煤层瓦斯压力对瓦斯抽采效果的影响

　　摘 要：近年来，煤炭资源开采逐渐走向深部，煤层瓦斯压力不断加大。为研究煤层瓦斯压力对瓦斯抽采效果的影响，开展了不同吸附瓦斯压力条件下煤层瓦斯抽采试验，分析了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯压力、渗透率、温度、流量等参数动态演化规律。研究结果表明：瓦斯抽采过程中，解吸瓦斯通过煤层孔裂隙运移至抽采钻孔并排出，其运移路径基本保持不变，但随着煤层瓦斯压力的降低，其运移速度逐渐下降;煤层渗透率受控于有效应力效应和基质收缩效应，当吸附瓦斯压力小于 1.0 MPa 时，煤层渗透率整体持续上升，最终大于初始渗透率。当吸附瓦斯压力大于或等于 1.0 MPa 时，煤层渗透率先下降后上升，最终小于初始渗透率;随着瓦斯压力的增加，瓦斯抽采过程中煤层渗透率恢复速度减缓，瓦斯抽采结束后煤层温度下降量呈对数式增长同时累积抽采量呈 Langmuir 式增加，即累积抽采量增加速度逐渐降低。研究成果可指导深部高瓦斯煤层瓦斯抽采及突出防控。

　　本文源自张超林; 王恩元; 许江; 彭守建， 采矿与安全工程学报 发表时间：2021-07-05

　　关键词：煤层瓦斯抽采;瓦斯压力;煤层温度;抽采效果;物理模拟

　　2020 年，我国煤炭消费量占一次能源消费量的比重依然高达 56.8% [1]。在未来相当长一段时间内，煤炭仍将作为我国最重要的基础能源和工业原料，在经济和社会发展中起到其他资源无法替代的作用。煤层瓦斯(煤层气)是一种由煤生成并以吸附在煤基质颗粒表面的甲烷为主要成分的非常规天然气[2]。国土资源部最新评价表明，我国埋深 2 000 m 以浅的煤层气地质资源量为 30.05×1012 m 3，可采资源量为 12.50×1012 m 3，开采潜力巨大[3]。煤层瓦斯同时还是威胁煤矿安全生产的“第一杀手”，2020 年全国共发生煤矿事故 123 起、死亡 228 人，其中瓦斯事故 7 起、死亡 30 人[4]。在煤炭资源开采前对煤层瓦斯进行合理抽采，不仅能减少环境污染，还能保障煤矿安全生产，同时获得清洁能源，具有“环境、安全、能源”三重效益[5-6]。

　　然而，我国复杂的资源禀赋条件使得煤层瓦斯抽采面临“抽采难度大、抽采效率低、抽采集中度差”等困难[7]。为此，学者们围绕以上难题开展了大量的研究。程远平等[8]基于微孔填充和单层吸附理论建立了表征煤样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]导出了随孔隙尺寸和孔隙压力变化的动态扩散系数，并建立了考虑渗流-扩散效应的煤层瓦斯流动新模型;尹光志等[11-13]开展了不同应力路径、层理方向和瓦斯压力对含瓦斯煤渗流及力学特性影响规律的实验研究;许江等[14-16]分析了瓦斯抽采过程中煤体变形特征及其影响因素;冯增朝等[17-18]研究了瓦斯抽采过程中煤体有效应力变化规律;彭守建等 [19-20]探讨了瓦斯抽采过程中瓦斯压力和煤层温度的动态响应特征;张超林等[21]分析了钻孔数量对瓦斯抽采量和抽采时间的影响规律;林柏泉 [22]、郝富昌[23]、鲁义[24]等研究了不同条件下有效抽采半径和有效抽采区域变化趋势，以优化抽采钻孔布孔间距;梁冰[25]、王登科[26]、张村[27] 等建立了瓦斯抽采多场耦合模型，数值模拟并分析了瓦斯抽采过程中渗透率动态演化规律。

　　近年来，随着浅部资源逐渐枯竭，煤炭开发不断走向地球深部[28-29]。统计表明，煤层瓦斯压力随着埋深的增加近似呈线性增长[30]。目前关于不同煤层瓦斯压力条件下瓦斯抽采效果的研究较少。鉴于此，本文通过物理模拟手段，开展不同煤层瓦斯压力条件下瓦斯抽采试验，分析瓦斯抽采过程中煤层参数变化规律和抽采流量演化特征及其受瓦斯压力影响作用，为深部煤层瓦斯抽采及煤层防突提供参考和借鉴。

