不同鉆孔間距對(duì)瓦斯抽采的影響研究

秦 可

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著我國(guó)煤礦開采規(guī)模和開采深度的增加，煤層瓦斯已成為主要的能源，因此瓦斯抽采效果也備受關(guān)注。然而由于我國(guó)地質(zhì)復(fù)雜，瓦斯儲(chǔ)存通常呈現(xiàn)出低飽和度和低儲(chǔ)層壓力的特點(diǎn)，同時(shí)由于我國(guó)瓦斯抽采技術(shù)起步晚，導(dǎo)致瓦斯抽采率低。為解決上述問題，部分學(xué)者探討了不同鉆孔半徑和不同鉆孔布置方式對(duì)瓦斯抽采效果的影響，如馬建等開展不同鉆孔半徑對(duì)瓦斯抽采效果的試驗(yàn)，確定了瓦斯抽采過程中鉆孔最佳半徑及最佳布置方式。但以上研究忽略不同鉆孔間距對(duì)瓦斯抽采效果的影響，而鉆孔間距是影響瓦斯抽采效果的主要因素之一。合理的布置鉆孔可有效提高瓦斯抽采效率，改善瓦斯抽采效果。因此，本研究從鉆孔間距角度出發(fā)，分析不同鉆孔間距對(duì)瓦斯抽采效果的影響，以改善瓦斯抽采效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及煤樣處理

本試驗(yàn)選用多場(chǎng)耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)作為試驗(yàn)裝置。煤樣來自貴州某煤礦。煤樣收集后，首先用顎式破碎機(jī)將煤樣破碎，并用振動(dòng)篩進(jìn)行篩分；然后向篩分后的煤樣中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.8%的石膏和3%的乳白膠充分?jǐn)嚢杈鶆?；最后，在壓力?.5 MPa的5 000 kN的成型機(jī)上保壓1 h成型，得到試驗(yàn)用煤樣。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用均布荷載方式，加載系統(tǒng)為9套液壓加載壓頭，其中荷載的應(yīng)力大小===4.0 MPa；設(shè)置兩孔間距分別為250、504、784 mm，對(duì)應(yīng)II&III鉆孔抽采、II&IV鉆孔抽采、I&IV鉆孔抽采的3組物理模擬瓦斯抽采實(shí)驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案如表1所示，鉆孔布置如圖1所示。

表1 不同鉆孔布置間距試驗(yàn)方案Tab.1 Test scheme of different borehole spacing

圖1 不同鉆孔間距布置示意圖Fig.1 Layout diagram of different borehole spacing

1.3 傳感器布置

本試驗(yàn)在試件內(nèi)部布設(shè)40個(gè)氣體壓力傳感器，14個(gè)溫度傳感器；在箱體進(jìn)氣端布設(shè)1個(gè)氣體壓力傳感器，1個(gè)流量計(jì)；在抽采系統(tǒng)4個(gè)鉆孔出氣端分別布設(shè)1個(gè)氣體壓力傳感器，2個(gè)流量計(jì)；在箱體外部布設(shè)1個(gè)溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度變化。為便于后續(xù)結(jié)果分析，研究采用笛卡爾空間坐標(biāo)[7]將試件箱體轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)圖。其中，試件箱體長(zhǎng)寬高分別對(duì)應(yīng)笛卡爾空間坐標(biāo)的Z軸、Y軸、X軸，坐標(biāo)原點(diǎn)為試件箱體左側(cè)左下角，如圖2所示。

圖2 傳感器布設(shè)三維示意圖Fig.2 3D layout diagram of sensors

圖2中，圓圈表示溫度傳感器，正方形表示氣壓傳感器，三角形表示同時(shí)包含溫度傳感器和氣壓傳感器；實(shí)線段表示連接段，為連接抽采鉆孔與箱體的軟管，虛線段表示抽采段。

1.4 試驗(yàn)步驟

不同鉆孔間距的瓦斯抽采步驟為：

步驟1：將煤樣分批次加入布設(shè)好傳感器的試件箱中，設(shè)定三軸應(yīng)力加載為7.5 MPa，連接試件箱與氣源，并將傳感器連接到電腦；

步驟2：對(duì)煤樣進(jìn)行真空處理后連續(xù)充氣，直到煤樣吸附飽和；

步驟3：依次打開實(shí)驗(yàn)中所預(yù)設(shè)的鉆孔出氣口閥門，并監(jiān)測(cè)、記錄氣壓、溫度、流量傳感器的參數(shù)變化；

步驟4：保存?zhèn)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)后，檢查并關(guān)閉各試驗(yàn)裝置。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鉆孔間距對(duì)瓦斯抽采流量的影響

