诸多研究实践证明瓦斯的抽采利用, 不仅可以降低常规能源的使用比例, 缓减环境污染, 以此同时还可以降低煤层瓦斯含量, 增加煤矿生产安全性^[1-5]。因此, 在煤层瓦斯抽采中分析其运移规律有着重要意义。

掌握煤层瓦斯运移规律是进行煤与瓦斯安全共采的重要前提, 研究抽采中的气压和流量演化则是掌握煤层瓦斯运移的基础, 为研究其演化规律国内外学者进行了一系列研究^[6-14], 取得了丰硕成果。田靖安等^[15]结合煤层瓦斯压力计算理论公式与安全线预测煤层瓦斯压力方法, 得到煤层瓦斯压力分布规律; 尹光志等^[16]基于工作面煤层支承应力与瓦斯抽采流量的相互关系, 构建了瓦斯抽采流量的负指数表达式; 秦跃平等^[17]采用朗格缪尔方程与抛物线方程表示瓦斯含量, 建立了两种煤层瓦斯单向流动数学模型来定量分析煤层瓦斯流动模型简化求解所引起的误差; 周睿等^[18]基于质量守恒定律、达西定律以及径向流场瓦斯的渗流方式, 得出穿层钻孔瓦斯流量的衰减函数和衰减曲线; 岑培山等^[19]研究了松软不稳定煤层顺层钻孔瓦斯流量衰减特征。在物理模拟试验方面, 陈金刚等^[20]基于现代测试技术和煤层气井实测排采数据, 探讨了开采中煤储层渗透率动态变化效应; 马波等^[21]研究了抽采长度对瓦斯压力分布的影响, 总结出不同抽采长度条件下的瓦斯压力分布及消突区域变化规律; 袁梅等^[22]开展了不同抽采条件煤体瓦斯流量物理模拟试验, 得到瓦斯流量与降压抽采之间的关系; 王维忠等^[23]开展了不同钻孔位置条件下的煤层瓦斯抽采物理模拟试验, 以探究瓦斯抽采中的流动特性及钻孔位置的影响规律和作用机制。

目前, 已有不少学者针对煤层瓦斯抽采中瓦斯运移规律展开研究, 但其主要以小试件煤样、数值模拟或垂直钻孔物理模拟来探讨^[24-25]。基于此, 笔者在前人研究的基础上利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟实验系统, 开展了不同地应力水平下顺层平行钻孔抽采瓦斯的大型物理模拟实验, 分析瓦斯抽采中气压时空演化、地应力敏感性和瓦斯流量演化, 以期为深入研究瓦斯抽采作用机制提供理论支撑。

实验装置见图 1, 主要包括^[26]主体承载支架、试件箱、伺服加载系统、侧向多管开采系统和控制与数据采集系统等, 试件箱从上、右和后三向设有导向法兰套和压杆, 可实现对试件箱内部煤岩的三向四级应力加载, 为更真实地模拟煤层瓦斯来源, 将实验系统的进气气道通至箱体底部, 底部呈网格型, 传统的管道"点充气"变为"面充气", 开采系统内装有流量计, 考虑到瓦斯流量在实验前后期的变化范围大, 为使流量计精度满足实验要求, 减小误差, 以大(0~200 L/min)、小(0~10 L/min)量程流量计并联的方式监测流量动态变化, 2个气体流量计组成一个气体流量监测组直接连接于出气端, 且每个出气端连接一组流量计。

图 1(Fig. 1)

图 1 多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统 Fig. 1 Multi-field coupling testing system for dynamic disaster in coal mine

本实验设计侧向多管同时抽采(见图 2(a))。定义垂直yOz平面为断面, 共4个断面, 沿z轴减小的方向依次为D₁(z=925 mm)、D₂(z=645 mm)、D₃(z=395 mm)、D₄(z=141 mm)断面, 在D₁、D₂、D₃、D₄的中部(x=200 mm)分别布置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ钻孔, 钻孔内连接有抽采管, 抽采管包括两段:抽采段和连接段, 连接段可使得抽采段能够随着煤体的移动而移动, 从而避免抽采管受力折断, 抽采管长度为330 mm, 而抽采段为160 mm(z:170~330), 外径为18 mm, 内径为6.4 mm, 抽采管所在直线平行于y轴, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ抽采管与箱体连接处的圆心坐标依次为(200, 0, 925)、(200, 0, 645), (200, 0, 395), (200, 0, 141), 每根抽采管路外都连接有流量计来监测流量动态变化。图 2(b)为气压传感器三维空间布置示意图, 图中的彩色圆点皆为煤层内部气压测点, 传感器布置原则主要是围绕抽采管布置, 在平行、垂直抽采管方向布置, 为了后续清晰对比分析不同抽采管附近的气压演化规律, 则以不同颜色表示不同抽采管附近的气压传感器。

