不同钻孔间距对瓦斯抽采的影响研究

2022-06-07秦可

粘接 2022年5期

秦可

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

随着我国煤矿开采规模和开采深度的增加，煤层瓦斯已成为主要的能源，因此瓦斯抽采效果也备受关注。然而由于我国地质复杂，瓦斯储存通常呈现出低饱和度和低储层压力的特点，同时由于我国瓦斯抽采技术起步晚，导致瓦斯抽采率低。为解决上述问题，部分学者探讨了不同钻孔半径和不同钻孔布置方式对瓦斯抽采效果的影响，如马建等开展不同钻孔半径对瓦斯抽采效果的试验，确定了瓦斯抽采过程中钻孔最佳半径及最佳布置方式。但以上研究忽略不同钻孔间距对瓦斯抽采效果的影响，而钻孔间距是影响瓦斯抽采效果的主要因素之一。合理的布置钻孔可有效提高瓦斯抽采效率，改善瓦斯抽采效果。因此，本研究从钻孔间距角度出发，分析不同钻孔间距对瓦斯抽采效果的影响，以改善瓦斯抽采效果。

1 材料与方法

1.1 试验装置及煤样处理

本试验选用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统作为试验装置。煤样来自贵州某煤矿。煤样收集后，首先用颚式破碎机将煤样破碎，并用振动筛进行筛分；然后向筛分后的煤样中加入质量分数为6.8%的石膏和3%的乳白胶充分搅拌均匀；最后，在压力为7.5 MPa的5 000 kN的成型机上保压1 h成型，得到试验用煤样。

1.2 试验方案

本试验采用均布荷载方式，加载系统为9套液压加载压头，其中荷载的应力大小===4.0 MPa；设置两孔间距分别为250、504、784 mm，对应II&III钻孔抽采、II&IV钻孔抽采、I&IV钻孔抽采的3组物理模拟瓦斯抽采实验。具体试验方案如表1所示，钻孔布置如图1所示。

表1 不同钻孔布置间距试验方案Tab.1 Test scheme of different borehole spacing

图1 不同钻孔间距布置示意图Fig.1 Layout diagram of different borehole spacing

1.3 传感器布置

本试验在试件内部布设40个气体压力传感器，14个温度传感器；在箱体进气端布设1个气体压力传感器，1个流量计；在抽采系统4个钻孔出气端分别布设1个气体压力传感器，2个流量计；在箱体外部布设1个温度传感器，用于监测实验环境温度变化。为便于后续结果分析，研究采用笛卡尔空间坐标[7]将试件箱体转化为三维坐标图。其中，试件箱体长宽高分别对应笛卡尔空间坐标的Z轴、Y轴、X轴，坐标原点为试件箱体左侧左下角，如图2所示。

图2 传感器布设三维示意图Fig.2 3D layout diagram of sensors

图2中，圆圈表示温度传感器，正方形表示气压传感器，三角形表示同时包含温度传感器和气压传感器；实线段表示连接段，为连接抽采钻孔与箱体的软管，虚线段表示抽采段。

1.4 试验步骤

不同钻孔间距的瓦斯抽采步骤为：

步骤1：将煤样分批次加入布设好传感器的试件箱中，设定三轴应力加载为7.5 MPa，连接试件箱与气源，并将传感器连接到电脑；

步骤2：对煤样进行真空处理后连续充气，直到煤样吸附饱和；

步骤3：依次打开实验中所预设的钻孔出气口阀门，并监测、记录气压、温度、流量传感器的参数变化；

步骤4：保存传感器采集到的数据后，检查并关闭各试验装置。

2 结果与分析

2.1 不同钻孔间距对瓦斯抽采流量的影响

瓦斯抽采流量是衡量瓦斯抽采效果的重要指标，可通过现场测量获得。为验证不同钻孔间距对瓦斯抽采效果的影响，在不同钻孔间距条件下，测量3次抽采实验的累积流量随时间的变化，结果如图3所示。由图3可知，瓦斯抽采时间内，随着抽采的延长，瓦斯抽采累积流量呈现前期变化量大，后期变化量小的特点；II&III钻孔抽采累积流量为2 342 L，I&IV钻孔抽采累计流量为2 320 L，II&IV钻孔抽采累积流量为2 270 L。由此说明，不同钻孔间距的累计瓦斯抽采流量集中在2 200～2 400 L之间，且II&III钻孔瓦斯抽采累积流量最大，即钻孔间距为250 mm时，瓦斯抽采累积流量最大。

图3 不同钻孔间距瓦斯抽采累计流量对比Fig.3 Comparison of cumulative flow of gas drainage with different borehole spacing

为更好地分析不同间距对瓦斯抽采效果的影响，在II&IV钻孔条件下，对钻孔的瞬时流量和累积流量分析，结果如图4所示。

图4 II&IV钻孔条件下瓦斯抽采流量变化Fig.4 Variation of gas drainage flow under II & IV borehole conditions

