沿抽采井筒的煤儲(chǔ)層滲透率模型研究

賈荔丹，張 林,2,3，李波波,2,3，吳學(xué)海，高 政，王忠暉，付佳樂

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特地區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

瓦斯(煤層氣)作為煤儲(chǔ)層伴生的清潔能源，儲(chǔ)量豐富[1]，但我國(guó)大多為低滲透性煤層，增大了瓦斯抽采的難度[2]。此外，瓦斯抽采過程中，孔隙壓力的降低伴隨煤儲(chǔ)層溫度場(chǎng)的變化，進(jìn)而使得瓦斯?jié)B流機(jī)制更為復(fù)雜。因此，開展應(yīng)力與溫度作用下的煤儲(chǔ)層滲流特性研究對(duì)瓦斯抽采具有重要的實(shí)踐意義。

孔隙壓力是影響瓦斯流動(dòng)的一項(xiàng)重要因素，其一方面導(dǎo)致有效應(yīng)力升高，另一方面引發(fā)煤基質(zhì)收縮，二者共同控制滲透率的演化[3]，且隨抽采時(shí)間的增加二者對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)度不斷調(diào)整[4]。瓦斯抽采加快了解吸速度，煤基質(zhì)收縮引起的煤巖損傷不容忽視[5]，Xie Jing 等[6]認(rèn)為瓦斯抽采后，煤基質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)附加損傷。為精確地量化瓦斯在煤儲(chǔ)層的運(yùn)移規(guī)律，Shi Jiquan 等[7]在單軸應(yīng)變的條件下，基于理想的火柴棍幾何模型，建立了包括裂隙壓縮與基質(zhì)收縮的煤巖滲透率模型。J.P.Seidle 等[4]同樣基于火柴棍模型給出煤巖滲透率與裂隙體積壓縮性以及應(yīng)力之間的關(guān)系。M.Z.Reisabadi等[8]發(fā)現(xiàn)，在天然氣生產(chǎn)過程中，壓力衰竭可能會(huì)導(dǎo)致抽采井筒周圍的應(yīng)力差超過煤巖的強(qiáng)度，導(dǎo)致煤巖破裂，并根據(jù)S&D 模型分析了壓力衰竭過程有效應(yīng)力的變化，但沒有進(jìn)一步探討煤儲(chǔ)層滲透率的演化規(guī)律。Cui Xiaojun 等[9]根據(jù)煤層氣的吸附性，建立了應(yīng)力和滲透率模型，但是建立的滲透率模型中并沒有體現(xiàn)時(shí)效性，且沒有考慮溫度對(duì)抽采效應(yīng)的影響。

此外，瓦斯抽采過程除了導(dǎo)致孔隙壓力變化，還會(huì)誘導(dǎo)煤儲(chǔ)層溫度改變，溫度對(duì)煤層氣吸附/解吸及運(yùn)移的影響不可忽略，是瓦斯抽采的關(guān)鍵參數(shù)[10-11]。郝建峰等[12]開展了煤基質(zhì)吸附/解吸瓦斯的熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，探討了不同壓力梯度下煤基質(zhì)的溫度變化規(guī)律。Pan Jienan 等[13]在恒定壓力的條件下得到甲烷吸附量與溫度成反比。Yin Guangzhi 等[14]認(rèn)為隨溫度的升高，瓦斯分子平均自由程增加，有利于氣體擴(kuò)散。李志強(qiáng)等[15]通過開展不同溫度和不同有效應(yīng)力條件下的瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱應(yīng)力大于有效應(yīng)力時(shí)，滲透率隨溫度升高而升高，反之，滲透率隨溫度升高而降低。在理論模型方面，Teng Teng 等[16]通過考慮溫度對(duì)氣體運(yùn)移的作用機(jī)理，建立了熱敏滲透率模型。Zhu Wancheng 等[17]基于熱效應(yīng)對(duì)煤氣相互作用的影響，建立了考慮煤巖變形、氣體運(yùn)移以及熱運(yùn)移作用下的滲透率演化模型。筆者團(tuán)隊(duì)前期從塑性應(yīng)變的角度，開展了考慮瓦斯壓力與溫度作用下的煤巖損傷與滲流的研究[18]。從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，大多集中于使用小尺寸試樣開展煤儲(chǔ)層滲流特性的研究，在對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律方面做出顯著貢獻(xiàn)。然而，小尺寸試樣不便在煤層中安裝傳感器，無法精確探究不同位置處孔隙壓力與溫度等煤儲(chǔ)層參數(shù)的演化，同時(shí)具有邊界效應(yīng)差、合采時(shí)間短及含氣性差等弊端[19]，因而使用大尺寸試樣并安裝壓力以及溫度傳感器等更能較真實(shí)地反映瓦斯運(yùn)移情況。