瓦斯抽采流量是衡量瓦斯抽采效果的重要指標(biāo)，可通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得。為驗(yàn)證不同鉆孔間距對(duì)瓦斯抽采效果的影響，在不同鉆孔間距條件下，測(cè)量3次抽采實(shí)驗(yàn)的累積流量隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，瓦斯抽采時(shí)間內(nèi)，隨著抽采的延長(zhǎng)，瓦斯抽采累積流量呈現(xiàn)前期變化量大，后期變化量小的特點(diǎn)；II&III鉆孔抽采累積流量為2 342 L，I&IV鉆孔抽采累計(jì)流量為2 320 L，II&IV鉆孔抽采累積流量為2 270 L。由此說明，不同鉆孔間距的累計(jì)瓦斯抽采流量集中在2 200～2 400 L之間，且II&III鉆孔瓦斯抽采累積流量最大，即鉆孔間距為250 mm時(shí)，瓦斯抽采累積流量最大。

圖3 不同鉆孔間距瓦斯抽采累計(jì)流量對(duì)比Fig.3 Comparison of cumulative flow of gas drainage with different borehole spacing

為更好地分析不同間距對(duì)瓦斯抽采效果的影響，在II&IV鉆孔條件下，對(duì)鉆孔的瞬時(shí)流量和累積流量分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 II&IV鉆孔條件下瓦斯抽采流量變化Fig.4 Variation of gas drainage flow under II & IV borehole conditions

其中圖4（a）、圖4（b）分別為II&IV鉆孔條件下，II號(hào)鉆孔和IV鉆孔瞬時(shí)流量與累積流量的關(guān)系；圖4（c）為II&IV鉆孔條件下，II、IV號(hào)鉆孔累積流量關(guān)系。由圖4可知，瓦斯抽采時(shí)間內(nèi)，隨著抽采的延長(zhǎng)，瓦斯抽采累積流量呈前期變化量大，后期變化量小的特點(diǎn)，與上述結(jié)果一致；II&IV鉆孔抽采流量為2 270 L，抽采效率為73.88%，II、IV號(hào)鉆孔的瓦斯抽采流量分別為1 181、1 089 L，II號(hào)鉆孔累積流量略大于IV號(hào)鉆孔。

圖5為I&IV鉆孔條件下瓦斯抽采瞬時(shí)流量與累積流量圖。

圖5 I&IV鉆孔條件下瓦斯抽采流量變化Fig.5 Variation of gas drainage flow under I & IV borehole conditions

其中圖5（a）、圖5（b）分別為I號(hào)、IV號(hào)鉆孔瞬時(shí)流量與累積流量關(guān)系，圖5（c）為I號(hào)、IV號(hào)鉆孔累積流量關(guān)系。由圖5可知，相較于II&IV鉆孔累積瓦斯抽采流量，增大鉆孔間距，瓦斯抽采流量提升到2 320 L，抽采效率達(dá)到75.41%。其中，I號(hào)鉆孔瓦斯抽采流量為1 195 L，IV號(hào)鉆孔瓦斯抽采流量為1 125 L；I號(hào)鉆孔瓦斯抽采累積抽采流量略大于IV號(hào)鉆孔。

2.2 不同鉆孔間距對(duì)瓦斯有效抽采范圍的影響

鉆孔有效抽采面積是評(píng)估不同鉆孔間距對(duì)瓦斯抽采效果影響的重要指標(biāo)。研究將箱體主縱面內(nèi)殘余氣壓低于0.49 MPa的區(qū)域視為鉆孔有效抽采范圍，采用MATLAB軟件提取等壓線坐標(biāo)，并利用polyarea函數(shù)計(jì)算II&III鉆孔、II&IV鉆孔、I&IV鉆孔瓦斯有效抽采面積進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同鉆孔間距在t=10 min時(shí)的有效抽采面積Fig.6 Effective extraction area of different borehole spacing when t=10 min

