瓦斯抽采過程中本煤層及鄰近層儲層參數演化特征

江 成，李奇賢，韓恩德

（1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室，重慶 400044）

瓦斯抽采是預防瓦斯事故和促進瓦斯利用的有效途徑，深入認識瓦斯抽采過程中煤儲層參數演化規律，對于瓦斯安全高效抽采具有重要指導價值。對此，相關學者已經開展了大量的數值模擬和試驗研究[1-6]。張天軍等[7]基于相似模擬試驗和數值模擬方法，分析了不同抽采負壓條件下流量、煤體內壓力及滲流速度規律；宋浩然等[8]基于煤體的各向異性和非均質性，分析了煤層抽采中水力割縫鉆孔周圍瓦斯壓力以及滲透率的時空演化規律；曹佐勇等[9]建立了包含煤巖變形、瓦斯運移、孔隙率和滲透率演化數學方程的低透氣性含瓦斯煤氣固耦合模型，分析了近距離突出煤層群水力沖孔鉆孔周圍煤體瓦斯壓力與孔徑之間的時空演化規律；林柏泉等[10]基于雙重孔隙介質的假設，建立了應力場、滲流場和擴散場多場耦合模型，并引入動態擴散系數，研究了抽采過程中煤層瓦斯流場演化規律；王登科等[11]基于Kozeny-Carman 方程，建立考慮有效應力變化、瓦斯解吸和煤基質收縮效應的煤層滲透率動態變化模型，并結合數值模擬分析煤層瓦斯抽采過程中煤體透氣性動態演化規律。目前關于瓦斯抽采過程中煤儲層參數演化規律的研究多側重單一煤層，對于煤層群條件下本煤層瓦斯抽采對鄰近層影響及鄰近層儲層參數演化還有待深入研究。鑒于此，開展了近距離煤層群條件下瓦斯抽采物理模擬試驗，重點探討本煤層及鄰近層瓦斯壓力、煤層變形及瓦斯壓力與煤層變形耦合關系。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置及試驗方案

試驗裝置可模擬多場耦合條件下的煤層群瓦斯抽采過程，試驗裝置示意圖如圖1。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

試驗中依據煤層分布選取中間2 個煤層為本煤層，其余為鄰近層，以探究抽采過程中本煤層和鄰近層儲層參數演化。試驗在每個煤層內均布設10 個氣壓傳感器，共計40 個，應力加載狀態及傳感器布置示意圖如圖2。

圖2 應力加載狀態及傳感器布置示意圖Fig.2 Schematic diagrams of stress loading state and sensor layout

由于相鄰煤層間距較小，忽略層間距造成各煤層地應力和初始瓦斯壓力差異，即4 個煤層相同方向地應力設置為同一水平，初始瓦斯壓力保持一致。煤層最大水平地應力3.9 MPa，垂直地應力3.8 MPa，最小水平地應力2.7 MPa，初始瓦斯壓力1.0 MPa。

1.2 試驗步驟

前期已對瓦斯抽采試驗所需型煤材料和相似材料的粒徑配比、成型壓力、黏結劑含量等因素開展了詳細研究，確定了型煤材料和隔層材料的配比方案、成型方法[12-13]。具體試驗步驟如下：

1）試件制備。首先，將原煤和隔層材料取回進行除雜、破碎；然后，篩分出所需粒徑干燥后按照配比方案與水、黏結劑混合均勻分批鋪入試件箱體，同時埋設鉆孔模擬管和氣壓傳感器；最后，用成型壓力機在10 MPa 條件下穩壓1 h 壓制成型。

2）抽真空與充氣。首先，啟動數據采集系統和伺服加載系統，將應力加載到預定水平；然后，打開真空泵抽真空，使煤層瓦斯壓力達到-0.1 MPa；最后，將應力采用階梯加載方式達到預設值，打開氣源閥門對煤層進行階梯式充氣，直至煤層達到預設瓦斯壓力并保持不變。