綜上所述，前人針對(duì)抽采過程溫度變化引起的瓦斯運(yùn)移機(jī)理的探究尚不完善，且瓦斯運(yùn)移的時(shí)效性在以往的模型中并未得到充分研究，這將影響模型對(duì)瓦斯?jié)B流特性評(píng)估的效果。因此，筆者通過建立考慮溫度影響的孔隙壓力時(shí)空演化函數(shù)，并基于圓柱坐標(biāo)系構(gòu)建應(yīng)力與溫度作用的煤儲(chǔ)層滲透率模型，在此基礎(chǔ)上研究抽采損傷對(duì)瓦斯運(yùn)移的影響，模擬瓦斯抽采過程煤儲(chǔ)層滲流演化特性；而后，通過多場(chǎng)耦合煤層氣開采物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)大尺寸試樣(長(zhǎng)×寬×高分別為1 050 mm×400 mm×400 mm)開展試驗(yàn)[20]，驗(yàn)證新建模型的可靠性。最后，討論裂隙壓縮效應(yīng)與基質(zhì)收縮效應(yīng)隨時(shí)間變化對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響，以期為瓦斯高效抽采提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 煤儲(chǔ)層滲透率模型

1.1 圓柱坐標(biāo)系下的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系

通常以順層或穿層的方式在煤層中布置鉆孔抽采瓦斯。圖1a 表示瓦斯抽采的過程；圖1b表示井下抽采管道布置，其中，白色管道為鉆孔，紅色箭頭表示瓦斯的流動(dòng)方向。采用圓柱坐標(biāo)系可以從徑向、切向及軸向的角度描述鉆孔周圍瓦斯的流動(dòng)特性，圖1c 表示圓柱坐標(biāo)系下垂直于z軸平面上的應(yīng)力分布。

圖1 瓦斯抽采布置及管道受力分析[21-22]Fig.1 Layout of gas drainageand thedrainage pipeline stress analysis[21-22]

Shi Jiquan 等[7]將氣體吸附/解吸導(dǎo)致的煤基質(zhì)膨脹/收縮類比于熱膨脹/收縮，得到瓦斯等溫吸附/解吸的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

式中：Δσij為各個(gè)方向的有效應(yīng)力增量，MPa；Δσij=σij-σ0，σij為某一狀態(tài)下的有效應(yīng)力值，MPa；σ0為有效應(yīng)力初始值，MPa(文中“Δ”均表示增量，即物理量在某一狀態(tài)下與初始狀態(tài)的差值，下文同)；G為剪切模量，MPa，且G=E/2(1+υ)，E為彈性模量，MPa；υ為泊松比；Δεij為各個(gè)方向的煤巖應(yīng)變?cè)隽浚沪う艦轶w積應(yīng)變?cè)隽浚沪う舩、Δεy及Δεz分別表示x、y及z方向的應(yīng)變?cè)隽浚沪藶槊簬r的Lame 常數(shù)；δij為克羅內(nèi)克系數(shù)，i=j時(shí)，δ=1，否則δ=0；Δεv為吸附應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

J.R.Levine 指出用類Langmuir 方程[23]比用線性關(guān)系更好地表達(dá)吸附膨脹行為，即：

式中：εmax為最大吸附應(yīng)變；pL為吸附應(yīng)變是最大值一半時(shí)的孔隙壓力，MPa；p為孔隙壓力，MPa。

此外，總應(yīng)力σt,ij與有效應(yīng)力σij的關(guān)系[24]可表示為：

然而，瓦斯解吸不僅會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力變化，同時(shí)解吸過程是一個(gè)吸熱反應(yīng)，致使煤儲(chǔ)層溫度下降[11]，故瓦斯抽采將同時(shí)引起壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)發(fā)生改變，因而導(dǎo)致煤儲(chǔ)層產(chǎn)生基質(zhì)收縮變形與熱變形。假設(shè)煤儲(chǔ)層為均質(zhì)各向同性的熱彈性體，且假設(shè)拉伸方向?yàn)檎嵝?yīng)引起的煤儲(chǔ)層變形[16-17]可表示為：

