贵州煤层气钻孔抽采数值分析*

张鹏翔　马曙　周炳秋

(1.贵州省煤矿设计研究院　贵阳 550003；　2.贵州省矿山安全科学研究院　贵阳 550003)



贵州煤层气钻孔抽采数值分析*

张鹏翔1,2马曙1,2周炳秋1,2

(1.贵州省煤矿设计研究院贵阳 550003；2.贵州省矿山安全科学研究院贵阳 550003)

论述了影响煤层气钻孔抽采的因素，对煤层气钻孔抽采进行数值分析，研究煤层气钻孔抽采时煤层气运移规律，结合实例验证煤层气钻孔抽采作用机理，为加快煤层气钻孔抽采新工艺研发速度，提高煤层气钻孔抽采效率提供参考。

煤层气钻孔抽采数值分析

0　引言

在煤炭开采前和开采中进行煤层气抽采工作，是开发新型清洁能源，保证煤矿安全的重要举措。贵州高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井占一半以上，今后均需建立瓦斯抽采系统。贵州省煤矿地质地形条件复杂，由于其特殊的喀斯特地貌特征、独特的煤层分布特点以及复杂的地质构造情况，建立地面井进行煤层气抽采有一定的困难，由于井下钻孔抽采方式简便灵活，抽采浓度高、效率高，工程量小，成本低，大部分高突矿井多适用于在井下打穿层或顺层钻孔进行煤层气抽采。但煤矿煤层气抽放方面与其他地区和国外相比存在抽放率低，吨煤瓦斯抽放量(相对瓦斯抽放量)少，装备和管理水平有待加强和提高等差距。因此对贵州省煤层气钻孔抽放进行数值分析，掌握煤层气钻孔抽放规律，对购置研发设备，合理布置钻孔参数，制定抽采计划，提高煤矿煤层气抽采效率，加大煤层气资源开发利用的经济效益，具有重要的现实意义。

1　煤层气钻孔抽采影响因素

影响煤层气钻孔抽放的因素众多，其中比较重要的有以下几个方面。

(1)钻孔直径。钻孔抽放时，数倍钻孔直径的距离是钻孔引起的松动和卸压范围[1-2]。范围外，钻孔抽放的是未卸压煤层的煤层气。抽放邻近层煤层气时，钻孔主要是引导煤层气的通道，主要是对煤层气沿钻孔流动的助力有所不同，相差不大。

(2)钻孔布置方式。钻孔布置方式应使煤层气流动状态较好，提高钻孔煤层气抽放效果[3]。每个钻孔中心都有一个抽放半径，在一定的抽放时间内，应尽量以三角形或者多角形布置钻孔，以充分发挥每个钻孔的作用。

(3)钻孔的深度。煤层钻孔中，钻孔深度越大，煤壁暴露面积越大，煤体抽放范围越大，越有利于煤层气的涌出，煤层气抽放量越大。

(4)钻孔抽放负压。抽放负压使煤层中的煤层气流动方向发生改变，使煤层气流向钻孔[4]。提高钻孔抽放负压可以相应提高煤层气运移的压力差，是煤层气运移的动力。钻孔抽放负压对煤层气抽放量影响很大，抽放负压越高，煤层气抽放量越多。

(5)抽放时间。随着钻孔抽放时间的延长，煤层气钻孔抽放半径逐渐增大，但是到一定距离以后几乎不再增大。钻孔煤层气抽放时，随着钻孔瓦斯衰减系数的增大，延长抽放时间的效果将越来越差[5]。有效抽放时间与钻孔瓦斯流量衰减系数成反比，随着钻孔流量衰减系数增大，有效抽放时间急剧下降。

(6)煤层的透气性。煤体中存在的孔隙和裂隙是煤层气在煤体中运移的通道[6]。煤体透气性越大，煤层气在煤体中运移速度越大。地应力增大，煤体裂隙和孔隙发生闭合，煤体渗透率降低，煤体吸附瓦斯，强度降低，塑性增加，煤体抽放半径减小，煤与瓦斯突出危险性增大。

(7)煤层的瓦斯含量。煤层瓦斯含量越大，煤层气赋存量越多，煤层气抽放量越大。煤体的煤层气含量中，一般吸附瓦斯占80%～90%，吸附瓦斯量的多少取决于煤对瓦斯的吸附能力、瓦斯压力和温度等条件。