　　1 试验方案及步骤

　　1.1 试验方案

　　瓦斯抽采试验利用重庆大学自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验装置开展。该试验装置主要包括试件箱体、主体承载支架、伺服加载系统、抽采系统以及数控系统[21,31]，可以在室内模拟不同地应力、煤层瓦斯压力、抽采钻孔布置等条件下瓦斯抽采全过程，并能同步监测煤层瓦斯压力、温度等煤层参数及抽采流量，如图 1(a)所示。

　　试件箱体内部尺寸为 1050 mm×400 mm× 400 mm，将取自贵州金佳煤矿的煤样破碎、筛分、搅拌后，装入试件箱进行分层成型，同时在成型过程中安装抽采钻孔及传感器。其中，抽采钻孔、瓦斯压力传感器、温度传感器分别布置 4 个(编号Ⅰ～Ⅳ)、40 个(编号 P1～P40)、14 个(编号 T1～T14)，如图 1(b)所示。垂直抽采钻孔且布置传感器最多的平面(y=250 mm)称为中垂面。

　　1.2 试验步骤

　　目前，我国部分矿井最大采深达到 1500 m，煤层瓦斯压力约为 10.0 MPa[30]，结合相似模拟常数为5 [32]，本文共开展4次瓦斯抽采模拟试验，煤层瓦斯压力分别为 0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa，地应力设为 4.0 MPa 静水压力。同时为确保试验安全以二氧化碳代替甲烷开展试验。具体试验步骤如下：

　　1)型煤制备：型煤共分 4 层成型，每次成型均在 7.5 MPa 压力条件下保压 1 h;

　　2)抽真空脱气：型煤成型后进行箱体密封性测试，然后抽真空 2 h;

　　3)充气吸附：首先启动应力加载，然后打开气瓶开始充气，吸附时间约 48 h;

　　4)瓦斯抽采：吸附平衡后，关闭进气口阀门并打开出气口阀门，开始抽采;

　　5)抽采结束后改变条件开展下一次试验。

　　2 试验结果及分析

　　2.1 煤层瓦斯压力及瓦斯流场分布

　　以瓦斯压力测点1和2为例分析瓦斯抽采过程中瓦斯压力演化，如图 2 所示。抽采 6 h，P1 分别从 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，且始终保持煤层吸附瓦斯压力越小，抽采过程中同一测点对应瓦斯压力越小。根据《防治煤与瓦斯突出细则》，煤层残余瓦斯压力降至 0.74 MPa 即可实现消突[33]，结合相似模拟常数为 5，以 0.148 MPa 为消突临界值对比不同条件下测点 1 实现消突快慢。由图可知，吸附瓦斯压力 0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 条件下分别抽采 49 min、66 min、79 min 和 93 min 即可实现测点 1 的消突。

　　为定量表征煤层瓦斯压力下降快慢，以瓦斯抽采 t 时刻瓦斯压力下降量(△P，吸附瓦斯压力 P0 与残余瓦斯压力 Pt差值)与吸附瓦斯压力比值，定义瓦斯压力下降率 DP，即： 0 0 0 1 0 0 % 1 0 0 % t P P P P D P P      式(1)

　　4 次试验抽采 1 h 后 DP1 分别达到 74.3%、 84.1%、87.7%和 89.5%，抽采 5 h 后分别为 95.0%、96.7%、97.4%和 97.6%，可见，煤层瓦斯压力的下降先快后慢，且随着吸附瓦斯压力的增大而加快。瓦斯压力测点 2 演化趋势与测点 1 类似，不同之处在于：测点 2 达到消突时间分别为 38 min、54 min、68 min 和 78 min，抽采结束后的瓦斯压力下降率分别为 95.8%、97.3%、 97.8%和 98.0%，即测点 2 对应瓦斯压力下降更快、消突用时更短。测点 1 和测点 2 距抽采钻孔距离分别为 160 mm 和 80 mm，表明不同测点距抽采钻孔越近，对应瓦斯压力下降越迅速。其余测点对应瓦斯压力演化规律类似，不再赘述。