式中：εT為熱應(yīng)變；αT為內(nèi)膨脹系數(shù)，取值2.4×10-5K-1[19-20]；ΔT為溫度增量，K。

因此，非等溫條件瓦斯解吸的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[17]可表示為：

式中：K為剛性模量，MPa，且K=E/3(1-2 υ)；ΔεT為熱應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

基于笛卡爾坐標(biāo)系與圓柱坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系[22]：

式中：σr、σθ及σz分別為徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力及軸向應(yīng)力，MPa；σx、σy及σz分別為x、y、z方向的應(yīng)力，MPa；τxy為剪切應(yīng)力，MPa；θ為鉆孔與水平方向之間的夾角，如圖1c 所示。

結(jié)合式(6)及式(7-1)-式(7-3)可得圓柱坐標(biāo)系下非等溫條件瓦斯解吸的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

式中：Δσr、Δσθ及Δσz分別為有效徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力及軸向應(yīng)力增量，MPa；Δεr、Δεθ及Δεz分別為徑向應(yīng)變、切向應(yīng)變及軸向應(yīng)變?cè)隽浚沪為孔隙壓力增量，MPa。

煤儲(chǔ)層內(nèi)，任一點(diǎn)應(yīng)變與位移的關(guān)系[22]可表示為：

式中：εr、εθ及εz分別為徑向應(yīng)變、切向應(yīng)變及軸向應(yīng)變；r為徑向距離，mm；u為徑向位移，mm；w為切向位移，mm；uz為軸向位移，mm。

圓柱坐標(biāo)系下，煤儲(chǔ)層應(yīng)力平衡方程[25]可近似為：

式中：τrz為沿z軸方向的剪應(yīng)力，MPa；假設(shè)煤巖的垂直應(yīng)力是恒定的，且剪應(yīng)力不受煤儲(chǔ)層收縮影響，即τrz=0。因而可得：

將式(10-1)與式(10-3)代入式(13)，可得到：

式(14)可以表示為：

對(duì)式(15)進(jìn)行積分可得徑向位移：

式中：σ1及σ2為施加的水平及軸向應(yīng)力，MPa；Xc、Zc分別為水平和軸向的距離，mm。

結(jié)合式(16)、式(10-1)及式(10-2)可得徑向及軸向應(yīng)力增量：

式中：Δc1和Δc2為積分常數(shù)增量。

假設(shè)上覆巖層應(yīng)力不變，平均有效水平應(yīng)力增量Δσ可定義為[9]：

因此，結(jié)合式(19)、式(20)及式(21)可得：

在現(xiàn)場(chǎng)開展瓦斯抽采工作時(shí)，通常是孔隙壓力不斷降低，而上覆巖層與周圍圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力恒定，符合外應(yīng)力恒定的條件，因而在該條件下有：

式中：Δσtr、Δσtθ及Δσtz分別為徑向、切向及軸向的總應(yīng)力，MPa；δ為Biot 系數(shù)。

故軸向應(yīng)力增量可表示為：

因此，Δσ即為：

1.2 考慮抽采損傷的煤儲(chǔ)層滲透率模型

瓦斯抽采過程中，孔隙壓力隨時(shí)間不斷變化。據(jù)此，Zeng Jie[26]、Peng Yan[27]及Liu Jishan[28]等認(rèn)為，可使用孔隙壓力加載函數(shù)表示孔隙壓力與時(shí)間的關(guān)系：

式中：p0為初始孔隙壓力，MPa；pdep為最終的衰竭壓力，MPa；t為時(shí)間，s；td為特征時(shí)間，s；C為特征時(shí)間系數(shù)，Pa/s，擬合系數(shù)。

氣體解吸過程孔隙壓力與溫度之間存在一定聯(lián)系[11-12]，考慮抽采階段溫度與壓力之間的耦合關(guān)系，受溫度影響的孔隙壓力增量可表示為：

式中：β為溫度對(duì)孔隙壓力的作用因子，K-1。

通過式(28)將孔隙壓力受溫度影響的部分，代入原孔隙壓力加載函數(shù)，得到修正的孔隙壓力時(shí)空演化函數(shù)：

然而，隨著瓦斯抽采，孔隙壓力逐漸降低，而孔隙壓力降低越多，煤基質(zhì)收縮越明顯，有效應(yīng)力增大也越顯著，從而造成附加損傷。假設(shè)有效影響區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層損傷僅與孔隙壓力有關(guān)，損傷變量D[6]可表示為：