(8)封孔效果。目前钻孔封孔有聚氨酯封孔、机械弹性封孔、气囊封孔等技术[7-8]。但限于目前发展阶段，各种封孔技术都存在一定的缺陷，不能有效保障封孔的效果。聚氨酯封孔技术:高分子发泡材料需要有较高的发泡倍数才能将钻孔封闭，高分子发泡材料发泡之后具有抗压强度低、可压缩性大的致命缺陷。随着高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井采深的增大，在地应力作用下，松软煤层发生蠕变，钻孔周围产生松动裂隙(漏气通道)。机械弹性封孔技术(螺旋弹性胀圈式封孔器、弹性串球式封孔器)、充气式封孔器(免充气气囊式、充气气囊式)、水力膨胀式封孔器，它们对钻孔的密封性能很差，钻孔周围微裂隙的微泄漏很严重。煤矿地质条件、煤层瓦斯透气性、瓦斯含量、瓦斯压力等条件的不同选择封孔方式也不一样。今后的研究方向是选择合理的封孔深度，使钻孔周围的裂隙得到充填，消除裂隙和漏气通道，另一方面要有效的支护钻孔，避免钻孔的变形，使钻孔周围不再产生新的裂隙，避免后期漏气通道的产生和发展，提高煤层气抽采浓度和抽采量。

2　煤层气钻孔抽采的数值分析

煤层气在大孔和裂隙中的瓦斯流动基本上服从Darcy渗透定律[9]。因此，钻孔周围裂隙带中的瓦斯流动数学模型应是以Darcy渗透定律和状态方程为基础的联立方程，方程基本假设为：①气体单相渗流；②符合线性渗流运动方程；③气体为理想气体；④渗流过程是等温的。

煤层钻孔中，无论是穿层孔还是顺层孔，钻孔周围的煤层瓦斯均沿径向流入钻孔，根据钻孔周围煤层瓦斯流动的质量守恒公式(式1)、煤层气达西流动方程(式2)、瓦斯气体状态方程(式3)、煤层瓦斯含量方程(仅游离瓦斯含量)(式4)，得出煤层钻孔抽放瓦斯的单向非稳定渗透流动的控制方程(式5)[10]，式5为非线性二阶抛物型方程，方程利用Matlab软件中的偏微分函数进行求解。单位时间内一个容积内瓦斯含量变化应等于同一时间内瓦斯流入流出的质量差。

(1)

(2)

(3)

(4)

3　应用实例分析

3.1煤层基本条件

贵州省某矿含煤地层为二叠系统龙潭组，矿区内煤呈黑色至灰黑色，以玻璃光泽为主，各煤层含镜煤条带较多，呈较强的玻璃光泽，层状、似层状结构，硬度一般为1.12～3.38。各煤层以肥煤为主，其次为焦煤，有少量的气煤和1/3焦煤。井田内由浅到深，煤的变质程度有逐渐增高的趋势。原煤平均水分为1.39%左右，煤层原煤平均灰分为22.25%，平均浮煤挥发分为29.05%左右。井田内各可采煤层的平均视相对密度1.40t/m3。煤层原始瓦斯压力平均为0.10～1.85MPa；煤层原始瓦斯含量为4.085～12.564m3/t；煤层透气性系数为3.485×10-4～9.760×10-4(m2/MPa2·d)；煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.008 3～1.531d-1；煤层钻孔瓦斯涌出初速度为0.001 33～0.115 76m3/(min·m)。

3.2煤层气钻孔抽采半径数值分析

根据煤层气钻孔抽采单向流动控制公式，运用Matlab软件对其建立煤层气钻孔抽采数值模型，选取煤矿瓦斯压力1.2MPa，煤层原始瓦斯含量为9.4m3/t，煤层瓦斯含量系数为6.14m3/(m3·Pa0.5)，煤层透气性系数为0.08m2/(MPa2·d)的地点进行实验，数值分析运算结果如下：设置左边界条件为抽放负压平方值0.006 4MPa2；流场设置为无限流场，因此右边界设置为煤层原始瓦斯压力平方值1.44MPa2(流场设置为有限流场时，右边界设置为煤层原始瓦斯压力平方值0)；初始值为1.44MPa2。单向流动时不同抽采时间与抽采距离处的瓦斯压力平方数值解见图1。

