顶底板岩层透气性对煤层瓦斯抽采的影响研究

李大旺

(贵州省能源局 煤矿安全监督管理处，贵州 贵阳 550004)

我国煤层瓦斯含量普遍较高，而且煤层赋存条件复杂，瓦斯灾害总体较为严重。防止煤矿瓦斯灾害的根本性措施是对煤层瓦斯进行高效抽采，然而影响瓦斯抽采的因素较多，主要包括煤体自身的物理、化学性质，以及外部影响因素两方面[1-4]。煤体自身的物理、化学性质，如煤的结构和热演化特征对瓦斯抽采过程中的瓦斯吸附、放散特性起决定性作用。同时钻孔周围瓦斯流动状态对能否高效抽采煤层瓦斯也有至关重要的影响[5]。

瓦斯在煤层中的运移规律是煤矿抽采瓦斯最基础的研究内容，国内外众多科技工作者对此进行了大量研究。尹光志等[6]研究发现，应力的增大对瓦斯抽采流量的增加具有抑制作用；周福宝等[7]研究发现，煤层瓦斯压力与渗透率会对瓦斯抽采产生影响；吕有厂等[8]通过现场实测，发现倾角较大的钻孔的瓦斯抽采流量较高，而且标高较低的掩护掘进穿层钻孔的瓦斯抽采流量要高于下部穿层钻孔的瓦斯抽采流量；黄勇等[9]研究发现，钻孔瓦斯抽采量随着钻孔间距的增大而增大，不同钻孔间距下的布置方式对抽采效果有较大影响，钻孔直径的变化对瓦斯抽采效果影响不大，不同抽采负压时，钻孔抽采影响半径几乎是重叠的，随着抽采负压的增大，钻孔抽采影响半径有小幅度增大，直到最后不变。近年来，越来越多的研究人员利用COMSOL Multiphysics多物理场软件，模拟研究了煤层内的瓦斯运移规律，其中司鹄等[10]根据建立的瓦斯流固耦合模型，研究得出煤层瓦斯压力随抽采时间的变化规律；张学博等[11]基于达西定律，建立二维钻孔抽采模型并进行了数值模拟计算；张钧祥等[12]在瓦斯流动方程的基础上，考虑渗透率动态变化规律，建立了三维瓦斯抽采模型，研究得出不同抽采时间下瓦斯压力和抽采有效半径的变化规律。

然而，以往研究很少有人关注煤层顶底板岩层特性对瓦斯抽采的影响，特别是透气性岩层由于与煤层可能形成耦合流场，对瓦斯抽采存在的潜在影响。以往人们一般将煤层围岩的孔隙率设为0(致密岩层)，即岩层不透气，岩层中就不会存在瓦斯压力。但是，现实中煤层围岩的孔隙率并不为0(孔隙岩层)，自成煤期到现在经过了数亿年，在这期间煤层与顶底板岩层中的瓦斯压力会趋于相同。为此，笔者主要探究煤层围岩透气性对瓦斯抽采的影响规律。

1 数值模拟

1.1 瓦斯流动方程

煤层内的瓦斯流动是一个十分复杂的过程，在煤层和围岩中的瓦斯流动形式均符合达西定律，质量守恒方程如下[13]：

(1)

式中：Q为单位体积煤层或围岩中的瓦斯含量，kg/m3；t为瓦斯抽采时间，s；ρ为瓦斯密度，kg/m3；v为瓦斯渗流速度，m/s。

瓦斯在煤层和围岩中以吸附态和游离态存在[14]，所以单位体积内煤层或围岩中的瓦斯含量Q包含游离瓦斯Qg和吸附瓦斯Qa。

单位体积煤岩中游离瓦斯含量的计算公式如下[15]：

Qg=βpφ

(2)

式中：Qg为单位体积煤岩中游离瓦斯含量，kg/m3；β为瓦斯压缩系数，kg/(m3·MPa)；p为储层瓦斯压力，MPa；φ为煤层或围岩的孔隙率，%。

单位体积煤岩中吸附瓦斯含量的计算公式如下[16]：

(3)