損傷變量可用來表述裂隙發(fā)育程度，其與裂隙壓縮性系數(shù)的關(guān)系[29]可表示為：

式中：cf為裂隙壓縮性系數(shù)，MPa-1；γ為突變系數(shù)，MPa。

J.P.Seidle 等[4]指出煤儲(chǔ)層滲透率與有效水平應(yīng)力變化量呈指數(shù)關(guān)系，即：

式中：k為煤儲(chǔ)層滲透率，10-3μm2；k0為煤儲(chǔ)層初始滲透率，10-3μm2。

基于圓柱坐標(biāo)系，建立應(yīng)力與溫度作用的煤儲(chǔ)層滲透率模型：

2 模型驗(yàn)證與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

為探究抽采過程壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)變化對(duì)煤儲(chǔ)層滲流特性的影響，選取文獻(xiàn)[20]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[20]采用多場(chǎng)耦合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，使用CO2代替CH4開展試驗(yàn)，試樣取自黔西地區(qū)，試樣尺寸長(zhǎng)×寬×高為1 050 mm×400 mm×400 mm，試樣具體參數(shù)見表1。

表1 試樣基本參數(shù)[20]Table 1 Basic parameters of the sample[20]

采用大型多場(chǎng)耦合模擬設(shè)備，能夠更接近瓦斯抽采的真實(shí)環(huán)境。此外，在外應(yīng)力恒定的條件下試樣中固定4 個(gè)鉆孔，并在鉆孔周圍安裝40 個(gè)壓力傳感器和14 個(gè)溫度傳感器。選取P3、P4、P5、P7 及P8 五個(gè)壓力傳感器與T5、T6、T7、T9 及T10 五個(gè)溫度傳感器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證(因壓力傳感器與鉆孔的距離是影響孔隙壓力的關(guān)鍵因素，故不同壓力傳感器距離鉆孔的位置相同時(shí)，其氣體壓力曲線相同，因此，可使用P3、P4、P5、P7 及P8 壓力傳感器的數(shù)據(jù)反映T5、T6、T7、T9 及T10 位置處的壓力場(chǎng)變化)，如圖2所示。

圖2 試樣中部分壓力與溫度傳感器布置[20]Fig.2 Some pressurea ndtemperature sensors layout in thesample[20]

2.2 孔隙壓力時(shí)空演化規(guī)律

根據(jù)文獻(xiàn)[20]的試驗(yàn)條件，初始孔隙壓力、溫度分別為1 MPa 和25℃。通過式(29)計(jì)算T3、T4、T5、T7 及T8 傳感器位置處孔隙壓力隨時(shí)空的演化規(guī)律，如圖3 所示。

由圖3 可知，試驗(yàn)結(jié)果與模型結(jié)果吻合度較高，即隨抽采時(shí)間增加，孔隙壓力先急劇降低后變化平緩。在抽采初期(0～20 min 內(nèi))，T3、T4、T5、T7 及T8 處的孔隙壓力分別降低72.76%、73.87%、78.37%、73.45%及73.35%。由此可見，與鉆孔距離越近，整體上呈現(xiàn)出孔隙壓力降低越多的現(xiàn)象(T3、T4、T5、T7 及T8 距離鉆孔的遠(yuǎn)近程度為：dT8＞dT3＞dT7＞dT4＞dT5)。究其原因可能是：抽采試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)氣體以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于試樣中，開始抽采后，由于抽采壓力的作用，游離氣首先沿鉆孔被抽采出，而后，吸附態(tài)瓦斯開始解吸，轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)被不斷抽采出，因而抽采前期孔隙壓力顯著降低，隨抽采過程的持續(xù)，試樣中儲(chǔ)集的氣體變少，因而抽采后期孔隙壓力變化平緩。距離鉆孔越近，受抽采壓力影響越大，故孔隙壓力降低越多。

圖3 煤儲(chǔ)層不同位置處孔隙壓力隨時(shí)空的演化規(guī)律Fig.3 Evolution law of pore pressure in different positions of coal reservoir with time and space

2.3 煤儲(chǔ)層滲透率模型驗(yàn)證

圖4 為考慮壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)條件下的煤儲(chǔ)層滲透率隨時(shí)間的演化規(guī)律。

圖4 恒定外應(yīng)力條件煤儲(chǔ)層滲透率模型曲線Fig.4 Curves of coal reservoir permeability model under constant external stress

