不同鉆孔間距對瓦斯抽采的影響研究

秦可

摘 要：提出采用多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)就瓦斯抽采模進(jìn)行擬試驗(yàn)，并分析不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響。結(jié)果表明，不同鉆孔間距通過影響瓦斯抽采流量和瓦斯有效抽采面積，進(jìn)而影響瓦斯抽采效果。當(dāng)相鄰鉆孔間距為250 mm時(shí)，瓦斯的抽采流量和有效抽采面積最大，分別為2 342 L和26 455.4 mm2，瓦斯抽采效果最好;當(dāng)相鄰鉆孔間距為504 mm時(shí)，瓦斯的抽采流量和有效抽采面積分別為2 320 L和22 462.6 mm2;當(dāng)相鄰鉆孔間距增大到784 mm時(shí)，瓦斯的抽采流量和有效抽采面積分別為2 270 L和17 730.3 mm2。

關(guān)鍵詞：煤層瓦斯;鉆孔間距;瓦斯抽采;物理模擬

中圖分類號(hào)：TD712+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）05-0080-05

Study on influence of different borehole spacing on gas drainage

Abstract： The physical simulation test of gas drainage was carried out through the multi field coupling physical simulation test system of coalbed methane mining， and the influence of different borehole spacing on gas drainage effect was analyzed from the aspect of borehole layout spacing. The results show that the gas drainage effect is affected by different borehole spacing. When the distance between adjacent boreholes is 250 mm， the gas drainage flow and effective drainage area are the largest， reaching 2 342 L and 26 455.4 mm2 respectively， and the gas drainage effect is the best; when the distance between adjacent boreholes is 504 mm， the gas drainage flow and effective drainage area are 2 320 L and 22 462 mm2 ， When the distance between adjacent boreholes increases to 784 mm， the gas drainage flow and effective drainage area are 2 270 L and 17 730.3 mm2 respectively. The increase of the distance between adjacent boreholes， the gas drainage flow and effective drainage area gradually decrease.

Key words： coal seam gas;borehole spacing;gas drainage;physical simulation

收稿日期：2021-06-21;修回日期：2022-04-08

隨著我國煤礦開采規(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瓦斯抽采效果的影響，如馬建等開展不同鉆孔半徑對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[1-4]。但以上研究忽略不同鉆孔間距對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[5]。因此，本研究從鉆孔間距角度出發(fā)，分析不同鉆孔間距對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)選用多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)作為試驗(yàn)裝置[6]。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，在壓力為7.5 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σ1=σ2=σ3=4.0 MPa;設(shè)置兩孔間距分別為250、504、784 mm，對應(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。

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，試件箱體長寬高分別對應(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、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)[8]，可通過現(xiàn)場測量獲得。為驗(yàn)證不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響，在不同鉆孔間距條件下，測量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，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。

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

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，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。

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 不同鉆孔間距對瓦斯有效抽采范圍的影響

鉆孔有效抽采面積是評估不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果影響的重要指標(biāo)[9-10]。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。

由圖6可知，抽采時(shí)間t=10 min時(shí)，II&III鉆孔有效抽采面積為26 455.4 mm2，II鉆孔有效抽采面積為16 592 mm2，III鉆孔有效抽采面積為9 863.4 mm2;II&IV鉆孔有效抽采面積為22 462.6 mm2，II鉆孔有效抽采面積為12 986 mm2，IV鉆孔有效抽采面積為9 476.6 mm2;I&IV鉆孔有效抽采面積為17 730.3 mm2，I鉆孔有效抽采面積為7 837.2 mm2，IV鉆孔有效抽采面積為9 893.1 mm2。由此說明，抽采時(shí)間t=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，II鉆孔和III鉆孔的有效面積逐漸增大;當(dāng)抽采時(shí)間t=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t=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 mm2。由圖7（b）可知，隨著抽采時(shí)間的延長，II鉆孔和IV鉆孔的有效面積逐漸增大;當(dāng)抽采時(shí)間t=17 min時(shí)，II&III鉆孔有效抽采面積為48 023 mm2;當(dāng)抽采時(shí)間t=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 mm2。由圖7（c）可知，當(dāng)抽采時(shí)間t=6 min時(shí)，I鉆孔開始有效抽采范圍;當(dāng)t>6 min后，隨著抽采時(shí)間的延長，I鉆孔有效抽采面積逐漸增大;當(dāng)t>13 min后，I鉆孔有效抽采面積超過IV鉆孔;當(dāng)t=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。

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)t<13 min時(shí)，I&IV鉆孔有效抽采面積最小;當(dāng)t>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。

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作者簡介：秦 可（1988-），男，本科，工程師，研究方向：煤礦區(qū)地面井下定向鉆探、 瓦斯防治、礦區(qū)水害防治、

地質(zhì)異常體探查。