　　图 3 为不同吸附瓦斯压力抽采过程中垂直钻孔的中垂面瓦斯流场图，4 个红色圆圈分别表示 4 个抽采钻孔投影。由图 3(a)可知抽采 10 min瓦斯压力等压线近似以钻孔为中心呈现圆环形分布，等压值由内向外分别为 0.2 MPa 和 0.3 MPa，即越靠近钻孔区域，等压值越小。矢量箭头方向均径向指向钻孔，越靠近钻孔其长度越长，表明抽采过程中，气体从煤层向钻孔流动，且钻孔附近气体运移速度较大;对比图 3(b)中抽采 20 min 瓦斯流场图可知，等压线形状几乎保持不变，而相同位置等压值则分别降低为 0.1 MPa 和 0.2 MPa，同时矢量箭头方向也基本保持不变，其长度出现一定程度的减小，表明在瓦斯抽采过程中，解吸气体通过煤层孔裂隙运移至抽采钻孔并排出，且气体总是沿着距钻孔较近路径方向运移，运移路径一旦形成，则基本保持不变，但是随着抽采的持续进行，煤层瓦斯压力下降，导致压力梯度减小，运移速度下降。

　　对比图 3(a)和图 3(c)-(e)可知，不同吸附瓦斯压力条件下抽采 10 min，中垂面瓦斯流场分布规律相似，只是外侧等压值分别从 0.3 MPa 增加至 0.4 MPa、0.55 MPa、0.67 MPa，表明吸附瓦斯压力的增加基本不改变瓦斯流场分布形态，改变的是相同位置处等压线对应瓦斯压力大小。进一步对比图 3(a)和图 3(e)发现，在瓦斯抽采到某一时刻，相邻钻孔周围的等压线会发生融合现象，表明此时多个钻孔抽采瓦斯产生叠加效应 [34]，煤层瓦斯运移通道增大，抽采效果优于单一钻孔抽采。

　　2.2 煤层渗透率时空演化规律

　　选取基于三轴应力条件并同时考虑有效应力和基质收缩效应的渗透率模型计算煤层中不同测点相对渗透率[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 分别为煤层渗透率和初始渗透率， mD;Cf 为裂隙压缩系数，MPa-1 ;f 为基质内向膨胀变形率;E 为弹性模量，MPa;v 为泊松比; ε S max 为基质最大膨胀应变，%;pε为基质吸附变形压力，MPa。

　　图 4(a)对比了吸附瓦斯压力 0.5 MPa 条件下垂直抽采钻孔的 5 个测点相对渗透率演化曲线，距抽采钻孔最近的测点 5 渗透率随着抽采的进行逐渐增加，而距抽采钻孔较远的 4 个测点渗透率分别随着抽采先下降后上升。当吸附瓦斯压力增加至 1.0 MPa 时，5 个测点渗透率均表现为先降后升的变化规律。但无论煤层吸附瓦斯压力大小，距钻孔越近的测点渗透率总是最先下降至最低点，同时最早开始回升。降压抽采中煤层渗透率演化的影响因素主要有两个方面，一方面是随着煤层瓦斯的抽采，游离气体逐渐排出，吸附气体开始解吸，导致煤层瓦斯压力下降，在外部总应力保持不变的条件下，瓦斯压力的降低意味着有效应力的增加，而有效应力的增加会压缩煤层内部孔裂隙，导致气体运移通道的减小甚至部分闭合，表现为煤层渗透率的降低，不利于瓦斯抽采;另一方面，煤基质表面由于吸附气体解吸而发生基质收缩现象，间接增大了气体运移通道，使得煤层渗透率上升，有利于瓦斯抽采。以上两种因素，在瓦斯抽采不同阶段表现出不同的影响程度，且相互竞争，共同决定煤层渗透率，最终影响瓦斯抽采效果。由此可知，对于 0.5 MPa 吸附瓦斯压力条件，测点 5 处煤基质收缩效应引起的正效应大于有效应力导致的负效应，使得渗透率呈现持续上升的趋势，而对于其余测点，在抽采前期有效应力占据主导地位，而后两种作用达到平衡，最后基质收缩效应占据主导作用，渗透率总体表现为先下降后上升的趋势。当煤层吸附瓦斯压力继续增加时，所有测点在抽采前期均是有效应力占据主导地位。

