關(guān)金鋒，王永周，馬靜馳，崔洪慶

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.河南焦煤能源有限公司 古漢山礦，河南 焦作 454003；3.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

煤層滲透性具有各項異性，滲透性優(yōu)勢方位決定著煤層優(yōu)質(zhì)瓦斯?jié)B流通道，關(guān)系到井下煤層瓦斯抽采和地面煤層氣井的生成效率。美國礦業(yè)局的資料顯示，受煤層滲透性優(yōu)勢方位的影響，不同方向的煤層滲透率之比高達(dá)17∶1，煤層氣抽采量相差3～10倍[1]。我國焦作韓王煤礦井下瓦斯抽采試驗表明，同一煤層不同方向的瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采效率存在顯著差異，垂直面割理方向鉆孔瓦斯極限抽采量是平行面割理方向鉆孔的2.6倍，抽放率高出4.3倍[2-3]。因此，在煤層氣開發(fā)和瓦斯抽采過程中，對煤層滲透性優(yōu)勢方位的研究至關(guān)重要。通過對煤層裂隙發(fā)育規(guī)律統(tǒng)計、地應(yīng)力對煤層裂隙控制作用分析，結(jié)合現(xiàn)場滲透性測試試驗對古漢山礦二1煤層滲透性優(yōu)勢分布方位進行了研究，并探討了煤層滲透性優(yōu)勢方位在儲層改造、瓦斯抽采中的作用，以期提高礦井煤層瓦斯抽采效率。

1 古漢山礦二1煤層滲透性優(yōu)勢方位預(yù)測

1.1 煤層裂隙發(fā)育規(guī)律

對煤層滲透性產(chǎn)生影響的主要因素是煤層中的宏觀裂隙，包括原生割理、次生節(jié)理[4]。煤層裂隙是導(dǎo)致煤層滲透性呈現(xiàn)各項異性的重要因素，裂隙規(guī)模、開閉程度控制著煤層滲透性優(yōu)勢方位[5-6]。古漢山礦可分為東、西兩區(qū)，分屬不同的瓦斯地質(zhì)單元[7]，考慮到同一瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)裂隙分布規(guī)律的一致性，確定礦井東區(qū)為一觀測范圍、西部為一觀測范圍，主要對正在進行的采掘工作面煤壁進行觀測。

統(tǒng)計采掘工作面近300個煤層裂隙數(shù)據(jù)，繪制了礦井東區(qū)、西區(qū)煤層裂隙走向玫瑰花圖（圖1）。

圖1 煤層裂隙走向玫瑰花圖

從圖1可以看出，東區(qū)煤層內(nèi)主要發(fā)育走向為N50°E 1組裂隙，西區(qū)煤層內(nèi)主要發(fā)育走向N30°E、N20°W、N60°W 3組裂隙，東區(qū)煤層裂隙優(yōu)勢發(fā)育方位比較明顯，而西區(qū)煤層裂隙無優(yōu)勢發(fā)育方位?，F(xiàn)場觀測過程中也發(fā)現(xiàn)，西區(qū)煤層裂隙分布較為紊亂、規(guī)律性不強，而東區(qū)裂隙組分布比較固定。

1.2 煤層滲透性優(yōu)勢分布方位預(yù)測

古漢山為典型的大地動力場應(yīng)力環(huán)境，地應(yīng)力場最大主應(yīng)力沿水平方向，為N60°E向[8]。煤層滲透性主要受裂隙與地應(yīng)力之間組合型式影響[5]，對于西部瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層裂隙來說，走向N20°W、N60°W裂隙組受到相對擠壓作用，地應(yīng)力環(huán)境對這2組裂隙閉合有利，走向N30°E裂隙組受到相對拉張作用，應(yīng)力環(huán)境對該組裂隙開啟有利；對于東部瓦斯地質(zhì)單元來說，走向為N50°E裂隙組受到相對拉張作用，地應(yīng)力環(huán)境該組裂隙開啟有利。應(yīng)力對裂隙開閉作用如圖2。

圖2 應(yīng)力對裂隙開閉作用

根據(jù)礦井地應(yīng)力對煤層裂隙開啟、閉合控制規(guī)律，可以預(yù)測古漢山礦東部瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層滲透性優(yōu)勢發(fā)育方位為N50°E（與裂隙發(fā)育方位一致），西部瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層滲透性優(yōu)勢發(fā)育方位為走向N30°E（與裂隙組發(fā)育方位一致）。

2 現(xiàn)場測試分析

2.1 測試方案

為了測試煤層滲透性各項異性分布規(guī)律，在16采區(qū)1604底抽巷2號鉆場內(nèi)進行煤層滲透率現(xiàn)場測試，在1604底抽巷4＃鉆場、5＃鉆場向煤層施工不同方向測試鉆孔（圖3），測試鉆孔穿過底抽巷巖巷進入煤層當(dāng)中，1＃鉆孔方位角為 N55°W、2＃鉆孔方位角為N35°E、3＃鉆孔與煤層頂板近似垂直。