從圖4 可以看出，新建模型滲透率隨時(shí)間的演化規(guī)律和文獻(xiàn)[20]的趨勢(shì)一致，且整體吻合度較高。在抽采初期，煤儲(chǔ)層滲透率顯著降低，隨抽采的持續(xù)，煤儲(chǔ)層滲透率逐漸升高，不同位置滲透率變化趨勢(shì)相同。且距離鉆孔越近，抽采初期內(nèi)煤儲(chǔ)層滲透率降低較多，但在抽采后期滲透率升高較快。分析其原因：在外應(yīng)力恒定的條件下，抽采初期隨孔隙壓力降低，有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層裂隙閉合，阻礙氣體運(yùn)移，導(dǎo)致滲透率降低[30]；隨氣體不斷抽出，致使煤基質(zhì)收縮，增大了氣體運(yùn)移通道，對(duì)氣體滲流起到促進(jìn)作用，滲透率逐漸升高[31]。

2.4 溫度對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率影響

為了探究溫度對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響，將式(33)進(jìn)一步推導(dǎo)為抽采過程不考慮溫度場(chǎng)變化的煤儲(chǔ)層滲透率模型：

分析文獻(xiàn)[20]發(fā)現(xiàn)，T3、T4、T5、T7 及T8 位置處的溫度變化值分別為6.10、10.09、10.83、12.74 及11.34℃。將文獻(xiàn)[20] 數(shù)據(jù)代入式(34)計(jì)算得到不考慮溫度場(chǎng)變化的煤儲(chǔ)層滲透率，并將其與考慮溫度場(chǎng)變化的滲透率進(jìn)行對(duì)比，得到在T3、T4、T5、T7 及T8 位置處的對(duì)比滲透率曲線，如圖5 所示。

圖5 抽采溫度對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響Fig.5 Influence of drainage temperature on coal reservoir permeability

從圖5 可以看出，在T3、T4、T5、T7 及T8 位置處的滲透率，無論是否考慮溫度的影響，滲透率均隨抽采的持續(xù)呈先降低后升高的趨勢(shì)。此外，在不同傳感器位置處，考慮溫度影響的滲透率計(jì)算值總是比不考慮溫度影響的滲透率計(jì)算值小。抽采時(shí)間在0～360 min內(nèi)，T4、T5 及T7 處考慮溫度影響比不考慮溫度影響其滲透率分別降低23.53%、9.09%及80.56%，由此可見，溫度對(duì)滲透率的影響不可忽視。究其原因：抽采為吸熱過程，隨著抽采的進(jìn)行，煤儲(chǔ)層溫度逐漸降低，而溫度影響氣體分子的活性，降低分子內(nèi)能，不利于氣體解吸，導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮效應(yīng)減弱[32]。此外，距離井筒越遠(yuǎn)受應(yīng)力壓縮作用越弱，溫度作用效果越強(qiáng)。因此，考慮溫度效應(yīng)的煤儲(chǔ)層滲透率比不考慮溫度效應(yīng)的煤儲(chǔ)層滲透率更低，且距離井筒越遠(yuǎn)作用越明顯。

3 討論

在恒定外應(yīng)力的條件下，由孔隙壓力變化產(chǎn)生的有效應(yīng)力與煤基質(zhì)收縮效應(yīng)對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響形成一種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。其中，由氣體解吸產(chǎn)生的應(yīng)變可由式(3)得到，由溫度產(chǎn)生的應(yīng)變可通過式(5)得到。由有效應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變可由下式[33]得到，此處溫度與應(yīng)力均對(duì)瓦斯運(yùn)移起到抑制作用，統(tǒng)稱為裂隙壓縮效應(yīng)：

式中：εe為有效應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變。

如圖6 所示，以T3、T5 及T8 傳感器位置為例，時(shí)間t=0 min 作為參考點(diǎn)，抽采時(shí)間在0～20 min 內(nèi)，裂隙壓縮效應(yīng)對(duì)煤巖應(yīng)變的貢獻(xiàn)分別高達(dá)65.13%、64.15%及66.89%。另外，可以發(fā)現(xiàn)煤巖滲透率出現(xiàn)回升的現(xiàn)象，究其原因：隨抽采時(shí)間增加，基質(zhì)收縮效應(yīng)對(duì)裂隙變化的貢獻(xiàn)逐漸增加，導(dǎo)致裂隙寬度增加，促進(jìn)氣體運(yùn)移，從而滲透率呈先減小后增大的演化趨勢(shì)。然而，在該試驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi)，裂隙壓縮效應(yīng)始終大于基質(zhì)收縮效應(yīng)，因而出現(xiàn)圖6 所示的現(xiàn)象，即氣體抽采過程的滲透率始終小于初始滲透率。