抽采1，50，100，300，500d后不同半径范围内煤层瓦斯压力平方值情况如图2。

图1　单向流动时不同抽采时间与抽采

从图1、图2可以看出，煤层气钻孔抽放瓦斯100 d后，煤层瓦斯钻孔抽放压力下降到煤与瓦斯突出临界值(0.74 MPa)的平方值0.547 6 MPa2以下时的距离为1.8 m。300 d后煤层瓦斯压力分布基本稳定，煤层瓦斯钻孔抽放压力下降到煤与瓦斯突出临界值(0.74 MPa)的平方值0.547 6 MPa2以下时的距离为3.0 m。在煤矿井下钻5个相互平行的测量孔，孔径42 mm，孔长50 m，间距0.5 m，封孔40 m，在距最近的测量孔边缘0.5 m处，钻一平行于测量孔的抽放瓦斯钻孔，通过观测煤体中瓦斯压力3个月内的变化情况，确定瓦斯压力降到0.74 MPa以下时，抽放钻孔的有效抽放半径为2 m，基本与理论结果相符。

4　结语

(1)通过对煤层气钻孔抽采影响因素分析，得出影响煤矿煤层气钻孔抽采的因素众多，各个因素对煤层气钻孔抽采的作用不同，影响大小不同，影响作用机理不同。要研究煤层气钻孔抽放技术，提高煤层气钻孔抽采效率，就需要对煤层气钻孔抽放时煤层中煤层气的运移规律进行研究。

(2)根据质量守恒定律、达西定律等气体流动规律，对煤层中煤层气的运移规律进行定量的数值分析和研究，得出钻孔抽放时煤层中煤层气的运移机理和控制方程，并采用现代数值计算技术进行了快速计算，得出了符合实际的结果，反映了煤矿煤层气钻孔抽放的现实情况。

(3)运用计算机技术，采用现代数值分析技术和方法研究煤矿煤层气钻孔抽放单向流动情况，为今后研究煤层气钻孔抽放径向流动、三维流动、流固耦合的研究提供了基础，节省了井下人工测定时人力、物力、财力损耗，能大大缩短煤层气抽采新技术实施效果论证的时间，提高了煤层气钻孔抽采新技术的研发效率。

[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.

[2]林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.

[3]韩真理.提高矿井瓦斯抽放率的途径探讨[J].煤矿安全,1997(9):17-19,22.

[4]王学记,陶云奇.本煤层瓦斯抽放效果研究[J].煤炭工程,2009(5):66-68.

[5]陈先容.提高矿井瓦斯抽放率的途径[J].煤矿设计,1994(9):19-24.

[6]徐三民.确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨[J].煤炭工程师,1996(3):43-44,18.

[7]于宝海,凌志迁,刘国忠.本煤层瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法[J].煤矿安全,2009(3):25-27.

[8]马永庆.提高底板岩巷穿层钻孔瓦斯抽放效果的技术措施[J].煤矿安全,2011(5):34-36.

[9]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社,2001.

[10]白其峥,易法槐.煤层瓦斯流动的数学模型及其理论分析[J].高校应用数学学报A辑(中文版),1987(3):388-399.

The Numerical Analysis of Extracted Coalbed Methane by Drilling in Guizhou

ZHANG Pengxiang1,2MA Shu1,2ZHOU Bingqiu1,2

(1.GuizhouCoalMineDesignlnstituteGuiyang550003)

The paper discusses the effect factors of extracted coalbed mathane by drilling,and do the numerical analysis and conduct studies on the migration rules of coalbed methane drilling mechanism is verified. Combinidg with an example, which can provide references for speeding up the development of the coalbed methane drilling technology, and improving the efficiency of extracted coalbed methane by drilling.

the coalbed methanedrillingextractnumerical analysis

“十二五”国家科技支撑计划(2012BAK04B07)。

张鹏翔，男，1987年生，硕士，工程师，主要从事矿山安全、瓦斯灾害防治方面的研究。

2015-07-01)