　　图 4(c)-(d)对比了不同吸附瓦斯压力条件下同一测点相对渗透率，演化趋势大致分为两类，一类表现为渗透率直接上升或略微下降后立即上升为特征，且抽采结束时，煤层渗透率大于初始渗透率，以吸附瓦斯压力 0.5 MPa 为代表;另一类则表现为渗透率出现较大幅度下降，且抽采结束后煤层渗透率小于初始渗透率，以吸附瓦斯压力大于或等于 1.0 MPa 为代表。以测点 1 为例进行说明，吸附瓦斯压力由小至大对应相对渗透率分别在 6.7 min、16.9 min、23.0 min 和 28.0 min 下降至最低，分别为 99.7%、92.47%、84.6%和 73.21%，抽采结束时，分别回升至 101.98%、 96.33%、86.38%和 74.66%。可知，随着吸附瓦斯压力的降低，煤层渗透率更早发生回升，且随着抽采的进行，渗透率更易大于初始渗透率。表明，煤层吸附瓦斯压力越低，有效应力效应影响程度越小，而基质收缩效应越明显，因此对于低瓦斯压力煤层，渗透率更易发生回升。

　　图 5 进一步绘制了不同吸附瓦斯压力条件下抽采不同时刻中垂面相对渗透率分布图。由图 5(a)-(b)可知，相对渗透率等值线和瓦斯压力等压线分布形状类似，均以 4 个抽采钻孔为中心呈现圆环形分布，不同的是越靠近抽采钻孔瓦斯压力越低，而渗透率反而越高。如抽采 10 min，Ⅰ 号钻孔最内侧相对渗透率等值线为 1.005，第二圈等值线为 1。抽采 50 min，Ⅰ号钻孔最内侧相对渗透率等值线为 1.015，第二圈等值线为 1.01，说明渗透率随着抽采的进行逐渐增加，并始终保持靠近钻孔区域渗透率较大，抽采之后短期内渗透率即出现反弹，因此选取的 10 min 和 50 min 时刻均为渗透率回升阶段。图 5(c)-(d)绘制了吸附瓦斯压力 1.0 MPa 条件下中垂面相对渗透率分布图，分布特征和 0.5 MPa 条件下相似，但是其相对渗透率始终小于 1，表明煤层吸附瓦斯压力越高，渗透率反弹越不明显。

　　2.3 煤层温度变化特征

　　图 6(a)对比了吸附瓦斯压力 0.5 MPa 条件下瓦斯抽采过程中垂直钻孔的 7 个测点温度演化曲线，其中测点 1、7、12 和 14 分别位于 4 个抽采钻孔附近，测点 2、11、13 则位于相邻抽采钻孔之间。由于瓦斯解吸是一个吸热过程[19]，瓦斯抽采过程中煤体温度逐渐下降。抽采钻孔附近测点瓦斯压力梯度较大、瓦斯解吸速率较快导致煤层温度下降速度较快，随着瓦斯解吸、扩散、渗流的不断进行，瓦斯压力梯度减小使瓦斯解吸速率降低，煤层温度下降速度变缓。而远离抽采钻孔的测点温度下降速度始终相对较慢。以测点 14 和测点 2 为例，抽采 1 h 后测点 14 温度下降量为 7.2 ℃，占抽采 5 h 温度下降总量 9.1 ℃的 79.1%，而测点2抽采1 h后温度下降量为4.5 ℃，占抽采 5 h 温度下降总量 8.3 ℃的 54.2%。图 6(b)-(c)对比了不同吸附瓦斯压力条件下同一测点温度演化曲线，抽采结束后测点 1 温度下降量分别为 8.3 ℃、10.4 ℃、13.0 ℃和 14.3 ℃，测点 2 温度下降量分别为 8.3 ℃、11.1 ℃、12.9 ℃和 14.8 ℃，可见随着煤层吸附瓦斯压力的增加，无论温度测点距离抽采钻孔远近，同一测点温度下降量均随着吸附瓦斯压力的增加而增大。

　　为定量分析瓦斯抽采结束后煤层温度变化量与煤层吸附瓦斯压力之间的关系，以抽采结束后垂直钻孔的 7 个测点(测点 1、2、7、11、12、 13 和 14)温度下降量平均值表征整个煤层温度平均下降量，如图 6(d)所示。计算得出 0.5 MPa、 1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 吸附瓦斯压力条件下瓦斯抽采结束后煤层温度平均下降量分别为 8.5 ℃、11.5 ℃、13.3 ℃和 14.8 ℃，同样表现为吸附瓦斯压力越大，抽采结束后煤层温度平均下降量越大。进一步拟合发现，随着煤层吸附瓦斯压力的增大，抽采结束后煤层温度平均下降量呈对数形式增加。