图 2(Fig. 2)

图 2 抽采管及气压传感布置示意图 Fig. 2 Pumping pipe and pressure sensing layout

本次实验所选用的煤样取自金佳煤矿, 试件的制作步骤及实验过程参考文献[21]。本次实验分3组, 对应3组地应力水平。第一组实验, σ₁=σ₂=σ₃=2 MPa; 第二组实验, σ₁=σ₂=σ₃=4 MPa; 第三组实验, σ₁=σ₂=σ₃=6 MPa。3组实验的瓦斯吸附解吸平衡气压均为1 MPa(即煤层内部各点气体压力均达到1 MPa), 型煤含水率为6%, 由于实验箱体较大, 出于安全考虑, 实验中以CO₂代替CH₄, 当瓦斯吸附解吸平衡气压至1 MPa时, 关闭气源阀门, 即实验抽采过程中无气源补充, 抽采负压为大气压。

图 3为瓦斯抽采过程中气压随时间的变化曲线, 其中图 3(a)为2 MPa条件的3个测点随时间的演化曲线, 0时刻为瓦斯抽采开始时刻, 即此时瓦斯从1 MPa开始解吸, 抽采6 h后本次试验结束, 从3个测点随时间的变化曲线可以发现:当瓦斯抽采开始后, 气压下降迅速, 而后下降较慢并趋于平缓, 当抽采进行10 min时, P3、P5和P6测点气压已分别降为初始气压的66%、84%和75%;当抽采至6 h, P3、P5和P6测点气压都已趋近大气压。为探究2, 4, 6 MPa地应力条件下气压随时间的演化规律是否相同, 作者选取各级地应力条件下的部分测点随时间变化曲线绘制于图 3(b)、(c)、(d)中, 不难发现4 MPa和6 MPa地应力条件下气压随时间的演化规律均符合以上规律, 即瓦斯抽采中, 各测点气压随时间的演化规律基本相同。分析认为:由于本次实验设计4个钻孔同时抽采, 当抽采开始时, 抽采钻孔与大气连通, 即钻孔内气压为大气压, 造成钻孔与煤层形成较大气压差, 致使煤层内瓦斯开始解吸、扩散和渗流, 游离瓦斯增多, 流速较快, 气压下降迅速, 随着瓦斯抽采的不断进行, 煤层瓦斯含量减少, 气压差渐渐缩小, 瓦斯流速减缓, 气压下降就趋于平缓。

图 3(Fig. 3)

图 3 瓦斯抽采中气压随时间的变化曲线 Fig. 3 Curves of pressure changing with time during gas drainage

为便于反映瓦斯抽采中气压的空间演化规律, 笔者将坐标值作为自变量, 气压值作为因变量, 绘制气压随坐标值的变化曲线, 图中的小矩形框表示抽采管, 黄色段表示抽采管的连接段, 绿色段表示抽采管的抽采段, 黄色圆框为抽采管端面, 如图 4所示。图 4(a)为第二断面沿x轴方向的5个测点, P8、P7、P5、P2和P1的y、z值均相同, x值依次增加, 图中呈现出:在0时刻, 各测点气压皆为1 MPa, 抽采至0.5, 5, 15, 60 min时刻, 且在区间40 mm＜x＜120 mm和280 mm＜x＜360 mm内气压下降幅度相对较小, 而在区间120 mm＜x＜280 mm内, 气压变化较为显著, 下降幅度相对较大; 抽采至180 min时刻, 各测点气压变化差异较小, 曲线趋于平缓, 这是因为抽采管位于x=200 mm平面, 离抽采管近, 气压下降较快, 离抽采管远, 气压下降较慢, 所以第二断面沿x轴方向的气压值变化近似地关于直线x=200 mm对称。图 4(b)为第二断面沿y轴方向的4个测点, P3、P4、P5和P6的x、z值均相同, y值依次增加。从图中可以看出:在0时刻, 各测点气压皆为1 MPa, 抽采至0.5, 5, 15, 60 min时刻, 且在区间145 mm＜y＜360 mm内气压空间变化差异较大, 而在区间40 mm＜y＜145 mm内, 气压空间变化差异不显著; 抽采至180 min时刻, 各测点气压变化基本一致, 曲线近于平行y轴, 这是由于抽采管布置在区间0 mm＜y＜330 mm内, 而抽采管的连接段在区间0 mm＜y＜170 mm, 抽采管的抽采段在区间170 mm＜y＜330 mm, 离抽采段近, 气压下降较快, 离抽采段远, 气压下降较慢, 所以在145 mm＜y＜360 mm内, 第二断面沿y轴方向的气压值变化近似地关于直线y=250 mm对称。图 4(c)为第二断面沿z轴方向的气压空间变化, 其变化规律与(a)、(b)规律较为相似, 将不再赘述。