圖3 1604底抽巷滲透率測試孔布置示意圖

為達(dá)到快速測定目的，采用注入壓降法進行煤層滲透性測試：①鉆孔完孔后采用膨脹水泥封孔，在煤層內(nèi)形成密閉氣室；②將高壓氮氣注入密閉氣室，注入壓力等于或略高于煤層原始瓦斯壓力，待鉆孔周圍煤層瓦斯壓力穩(wěn)定之后停止注氣；③停止注氣之后鉆孔即進入壓力恢復(fù)階段，壓力恢復(fù)過程可通過壓力表讀數(shù)顯示；④將記錄的氣體注入與壓力降低時的壓力表數(shù)據(jù)，通過代入相關(guān)分析軟件處理即可得到煤層的滲透率數(shù)值。注入壓降法進行煤層滲透性測試基本原理參考文獻[9]。

2.2 測試結(jié)果分析

對現(xiàn)場瓦斯壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理發(fā)現(xiàn)，4＃鉆場中的3＃測試鉆孔數(shù)據(jù)變化很小，為無效數(shù)據(jù)，分析其原因可能是由于測試鉆孔傾角比較大，鉆孔密封效果不理想導(dǎo)致，其它測試鉆孔數(shù)據(jù)處理良好，煤層滲透率現(xiàn)場測試結(jié)果見表1。

表1 煤層滲透率現(xiàn)場測試結(jié)果 10－3μm2

由表1可以看出，無論是4＃鉆場、5＃鉆場中煤層表現(xiàn)出明顯的滲透性各向異性，1＃測試鉆孔滲透率數(shù)值均高于其它方向施工的測試鉆孔，5＃鉆場內(nèi)1＃測試鉆孔的滲透率大小是3＃測試鉆孔的2倍，煤層滲透性優(yōu)勢方位滲透率平均值為 0.01×10－3μm2。

說明1＃鉆孔測試數(shù)據(jù)反映出煤層優(yōu)勢滲流方向，根據(jù)鉆孔周圍瓦斯徑向流動運移規(guī)律，說明二1煤層滲透率優(yōu)勢分布方位應(yīng)為垂直于1＃測試鉆孔方向，即沿N35°E方向。

3 煤層滲透性優(yōu)勢分布方位對瓦斯抽采的影響

現(xiàn)場測試結(jié)果與理論預(yù)測方向基本一致，說明煤層滲透率優(yōu)勢分布方位明顯受N30°E的裂隙組控制明顯，通過裂隙分布方位對滲透性優(yōu)勢分布方位的預(yù)測結(jié)果是可靠的，可以對現(xiàn)場瓦斯抽采工程提供地質(zhì)基礎(chǔ)指導(dǎo)。

水力壓裂是煤層改造增產(chǎn)最常用的技術(shù)手段，其形成的人工壓裂縫沿最大主應(yīng)力方向延伸，沿最小主應(yīng)力方向張開[10]。古漢山礦二1煤層滲透性優(yōu)勢分布方位與最大主應(yīng)力方向基本一致，水力壓裂將進一步導(dǎo)致該方向煤層裂隙增多，導(dǎo)致煤層滲透性優(yōu)勢方位的滲透率繼續(xù)增大，煤層滲透性各項異性分布將更加明顯。對西區(qū)煤層來說，煤層各個方位均有豐富裂隙分布，但由于地應(yīng)力、充填物作用，裂隙面多閉合緊密，可以采取儲層酸化[11]等措施打通閉合裂隙，促使各個方向裂隙聯(lián)通形成網(wǎng)絡(luò)，從整體上提高煤層滲透性。

鑒于古漢山煤層滲透性優(yōu)勢方位分布特征，可以指導(dǎo)瓦斯抽采鉆孔的施工角度，以獲得最優(yōu)瓦斯抽采效果。對于礦井東區(qū)煤層，瓦斯抽采鉆孔設(shè)計應(yīng)盡量與N50°E向垂直；對于礦井西區(qū)煤層，瓦斯抽采鉆孔設(shè)計應(yīng)盡量與N35°E向垂直。

4 結(jié)論

1）古漢山礦東區(qū)煤層主要發(fā)育有走向為N50°E 1組裂隙，西區(qū)煤層主要發(fā)育有走向N30°E、N20°W、N60°W 3組裂隙，結(jié)合地應(yīng)力對裂隙的開閉控制特征，可以預(yù)測東區(qū)煤層滲透性優(yōu)勢發(fā)育方位為N50°E、西區(qū)煤層滲透性優(yōu)勢發(fā)育方位為走向N30°E。

2）對煤層西區(qū)滲透率現(xiàn)場測試表明，沿N55°W施工的測試鉆孔滲透率明顯高于其它方位，煤層滲透性優(yōu)勢分布方位為N35°E向，滲透性優(yōu)勢方位滲透率平均值為 0.01×10－3μm2，現(xiàn)場測試結(jié)果和理論預(yù)測基本吻合。

3）基于煤層滲透性優(yōu)勢分布方位，分析了水力壓裂、酸化措施改造煤層對滲透率的影響，指出水力壓裂措施將導(dǎo)致煤層滲透性優(yōu)勢方位的滲透性進一步增強，而酸化煤層措施有利于西區(qū)煤層滲透性整體提高，礦井東區(qū)瓦斯抽采鉆孔應(yīng)與N50°E向垂直、西區(qū)瓦斯抽采的鉆孔應(yīng)與N35°E向垂直。