　　2.4 瓦斯抽采流量和累积抽采量动态演化

　　图 7 为不同瓦斯压力条件下瓦斯抽采流量 q 和累积抽采量 Q 对比，在抽采初期，瓦斯抽采流量迅速达到峰值后开始快速下降，抽采中后期平稳降低，与此同时，累积抽采量先快速上升，而后缓慢增加;0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 吸附瓦斯压力条件下抽采流量峰值分别为 103.61 L/min、177.57 L/min、342.09 L/min 和 419.40 L/min，抽采结束后分别下降至 0.93 L/min、1.23 L/min、1.25 L/min 和 1.40 L/min，即煤层吸附瓦斯压力越大，抽采流量越大;同样，累计抽采量也随着吸附瓦斯压力的增加而增大，抽采结束后对应累积抽采量分别为 1536.55 L、 2385.62 L、2918.47 L 和 3393.61 L，如图 7(b) 所示。一方面，当煤层吸附瓦斯压力由 2.0 MPa 分别降至 1.5 MPa、1.0 MPa 和 0.5 MPa 时，累积抽采量分别减少了 475 L、1008 L 和 1857 L;另一方面当煤层瓦斯压力分别以 0.5 MPa 梯度递增时，累积抽采量在前者基础上分别增加了 55.3%、22.3%和 16.3%。综合可得，煤层吸附瓦斯压力越高，累积抽采量越大，但是累积抽采量的增加速率随着煤层瓦斯压力的增加而减小。通过拟合发现，煤层吸附瓦斯量 Q0 和累积抽采量 Q 与煤层吸附瓦斯压力的关系均符合 Langmuir 吸附方程，如图 7(c)所示。因此，可根据低瓦斯煤层累积抽采量分析高瓦斯煤层累积抽采量，即基于浅部低瓦斯煤层抽采效果预测深部高瓦斯煤层抽采效果。

　　综上可知，煤层吸附瓦斯压力对于瓦斯抽采的影响主要表现为：随着煤层瓦斯压力的增大，煤层吸附瓦斯量增加，抽采钻孔内外压力梯度增大，然而受煤基质收缩效应影响，煤体渗透率恢复速度减缓，抽采结束后煤层温度下降量呈对数式增长，瓦斯累积抽采量呈 Langmuir 式增加，即累积抽采量的增加速度逐渐降低。

　　3 结 论

　　(1)煤层瓦斯抽采中，解吸气体通过煤层孔裂隙运移至抽采钻孔并排出，气体总是沿着距钻孔较近路径方向运移，运移路径一旦形成，则基本保持不变，但是随着煤层瓦斯压力下降，瓦斯压力梯度减小，运移速度下降。同时，瓦斯压力等压线近似以钻孔为中心呈现圆环形分布，且由于叠加效应多个钻孔抽采时相邻等压线会相互融合，加速了瓦斯压力的下降。

　　(2)煤层渗透率受有效应力效应和基质收缩效应共同影响，在不同阶段其主导地位不同。当吸附瓦斯压力小于 1.0 MPa 时，煤层渗透率整体持续上升，最终大于初始渗透率。当吸附瓦斯压力大于或等于 1.0 MPa 时，煤层渗透率先下降后上升，最终小于初始渗透率;表明，煤层吸附瓦斯压力越低，有效应力效应影响程度越小，而基质收缩效应越明显，对于低瓦斯压力煤层，渗透率更易发生回升。

　　(3)随着煤层吸附瓦斯压力的增加，煤层吸附瓦斯量增多，抽采钻孔内外压力梯度增大，然而受煤基质收缩效应影响，煤体渗透率恢复速度减缓，抽采结束后煤层温度下降量呈对数式增长，瓦斯累积抽采量呈 Langmuir 式增加，即累积抽采流的增加速率随着煤层瓦斯压力的增加而减小。基于上述规律，可根据浅部低瓦斯煤层抽采效果预测深部高瓦斯煤层抽采效果。