3）瓦斯抽采。首先，打開本煤層出氣口閥門，全程監測各煤層瓦斯壓力的變化；然后，待煤層解吸完全后，關閉出氣口閥門；最后，關閉數據采集系統和伺服加載系統，試驗結束。

2 試驗結果

2.1 瓦斯壓力演化

通過分析抽采過程中煤層瓦斯壓力演化規律可獲得不同位置瓦斯壓降速率、壓降范圍等信息，本煤層瓦斯壓力演化規律如圖3，圖中紅色圓點為傳感器測點，綠色矩形框為鉆孔。

圖3 本煤層瓦斯壓力演化規律Fig.3 Evolution laws of gas pressure in drainage layer

由圖3（a）和圖3（b）可知，自抽采開始時刻本煤層瓦斯壓降速率逐漸減小。I 號本煤層中測點P13在抽采前30 min 的壓降速率為1.1×10-2MPa/min，抽采前90 min 的壓降速率為5.8×10-3MPa/min，抽采前180 min 的壓降速率為3.5×10-3MPa/min；在抽采初期，靠近鉆孔中心位置最近測點P15 處瓦斯壓力下降最快，其余測點之間差異較小；以抽采前30 min 為例，P15 處壓降速率為2.9×10-2MPa/min，P13處壓降速率為1.1×10-2MPa/min，P18 處壓降速率為1.0×10-2MPa/min，表現為P15>P13>P18，而測點到鉆孔中心距離為P15

分析原因，瓦斯抽采開始后，本煤層鉆孔與大氣連通，靠近鉆孔中心區域與鉆孔間的壓差率先達到煤層滲流啟動壓力，煤層內游離瓦斯向鉆孔內運移，當游離瓦斯被抽出后，吸附在煤層基質中的瓦斯開始解吸、擴散并不斷向鉆孔運移，瓦斯壓力逐漸下降。同時隨著抽采的進行，煤層瓦斯含量逐漸減少，瓦斯壓力梯度逐漸減小，吸附瓦斯的“解吸-擴散-運移”行為減緩。

鄰近層瓦斯壓力演化規律如圖4。由圖4（a）和圖4（b）可知，在瓦斯抽采過程中鄰近層瓦斯壓力呈現近似線性下降的趨勢。以I 號鄰近層測點為例，P03 在抽采前30 min 的壓降速率為2.5×10-4MPa/min，抽采前90 min 的壓降速率為1.6×10-4MPa/min，抽采前180 min 的壓降速率為1.3×10-4MPa/min。結合測點分布可知，各測點壓降曲線近乎重合，以抽采前30 min 為例，P05 處壓降速率為2.1×10-4MPa/min，P03 處壓降速率為2.5×10-4MPa/min，P8處壓降速率為2.3×10-4MPa/min，說明鄰近層瓦斯壓力下降速率與測點到鉆孔中心距離無關。選取t=30 min 時刻鄰近層主斷面測點數據，繪制主斷面瓦斯壓力曲面圖，由圖4（c）和圖4（d）I 號和II 號鄰近煤層瓦斯壓力隨空間演化規律可知，鄰近層瓦斯壓力曲面呈“平面狀”，較本煤層瓦斯壓力空間差異性不明顯。對比I 號和II 號鄰近層瓦斯壓力隨時間和空間演化，發現鄰近層瓦斯壓力演化規律基本一致。究其原因，瓦斯抽采前，本煤層和鄰近層處于平衡狀態，隨著抽采進行，此種平衡被打破。本煤層瓦斯壓力隨抽采過程不斷下降，煤層有效應力隨瓦斯壓力下降不斷增大，煤層發生收縮變形，為鄰近層變形創造條件，鄰近層內瓦斯因賦存空間變大，瓦斯壓力下降。

圖4 鄰近層瓦斯壓力演化規律Fig.4 Evolution laws of gas pressure in adjacent layer

2.2 煤層變形演化

通過分析抽采過程中煤層變形演化規律，可知不同抽采階段煤層應變速率和導致煤層變形主因等信息，煤層變形演化規律如圖5。

圖5 煤層變形演化規律Fig.5 Evolution laws of coal seam deformation

由圖5 可知，I 號和II 號本煤層在x、y、z 方向上的變形均隨抽采進行不斷增大，應變速率逐漸減小。以I 號本煤層x 方向應變為例，抽采前30 min x方向應變為0.6‰，達到x 方向總應變量的43.6%，抽采前90 min x 方向應變為1.1‰，達到x 方向總應變量的78.2%，抽采90 min 之后應變速率明顯減小，煤層變形逐漸趨于穩定。I 號和II 號本煤層x 方向應變、y 方向應變和體應變隨抽采進行的變化量差異不大，說明本煤層變形演化規律基本一致。在抽采過程中，煤層所受地應力水平保持不變，煤層瓦斯壓力隨抽采進行不斷下降，致使煤層有效應力逐漸增大，煤層發生收縮變形。同時抽采初期煤層受地應力作用，煤層內孔隙和裂隙發生收縮，煤層變形量快速增加，抽采后期，煤層變形受有效應力和解吸效應等綜合影響且主要為煤體骨架收縮變形，致使煤層應變量增加緩慢，并趨于平緩。

