ⅰ號鉆孔最內側相對滲透率等值線為 1.015，第二圈等值線為 1.01，說明滲透率隨著抽采的進行逐漸增加，并始終保持靠近鉆孔區域滲透率較大，抽采之后短期內滲透率即出現反彈，因此選取的 10 min 和 50 min 時刻均為滲透率回升階段。圖 5(c)-(d)繪制了吸附瓦斯壓力 1.0 MPa 條件下中垂面相對滲透率分布圖，分布特征和 0.5 MPa 條件下相似，但是其相對滲透率始終小于 1，表明煤層吸附瓦斯壓力越高，滲透率反彈越不明顯。

　　2.3 煤層溫度變化特征

　　圖 6(a)對比了吸附瓦斯壓力 0.5 MPa 條件下瓦斯抽采過程中垂直鉆孔的 7 個測點溫度演化曲線，其中測點 1、7、12 和 14 分別位于 4 個抽采鉆孔附近，測點 2、11、13 則位于相鄰抽采鉆孔之間。由于瓦斯解吸是一個吸熱過程[19]，瓦斯抽采過程中煤體溫度逐漸下降。抽采鉆孔附近測點瓦斯壓力梯度較大、瓦斯解吸速率較快導致煤層溫度下降速度較快，隨著瓦斯解吸、擴散、滲流的不斷進行，瓦斯壓力梯度減小使瓦斯解吸速率降低，煤層溫度下降速度變緩。而遠離抽采鉆孔的測點溫度下降速度始終相對較慢。以測點 14 和測點 2 為例，抽采 1 h 后測點 14 溫度下降量為 7.2 ℃，占抽采 5 h 溫度下降總量 9.1 ℃的 79.1%，而測點2抽采1 h后溫度下降量為4.5 ℃，占抽采 5 h 溫度下降總量 8.3 ℃的 54.2%。圖 6(b)-(c)對比了不同吸附瓦斯壓力條件下同一測點溫度演化曲線，抽采結束后測點 1 溫度下降量分別為 8.3 ℃、10.4 ℃、13.0 ℃和 14.3 ℃，測點 2 溫度下降量分別為 8.3 ℃、11.1 ℃、12.9 ℃和 14.8 ℃，可見隨著煤層吸附瓦斯壓力的增加，無論溫度測點距離抽采鉆孔遠近，同一測點溫度下降量均隨著吸附瓦斯壓力的增加而增大。

　　為定量分析瓦斯抽采結束后煤層溫度變化量與煤層吸附瓦斯壓力之間的關系，以抽采結束后垂直鉆孔的 7 個測點(測點 1、2、7、11、12、 13 和 14)溫度下降量平均值表征整個煤層溫度平均下降量，如圖 6(d)所示。計算得出 0.5 MPa、 1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 吸附瓦斯壓力條件下瓦斯抽采結束后煤層溫度平均下降量分別為 8.5 ℃、11.5 ℃、13.3 ℃和 14.8 ℃，同樣表現為吸附瓦斯壓力越大，抽采結束后煤層溫度平均下降量越大。進一步擬合發現，隨著煤層吸附瓦斯壓力的增大，抽采結束后煤層溫度平均下降量呈對數形式增加。

　　2.4 瓦斯抽采流量和累積抽采量動態演化

　　圖 7 為不同瓦斯壓力條件下瓦斯抽采流量 q 和累積抽采量 Q 對比，在抽采初期，瓦斯抽采流量迅速達到峰值后開始快速下降，抽采中后期平穩降低，與此同時，累積抽采量先快速上升，而后緩慢增加;0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 吸附瓦斯壓力條件下抽采流量峰值分別為 103.61 L/min、177.57 L/min、342.09 L/min 和 419.40 L/min，抽采結束后分別下降至 0.93 L/min、1.23 L/min、1.25 L/min 和 1.40 L/min，即煤層吸附瓦斯壓力越大，抽采流量越大;同樣，累計抽采量也隨著吸附瓦斯壓力的增加而增大，抽采結束后對應累積抽采量分別為 1536.55 L、 2385.62 L、2918.47 L 和 3393.61 L，如圖 7(b) 所示。一方面，當煤層吸附瓦斯壓力由 2.0 MPa 分別降至 1.5 MPa、1.0 MPa 和 0.5 MPa 時，累積抽采量分別減少了 475 L、1008 L 和 1857 L;另一方面當煤層瓦斯壓力分別以 0.5 MPa 梯度遞增時，累積抽采量在前者基礎上分別增加了 55.3%、22.3%和 16.3%。綜合可得，煤層吸附瓦斯壓力越高，累積抽采量越大，但是累積抽采量的增加速率隨著煤層瓦斯壓力的增加而減小。通過擬合發現，煤層吸附瓦斯量 Q0 和累積抽采量 Q 與煤層吸附瓦斯壓力的關系均符合 Langmuir 吸附方程，如圖 7(c)所示。因此，可根據低瓦斯煤層累積抽采量分析高瓦斯煤層累積抽采量，即基于淺部低瓦斯煤層抽采效果預測深部高瓦斯煤層抽采效果。

　　綜上可知，煤層吸附瓦斯壓力對于瓦斯抽采的影響主要表現為：隨著煤層瓦斯壓力的增大，煤層吸附瓦斯量增加，抽采鉆孔內外壓力梯度增大，然而受煤基質收縮效應影響，煤體滲透率恢復速度減緩，抽采結束后煤層溫度下降量呈對數式增長，瓦斯累積抽采量呈 Langmuir 式增加，即累積抽采量的增加速度逐漸降低。

　　3 結 論

　　(1)煤層瓦斯抽采中，解吸氣體通過煤層孔裂隙運移至抽采鉆孔并排出，氣體總是沿著距鉆孔較近路徑方向運移，運移路徑一旦形成，則基本保持不變，但是隨著煤層瓦斯壓力下降，瓦斯壓力梯度減小，運移速度下降。同時，瓦斯壓力等壓線近似以鉆孔為中心呈現圓環形分布，且由于疊加效應多個鉆孔抽采時相鄰等壓線會相互融合，加速了瓦斯壓力的下降。

　　(2)煤層滲透率受有效應力效應和基質收縮效應共同影響，在不同階段其主導地位不同。當吸附瓦斯壓力小于 1.0 MPa 時，煤層滲透率整體持續上升，最終大于初始滲透率。當吸附瓦斯壓力大于或等于 1.0 MPa 時，煤層滲透率先下降后上升，最終小于初始滲透率;表明，煤層吸附瓦斯壓力越低，有效應力效應影響程度越小，而基質收縮效應越明顯，對于低瓦斯壓力煤層，滲透率更易發生回升。

　　(3)隨著煤層吸附瓦斯壓力的增加，煤層吸附瓦斯量增多，抽采鉆孔內外壓力梯度增大，然而受煤基質收縮效應影響，煤體滲透率恢復速度減緩，抽采結束后煤層溫度下降量呈對數式增長，瓦斯累積抽采量呈 Langmuir 式增加，即累積抽采流的增加速率隨著煤層瓦斯壓力的增加而減小。基于上述規律，可根據淺部低瓦斯煤層抽采效果預測深部高瓦斯煤層抽采效果。