式中：Qa为单位体积煤岩中吸附瓦斯含量，kg/m3；a为单位质量煤岩的最大吸附瓦斯量，m3/kg；b为煤岩的吸附常数，MPa-1；c为煤岩的校正参数，kg/m3；ρn为标准大气压下的瓦斯密度，kg/m3。

瓦斯在煤层和围岩中运移都符合达西渗流规律[17]：

(4)

式中：k为煤层或围岩的渗透率，m2；μ为瓦斯动力黏度，Pa·s。

由式(1)～(4)，可以得到瓦斯在煤层和围岩中的渗流方程：

(5)

1.2 煤岩体变形方程

含瓦斯煤岩体是由分子颗粒构成的煤岩体骨架和颗粒间裂隙共同组成的多孔介质。根据Terzaghi有效应力规律，以有效应力表示的应力平衡式为：

σ′ij,j+(αpδij),j+Fi=0

(6)

式中：σ′ij,j为有效应力，MPa；α为Biot’s系数；δij为Kronecker符号；Fi为煤岩的体积力张量，N/m3。

煤岩体变形方程遵循：

(7)

式中：εij为应变分量，i,j=1,2,3；ui,j、uj,i为位移分量，m。

煤岩体在弹性阶段的变形本构方程为[18-19]：

σij=λeδij+2Gεij

(8)

式中：σij为有效应力，MPa；λ、G为拉梅常数；e为体积变形。

有效应力的张量形式可表示为[20]：

(9)

根据式(6) ～(9)，可以得到煤岩体变形方程：

(10)

式中：ν为泊松比；uj,ij为位移分量，m；pi为煤岩中瓦斯压力，MPa。

1.3 几何模型及参数设置

利用COMSOL Multiphysics 5.4模拟软件实现多物理场的耦合，对煤层顶底板岩层孔隙率的影响及钻孔抽采有效范围进行模拟，并进一步分析各种因素对钻孔抽采半径的影响。

1.3.1 几何模型

为了研究煤层顶底板岩性对瓦斯抽采的影响，考察顶底板透气和不透气情况下瓦斯抽采的效果。顶底板透气与不透气采用岩石孔隙率来界定，将不透气顶底板的孔隙率设置为0，透气顶底板的孔隙率设置为20%。模型几何尺寸为10.0 m×10.0 m×3.5 m，如图1所示。在该模型中，上部为顶板，厚1.0 m；中部为煤层，厚2.0 m；下部为底板，厚 0.5 m；钻孔倾角为30°。

图1 煤层顶底板岩层透气性对瓦斯抽采的影响几何模型

1.3.2 参数设置

数值模拟相关材料参数如表1所示。

表1 模型中材料的物性参数

2 模拟计算结果分析

2.1 瓦斯流场对比分析

为了对比分析不同的煤层顶底板岩石透气性对瓦斯流场造成的影响，绘制了抽采180 d时透气岩层模型和不透气岩层模型的瓦斯流线图，如图2 所示。

图2 抽采180 d时模型瓦斯流线图

从图2中可以看出，不论在何种围岩条件下，在抽采过程中瓦斯总会沿钻孔径向流动。当顶底板岩层透气时，顶底板岩层内大部分的瓦斯都会经过煤层流向钻孔，这一点在煤岩交界处最为明显，当顶底板岩层不透气时则不会发生这种状况。由此可见，顶底板岩层的透气性会对瓦斯压力分布产生较大的影响。

2.2 煤层残存瓦斯压力

2.2.1 纵切面残存瓦斯压力分布

预抽180 d后，不同抽采时间的煤(岩)层残存瓦斯压力分布如图3所示。

图3 2种模型不同抽采时间的残存瓦斯压力分布图

从图3中可以看出，对于透气岩层和不透气岩层2种模型，不同抽采时间下钻孔抽采影响范围是不同的，抽采时间越长，钻孔影响的范围越大，且 2种模型在煤层内部瓦斯压力分布的区别不大，但是在煤岩交界处的区别较为明显。