图 4(Fig. 4)

图 4 断面气压随坐标值的变化曲线 Fig. 4 Curves of section pressure changing with coordinate values

图 5为主纵面上部分测点的气压值随坐标值的变化曲线, 选取了12个测点, P40、P35、P39、P30、P25、P29、P20、P15、P19、P10、P5、P9只有z值不同, 依次为40, 152, 221, 315, 406, 475, 565, 656, 725, 845, 936, 1 010 mm。从图 5中不难发现:主纵面气压随坐标值的变化规律与断面有相似之处, 同样地在0时刻, 各测点气压皆为1 MPa, 抽采至180 min时刻, 气压随坐标值的变化曲线近似直线, 当抽采至0.5, 5, 15, 60 min时刻, 各测点气压变化幅度较大, 呈波浪形分布, 其中在区间315 mm＜z＜475 mm和565 mm＜z＜725 mm空间差异较为显著, 而在区间40 mm＜z＜221 mm和845 mm＜z＜1 010 mm空间变化次之, 这是因为在z=141, 395, 645, 925 mm处分别布置了抽采管Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ, 而抽采管Ⅲ、Ⅱ可能存在抽采叠加区域, 抽采管Ⅳ、Ⅲ位于边界区域, 可能存在边界效应, 从而致使主纵面中间段气压下降幅度大, 两翼则较小。

图 5(Fig. 5)

图 5 主纵面气压随坐标值的变化曲线 Fig. 5 Curves of the pressure on the main longitudinal surface changing with coordinate values

此节的地应力敏感性分析主要分两部分加以论述, 第一部分是以断面为分析面, 借助三维彩色映射投影图分析地应力对气压演化的影响, 为增强文章论证性, 又以层面作为分析面, 分析地应力对消突区域的影响。

为便于观察抽采中气压的三维空间演化, 作者绘制了气压三维彩色映射投影图, 如图 6所示。图 6(a)、(b)、(c)分别为抽采至1 min断面所对应的2, 4, 6 MPa气压三维空间分布, 图中的x轴、y轴表示气压测点的固定坐标值, z轴为气压的动态变化值, xy平面为上方气压动态变化投影图, 图中不同的颜色表示不同的气压区间。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同地应力下的气压三维空间分布 Fig. 6 Three-dimensional spatial distribution of atmospheric pressure under different ground stresses

地应力为2 MPa, 瓦斯抽采至1 min, 断面气压演化近似呈三维漏斗状, 漏斗顶的投影点在抽采段的中点, 漏斗高度为此断面内的最大气压梯度, 从漏斗面的颜色区间可知, 从上到下, 气压梯度逐渐减小, 曲面向内收缩。观察投影图可知, 漏斗的投影面是一个对称的平面, 对称轴为x=200 mm, 表明漏斗关于抽采管对称, 平面由内向外, 气压梯度依次增大, 向外扩张, 即离抽采管越远, 气压越大。当地应力为4 MPa, 同样抽采至1 min, 气压演化同样有上述规律, 但以地应力为2 MPa相比, 漏斗高度增大, 出现了较大气压(1 MPa＞p＞0.85 MPa)区间, 且同一气压值的区间投影面积减小。当地应力增加到6 MPa时, 和2 MPa、4 MPa相比, 漏斗高度更高, 同一气压值的区间投影面积更小。综上, 煤层瓦斯抽采过程中, 在相同实验条件下, 同一时刻, 断面气压演化呈漏斗状, 地应力越小, 压降漏斗扩张越大, 漏斗高度越小, 煤储层压降漏斗传播越远, 瓦斯解吸越充分, 瓦斯有效解吸面积越大, 气压影响范围更远。