由圖5 可知，I 號和II 號鄰近層變形均隨抽采進行不斷增大，整體上呈先快后慢的趨勢，煤層各方向應變變化量與煤層變形演化規律基本一致。這是因鄰近層受本煤層抽采行為影響，煤層發生膨脹變形，致使其瓦斯壓力下降，導致煤層有效應力增加，并在有效應力作用下鄰近層發生收縮變形，且收縮變形量大于先前的膨脹量，整體上表現為收縮變形。整個抽采過程中，鄰近層變形主要受有效應力和本煤層變形綜合影響，致使其變形演化并不是線性而是非線性，并與本煤層變形演化規律保持一致。

2.3 瓦斯壓力與煤層變形的耦合關系

為探究瓦斯壓力演化與煤層變形演化之間的關系，以I 號本煤層和I 號鄰近層為例進行分析，壓降-體積應變耦合關系如圖6。由圖6（a）可以看出，整個瓦斯抽采過程中本煤層壓降-體積應變耦合曲線呈現明顯的“兩段式”，即抽采開始后，壓降值先由0 MPa 增加至0.15 MPa，體積應變值保持0 不變，此過程壓降-體積應變耦合曲線為斜率無窮大的直線段（AB 段），隨著抽采的進行，壓降和體積應變均不斷增大，壓降-體積應變耦合曲線則為BC段。分析認為，抽采開始后，瓦斯壓力下降，致使有效應力增大，進而導致煤層發生收縮變形，即煤層變形較瓦斯壓力下降存在一定的滯后。對本煤層壓降-體積應變耦合曲線的BC 段進行擬合，發現壓降與體積應變存在線性正相關關系，說明本煤層壓降與體積應變演化具有良好的一致性。

圖6 壓降-體積應變耦合關系Fig.6 Pressure drop-body strain coupling relationship

由圖6（b）可以看出，整個瓦斯抽采過程中，鄰近層壓降-體積應變耦合關系曲線呈“先慢后快”趨勢（AB 段），即壓降隨體積應變增大而增加，且壓降增加速率隨抽采的進行不斷增大。這是因為在本煤層變形影響下，鄰近層變形較其壓降更早發生，隨著抽采的進行，鄰近層有效應力不斷增大，同時在有效應力和本煤層變形共同作用下其煤層體積應變整體呈“先快后慢”的增大趨勢，而鄰近層瓦斯壓力表現為近似線性下降規律，致使其壓降-體積應變耦合曲線呈“先慢后快”的趨勢。對鄰近層壓降-體積應變耦合曲線進行擬合，發現壓降與體積應變滿足正指數函數關系，說明鄰近層變形受自身壓降和本煤層變形等共同影響，致使其壓降與體積應變耦合為非線性關系。

3 結 論

1）瓦斯抽采過程中，本煤層瓦斯壓力下降呈先快后慢趨勢，距離鉆孔中心越近區域，壓降速率越大；鄰近層受本煤層的抽采行為影響，瓦斯壓力呈現近似線性下降趨勢，壓降速率相較本煤層更小且始終保持較小水平，瓦斯壓降的空間差異性相較本煤層不明顯。

2）瓦斯抽采初期，本煤層變形主要受有效應力作用，隨游離瓦斯被抽出，煤層有效應力增大，煤層變形主要為孔隙和裂隙收縮變形，抽采后期主要受有效應力和瓦斯解吸效應共同作用，煤層變形主要為煤體骨架收縮變形；而抽采過程中，鄰近層變形主要受有效應力和本煤層變形共同作用，煤層變形為收縮變形且呈先快后慢的增大趨勢。

3）瓦斯抽采開始后，本煤層變形較壓降存在一定的滯后，壓降隨煤層體積應變增大而增大，壓降與體積應變耦合關系為線性正相關；鄰近層壓降隨煤層體積應變增大而增大，壓降與體積應變耦合關系為正指數函數關系。