为了研究煤岩交界处透气岩层模型与不透气岩层模型的区别，将二者在煤岩交界处抽采180 d后的瓦斯压力云图(局部)进行对比分析，如图4所示。

图4 抽采180 d时煤岩交界处瓦斯压力云图(局部)

从图4中可以看出，在煤层与顶板交界处，就抽采钻孔下侧区域而言，透气岩层模型的钻孔影响范围较不透气岩层模型要大一些；而在煤层与底板交界处，就抽采钻孔上侧区域而言，透气岩层模型的钻孔影响范围较不透气岩层模型也要大一些。这说明顶底板岩层是否存在瓦斯压力即顶底板岩层是否透气会造成煤层内瓦斯压力分布出现差异。

2.2.2 煤层瓦斯压力衰减特性

针对上述区别，在煤层与顶板交界处的钻孔下侧区域，以及煤层与底板交界处的钻孔上侧区域分别选取顶板和底板附近截线，如图5所示，进一步定量分析2种模型在上述2条截线上的区别。

图5 三维截线及压力测点示意图

同时为了研究顶底板岩性对煤层瓦斯压力衰减的影响，分别在图5中2条截线的相同位置选取 4个瓦斯压力测点，其在x方向上分别距离钻孔中心0.1、0.5、1.0、1.5 m，而在y方向和z方向上坐标相同。将各个测点的瓦斯压力导出，绘制不同位置的瓦斯压力随抽采时间的变化曲线，如图6和图7 所示。

图6 顶板附近截线上各测点的瓦斯压力衰减曲线

图7 底板附近截线上各测点的瓦斯压力衰减曲线

从图6和图7可以看出，随着与钻孔中心距离的逐渐增大，2种模型在预抽180 d后，残存瓦斯压力逐渐增大，这与瓦斯压力分布云图的结果是一致的。然而，对于同一测点，2种模型的瓦斯压力衰减曲线并不相同，顶底板孔隙率为20%的曲线总是在顶底板孔隙率为0的下方，这说明当顶底板孔隙率为20%时，瓦斯压力衰减较快，残存瓦斯压力较低。

2.3 钻孔抽采有效范围

为了量化钻孔抽采影响范围，将煤层残存瓦斯压力下降到0.74 MPa以下的区域视为有效抽采范围。为了进一步研究顶底板孔隙率对抽采钻孔有效抽采范围的影响，可以通过测量图5中截线上各点的不同抽采时间下的残存瓦斯压力，即可得到钻孔有效抽采范围，测试结果如表2所示。

表2 钻孔有效抽采范围

表2中顶底板附近截线长度是抽采钻孔附近残存瓦斯压力小于0.74 MPa的区域边界至钻孔中心的距离。从表2中可以得到：当顶底板孔隙率为20%时，残存瓦斯压力处于0.74 MPa以下的范围较顶底板孔隙率为0时更大。

3 结论

1)通过对透气岩层模型和不透气岩层模型的模拟研究发现，2种模型条件下在抽采过程中瓦斯总是沿钻孔径向流动，但煤层顶底板岩性对煤层瓦斯流场有明显影响，当顶底板岩层透气时，顶底板岩层内大部分的瓦斯都会经过煤层流向钻孔。

2)透气岩层和不透气岩层2种模型模拟钻孔抽采时，抽采时间越长，钻孔影响的范围越大，同时距离钻孔中心越远煤层残存瓦斯含量越大；透气岩层模型与不透气岩层模型的瓦斯压力衰减特性不同，透气岩层模型的瓦斯压力衰减更快，残存瓦斯压力更低。

3)煤层顶底板岩性对钻孔抽采有效范围有影响。与不透气岩层模型相比，透气岩层模型的钻孔有效抽采范围更大。