抽采半径是煤层瓦斯抽采中需确定的一个重要参数, 确定抽采半径的方法有多种, 以残余气体压力为初始气压的49%来确定抽采半径^[27], 即为0.49 MPa, 气压小于此值的区域可认为消除突出危险。由于不同分析面的规律有相似性, 作者仅以主层面为例展开分析。以地应力2 MPa的主层面为例, 首先借助Matlab中的griddata函数对主层面内的36个测点数据给予插值, 然后用contour函数将不同时刻的有效抽采气压值(0.49 MPa)的等压线绘制于图中, 即可得到最终的不同时刻消除突出危险区域图。图中外围矩形圈住区域为抽采监测区, 各种颜色的闭合曲线表示不同时刻有效抽采气压值的等压线, 小矩形框表示抽采管, 黄色段表示抽采管的连接段, 绿色段表示抽采管的抽采段, 沿z轴减小方向, 分别是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ抽采管。

由图 7中消突曲线随时间演化规律发现, 瓦斯抽采一定时间后就会出现突出危险性消除区域, 且近似围绕抽采管呈对称分布。2 MPa条件下, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ抽采管抽采0.5 min后, 监测区域出现较小消突区域, Ⅳ抽采管抽采至1 min后同样出现一个较小的一个消突区域, 随着抽采时间的延长, 其消突范围在逐渐扩张, 抽采4 min后开始出现较大的消突区域。4 MPa条件下, 抽采0.5 min后Ⅱ、Ⅲ抽采管出现较小消突区域, 1 min后Ⅰ、Ⅳ同样出现较小消突区域, 同样地随着抽采时间的延长, 其消突范围在逐渐增大, 其中抽采至4 min时Ⅱ、Ⅲ抽采管的消突曲线连接成了一个整体, 形成了一个较大的消突区域, 与2 MPa条件相比, 同一时刻的消突区域较小, 有效抽采区域缩小幅度较明显。地应力为6 MPa时, 其消突曲线随时间的变化比较均匀, 但与2 MPa、4 MPa相比, 同一时刻的消突区域更小, 有效抽采区域缩小幅度更明显。综上所述, 平行钻孔瓦斯抽采时, 相同条件下, 同一时刻中间相连抽采管出现的消突区域较大, 两侧抽采管的较小, 这是由于中间相连抽采管可能存在抽采叠加区域, 而两侧抽采管可能受到边界效应的影响, 这与前文分析结果较为一致, 其次, 随着地应力的增大, 消除突出危险性区域在缩小, 分析认为:这是由于当地应力增加时, 煤体的孔隙介质将会受到压缩, 致使孔隙和裂隙收缩甚至闭合, 从而使煤层的渗透率降低, 瓦斯解吸减缓, 气压下降速度变慢, 瓦斯流速减小^[28]。

图 7(Fig. 7)

图 7 不同时刻消除突出危险区域 Fig. 7 Elimination of outburst hazardous areas at different times

结合不同地应力条件下的气压三维彩色映射投影图与消突区域随时间变化规律可知:在瓦斯抽采过程中, 地应力是影响瓦斯运移的重要因素, 表现为地应力越小, 压降漏斗扩展范围越大, 漏斗高度越小, 表明瓦斯解吸越较为充分, 压降漏斗传播越远; 同时, 地应力还将影响消突曲线的演化规律, 表现为地应力越大, 消突区域越小, 而随着地应力的减小, 消突区域逐渐增大。

图 8为不同抽采钻孔瞬时流量随时间的变化曲线。图中的q₁、q₂、q₃、q₄分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ钻孔煤层瓦斯抽采中的瞬时流量。其中, 图 8(a)是2 MPa地应力水平下不同钻孔瓦斯瞬时流量, 可以看出, 4个钻孔同时抽采时, 各钻孔瞬时流量变化趋势基本一致, 曲线近似重合。变化趋势皆可分为3个阶段:急速升高阶段、快速衰减阶段和极限抽采阶段; 急速升高阶段为第一阶段, 处于抽采初期(0~120 min), 持续时间极短, 大约1 min; 快速衰减阶段为第二阶段, 主要集中在抽采中期(120~240 min), 持续约45 min; 极限抽采阶段为第三阶段, 处于抽采后期(240~360 min), 持续时间相对前两阶段较长, 直至抽采结束; 结合图 8(b)和(c)分析可知, 4 MPa、6 MPa地应力水平下不同钻孔瓦斯瞬时流量随时间的变化曲线同样表现出以上规律。分析认为:当抽采开始时, 大量吸附在煤体中的瓦斯解吸, 煤体瓦斯在气压差(箱体内密封的气压与箱体外的大气压之差)驱使下形成较高的瓦斯压力梯度, 压力梯度越大, 流量越大(急速升高阶段); 由于瓦斯源有限及受卸压半径影响, 在压差持续作用下钻孔周围卸压区域内煤体瓦斯压力梯度开始下降, 导致流量急剧下降(快速衰减阶段), 当瓦斯抽采量达到极限时, 煤体气压已缓慢降低接近大气压, 此时钻孔瓦斯流量维持在较低值(极限抽采阶段)。