由圖6可知，抽采時(shí)間=10 min時(shí)，II&III鉆孔有效抽采面積為26 455.4 mm，II鉆孔有效抽采面積為16 592 mm，III鉆孔有效抽采面積為9 863.4 mm；II&IV鉆孔有效抽采面積為22 462.6 mm，II鉆孔有效抽采面積為12 986 mm，IV鉆孔有效抽采面積為9 476.6 mm；I&IV鉆孔有效抽采面積為17 730.3 mm，I鉆孔有效抽采面積為7 837.2 mm，IV鉆孔有效抽采面積為9 893.1 mm。由此說明，抽采時(shí)間=10 min時(shí)，II&III鉆孔有效抽采面積最大，即不同鉆孔間距會(huì)影響瓦斯抽采效果，隨著相鄰鉆孔間距增大，有效抽采面積逐漸減小。

為分析不同鉆孔間距下，瓦斯抽采有效面積隨時(shí)間變化，對(duì)II&III鉆孔、II&IV鉆孔、I&IV鉆孔瓦斯有效抽采面積隨時(shí)間變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7（a）可知，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，II鉆孔和III鉆孔的有效面積逐漸增大；當(dāng)抽采時(shí)間=12 min時(shí)，II鉆孔和III鉆孔氣壓值與0.49 MPa等壓線相交，只能計(jì)算II鉆孔和III鉆孔累積抽采面積；當(dāng)抽采時(shí)間=17 min時(shí)，II鉆孔和III鉆孔有效面積增大到箱體邊界位置，Polyarea函數(shù)無法計(jì)算面積，此時(shí)II&III鉆孔有效抽采面積為7 374.9 mm。由圖7（b）可知，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，II鉆孔和IV鉆孔的有效面積逐漸增大；當(dāng)抽采時(shí)間=17 min時(shí)，II&III鉆孔有效抽采面積為48 023 mm；當(dāng)抽采時(shí)間=21 min時(shí)，II鉆孔和III鉆孔有效面積增大到箱體邊界位置，兩孔氣壓值未與0.49 MPa等壓線相交，Polyarea函數(shù)無法計(jì)算面積，II&III鉆孔有效抽采面積為82 018.5 mm。由圖7（c）可知，當(dāng)抽采時(shí)間=6 min時(shí)，I鉆孔開始有效抽采范圍；當(dāng)＞6 min后，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，I鉆孔有效抽采面積逐漸增大；當(dāng)＞13 min后，I鉆孔有效抽采面積超過IV鉆孔；當(dāng)=19 min時(shí)，I鉆孔和IV鉆孔有效抽采面積達(dá)到箱體邊界位置，兩孔氣壓值未與0.49 MPa等壓線相交，Polyarea函數(shù)無法計(jì)算面積。

圖7 不同鉆孔間距有效抽采面積隨時(shí)間變化Fig.7 Variation of effective extraction area of different borehole spacing changing with time

由圖7（d）可知，隨著抽采時(shí)間的增加，3種鉆孔間距的有效抽采面積均逐漸增大，任一相同抽采時(shí)刻下，II&III鉆孔抽采面積最大；當(dāng)＜13 min時(shí)，I&IV鉆孔有效抽采面積最??；當(dāng)＞13 min時(shí)，II&IV鉆孔有效抽采面積最小。由此說明，II&III鉆孔條件下，即相鄰鉆孔間距d=250 mm時(shí)，兩鉆孔的疊加效應(yīng)最強(qiáng)，鉆孔的有效抽采面積最大。

3 結(jié)語

通過上述模擬實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）不同鉆孔間距影響瓦斯抽采流量，當(dāng)相鄰兩個(gè)鉆孔間距為250 mm時(shí)，瓦斯抽采流量最大，為2 342 L，瓦斯抽采效果最好；隨著間距的增大，瓦斯抽采流量逐漸減小，瓦斯抽采效果逐漸降低；

（2）不同鉆孔間距影響瓦斯有效抽采面積，進(jìn)而影響瓦斯抽采效果。相鄰鉆孔間距越大，有效抽采面積越小，瓦斯抽采效果越差；相鄰鉆孔間距越小，有效抽采面積越大，瓦斯抽采效果越好。