其中图4（a）、图4（b）分别为II&IV钻孔条件下，II号钻孔和IV钻孔瞬时流量与累积流量的关系；图4（c）为II&IV钻孔条件下，II、IV号钻孔累积流量关系。由图4可知，瓦斯抽采时间内，随着抽采的延长，瓦斯抽采累积流量呈前期变化量大，后期变化量小的特点，与上述结果一致；II&IV钻孔抽采流量为2 270 L，抽采效率为73.88%，II、IV号钻孔的瓦斯抽采流量分别为1 181、1 089 L，II号钻孔累积流量略大于IV号钻孔。

图5为I&IV钻孔条件下瓦斯抽采瞬时流量与累积流量图。

图5 I&IV钻孔条件下瓦斯抽采流量变化Fig.5 Variation of gas drainage flow under I & IV borehole conditions

其中图5（a）、图5（b）分别为I号、IV号钻孔瞬时流量与累积流量关系，图5（c）为I号、IV号钻孔累积流量关系。由图5可知，相较于II&IV钻孔累积瓦斯抽采流量，增大钻孔间距，瓦斯抽采流量提升到2 320 L，抽采效率达到75.41%。其中，I号钻孔瓦斯抽采流量为1 195 L，IV号钻孔瓦斯抽采流量为1 125 L；I号钻孔瓦斯抽采累积抽采流量略大于IV号钻孔。

2.2 不同钻孔间距对瓦斯有效抽采范围的影响

钻孔有效抽采面积是评估不同钻孔间距对瓦斯抽采效果影响的重要指标。研究将箱体主纵面内残余气压低于0.49 MPa的区域视为钻孔有效抽采范围，采用MATLAB软件提取等压线坐标，并利用polyarea函数计算II&III钻孔、II&IV钻孔、I&IV钻孔瓦斯有效抽采面积进行分析，结果如图6所示。

图6 不同钻孔间距在t=10 min时的有效抽采面积Fig.6 Effective extraction area of different borehole spacing when t=10 min

由图6可知，抽采时间=10 min时，II&III钻孔有效抽采面积为26 455.4 mm，II钻孔有效抽采面积为16 592 mm，III钻孔有效抽采面积为9 863.4 mm；II&IV钻孔有效抽采面积为22 462.6 mm，II钻孔有效抽采面积为12 986 mm，IV钻孔有效抽采面积为9 476.6 mm；I&IV钻孔有效抽采面积为17 730.3 mm，I钻孔有效抽采面积为7 837.2 mm，IV钻孔有效抽采面积为9 893.1 mm。由此说明，抽采时间=10 min时，II&III钻孔有效抽采面积最大，即不同钻孔间距会影响瓦斯抽采效果，随着相邻钻孔间距增大，有效抽采面积逐渐减小。

为分析不同钻孔间距下，瓦斯抽采有效面积随时间变化，对II&III钻孔、II&IV钻孔、I&IV钻孔瓦斯有效抽采面积随时间变化进行分析，结果如图7所示。

由图7（a）可知，随着抽采时间的延长，II钻孔和III钻孔的有效面积逐渐增大；当抽采时间=12 min时，II钻孔和III钻孔气压值与0.49 MPa等压线相交，只能计算II钻孔和III钻孔累积抽采面积；当抽采时间=17 min时，II钻孔和III钻孔有效面积增大到箱体边界位置，Polyarea函数无法计算面积，此时II&III钻孔有效抽采面积为7 374.9 mm。由图7（b）可知，随着抽采时间的延长，II钻孔和IV钻孔的有效面积逐渐增大；当抽采时间=17 min时，II&III钻孔有效抽采面积为48 023 mm；当抽采时间=21 min时，II钻孔和III钻孔有效面积增大到箱体边界位置，两孔气压值未与0.49 MPa等压线相交，Polyarea函数无法计算面积，II&III钻孔有效抽采面积为82 018.5 mm。由图7（c）可知，当抽采时间=6 min时，I钻孔开始有效抽采范围；当＞6 min后，随着抽采时间的延长，I钻孔有效抽采面积逐渐增大；当＞13 min后，I钻孔有效抽采面积超过IV钻孔；当=19 min时，I钻孔和IV钻孔有效抽采面积达到箱体边界位置，两孔气压值未与0.49 MPa等压线相交，Polyarea函数无法计算面积。

图7 不同钻孔间距有效抽采面积随时间变化Fig.7 Variation of effective extraction area of different borehole spacing changing with time

由图7（d）可知，随着抽采时间的增加，3种钻孔间距的有效抽采面积均逐渐增大，任一相同抽采时刻下，II&III钻孔抽采面积最大；当＜13 min时，I&IV钻孔有效抽采面积最小；当＞13 min时，II&IV钻孔有效抽采面积最小。由此说明，II&III钻孔条件下，即相邻钻孔间距d=250 mm时，两钻孔的叠加效应最强，钻孔的有效抽采面积最大。