图 8(Fig. 8)

图 8 不同抽采钻孔瞬时流量随时间的变化曲线 Fig. 8 Curves of instantaneous flow rate changing with time for different pumping holes

为方便探讨瓦斯抽采中地应力对瞬时、累积流量的影响, 将不同地应力条件下同一钻孔瞬时、累积流量随时间变化曲线绘制在同一图中, 见图 9。此外, 为能清晰对比地应力对瓦斯瞬时流量的影响, 作者进行局部放大处理, 如图 9中红色虚线区域所示。图 9中q₁-2 MPa、Q₁-2 MPa定义为2 MPa地应力水平下Ⅰ钻孔的瞬时、累积流量, 其他不同地应力水平下的钻孔瞬时、累积流量表示方法与此相同。图 9(a)为钻孔Ⅰ在3组地应力水平下瓦斯抽采中瞬时流量随时间的变化曲线, 不难发现, 尽管地应力不同, 但是瞬时流量随时间变化曲线基本一致, 不同在于:在相同试验条件下, 随着地应力的增加, 瞬时流量最大值在减小, 瞬时流量下降速率在减小, 2 MPa、4 MPa和6 MPa地应力水平下的瓦斯瞬时流量最大值分别为87.94 L/min、70.00 L/min和55.10 L/min, 自瞬时流量最大值时刻的后20 min内, 瞬时流量下降幅度分别为91.65%, 89.37%, 87.29%, 累积流量同样表现出相似规律, 各地应力条件下的累积流量随时间变化曲线大致相同, 但最终累积流量有差异, 在相同试验条件不同地应力水平下, 表现为地应力越大, 累积流量越小, 地应力越小, 累积流量越大。结合图 9(b)、(c)、(d)分析, 发现Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ钻孔同样具有以上规律。经分析, 这是因为随着煤层气开采向深部发展, 当煤层瓦斯开始抽采时, 气压开始下降, 有效应力增加, 煤层渗透率降低, 最终致使瓦斯解吸逐渐减缓, 流量降低。

图 9(Fig. 9)

图 9 同一钻孔不同地应力水平下流量随时间的变化曲线 Fig. 9 Curves of the flow rate changing with time under different stress levels of the same borehole

1) 平行钻孔瓦斯抽采, 前期压降曲线斜率变化快, 中、后期曲线斜率变化相对不明显; 相邻抽采管之间瓦斯解吸速率较边界抽采管快, 平行、垂直抽采管方向的气压演化均呈现出任意时刻气压变化值关于抽采管对称, 并且离抽采管抽采段越近, 瓦斯解吸速率越快, 反之, 瓦斯解吸速率越慢, 与距离抽采管连接段远近无关。

2) 以气压三维彩色映射投影和不同时刻消除突出危险区域来判定地应力敏感性。平行钻孔瓦斯抽采中, 随着地应力增加, 瓦斯解吸速率减缓, 压降漏斗收缩变小, 瓦斯有效解吸面积变小; 以残余气压为初始气压的49%判定抽采有效半径, 且地应力对消除突出危险区域出现时间影响差异不明显, 但是随着地应力增加, 消突范围渐缩小。

3) 煤层瓦斯抽采中, 瞬时流量随时间的演化可分为急速升高、快速衰减阶段和极限抽采三个阶段; 急速升高阶段和快速衰减阶段持续时间较短, 处于抽采初期, 极限抽采阶段持续时间较长, 主要处于抽采中、后期; 地应力作为瓦斯瞬时流量的重要影响因素, 随着地应力增大, 瞬时流量峰值减小, 瞬时流量衰减速率减缓, 抽采累积流量变小, 瓦斯抽采效率降低。