圖6 裂隙應(yīng)變與煤儲(chǔ)層滲透率隨時(shí)間的演化規(guī)律Fig.6 Evolution law of fracture strain and coal reservoir permeability with time

通過對(duì)比試樣中不同位置滲透率試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，盡管裂隙壓縮效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率降低，但隨著抽采時(shí)間增加，基質(zhì)收縮對(duì)滲透率的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)，使?jié)B透率呈現(xiàn)先減小后增大的演化趨勢(shì)，這一結(jié)論與J.P.Seidle[4]、Shi Jiquan[7]、Cui Xiaojun[34]等所得結(jié)論一致。因此，在瓦斯抽采一定時(shí)間后，煤基質(zhì)收縮效應(yīng)對(duì)滲透率的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)，該階段對(duì)滲透率回升具有重要意義，此時(shí)可通過采取一定方式提升瓦斯抽采量，比如設(shè)置合理的抽采負(fù)壓。季淮君等[35]認(rèn)為抽采負(fù)壓可有效影響瓦斯抽采量。然而，抽采負(fù)壓也并不是越大越好，程遠(yuǎn)平等[36]研究發(fā)現(xiàn)，隨抽采時(shí)間的增加，抽采負(fù)壓的作用不斷減弱，且對(duì)抽采瓦斯的貢獻(xiàn)逐漸降低，導(dǎo)致漏風(fēng)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，因而在抽采后期可適當(dāng)降低抽采負(fù)壓，以減少漏風(fēng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)抽采瓦斯?jié)舛纫约百Y源有效利用。故應(yīng)注意抽采負(fù)壓的最優(yōu)值，以提高抽采負(fù)壓對(duì)采氣的促進(jìn)作用，否則不僅會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，也會(huì)造成大范圍的塑性應(yīng)變，導(dǎo)致鉆孔周圍煤儲(chǔ)層破壞。此外，煤儲(chǔ)層自身的性質(zhì)也會(huì)影響瓦斯抽采量，比如：煤儲(chǔ)層的體積模量、彈性模量和Langmuir 吸附常數(shù)等，良好的煤儲(chǔ)層性質(zhì)可使早期滲透率降低較少，和較強(qiáng)的滲透率回彈。因此，抽采負(fù)壓的最優(yōu)值以及煤儲(chǔ)層性質(zhì)的研究是下一步工作重點(diǎn)。

4 結(jié)論

a.在恒定外應(yīng)力條件下，孔隙壓力和滲透率的演化規(guī)律與抽采時(shí)間有關(guān)，隨抽采時(shí)間增加，沿抽采井筒不同位置處的孔隙壓力先顯著降低后變化平緩，而煤儲(chǔ)層滲透率先顯著降低后逐漸升高。

b.結(jié)合圓柱坐標(biāo)系，構(gòu)建考慮應(yīng)力與溫度綜合作用的煤儲(chǔ)層滲透率模型，其中孔隙壓力變化服從時(shí)空演化函數(shù)，建立的模型較好地呈現(xiàn)出沿抽采井筒孔隙壓力對(duì)瓦斯運(yùn)移的影響。此外，由于考慮抽采損傷效應(yīng)，模型計(jì)算出的滲透率在抽采初期降低較多，抽采后期升高較快。

c.由于抽采過程壓力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的擾動(dòng)，以及溫度對(duì)氣體分子活性的影響，距離抽采井筒同一位置處，考慮溫度效應(yīng)的滲透率計(jì)算結(jié)果比不考慮溫度效應(yīng)的低。

d.從應(yīng)變角度分析沿抽采井筒煤儲(chǔ)層滲透率的時(shí)間演化特性，即先降低后回彈。由此得出，在抽采初期，裂隙壓縮效應(yīng)對(duì)瓦斯運(yùn)移的影響占主導(dǎo)地位，而抽采后期，基質(zhì)收縮效應(yīng)對(duì)滲透率的影響逐漸增大，但裂隙壓縮始終強(qiáng)于基質(zhì)收縮，可通過合理設(shè)置負(fù)壓抽采方式提高瓦斯抽采量。