秦 可

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著我國煤礦開采規(guī)模和開采深度的增加，煤層瓦斯已成為主要的能源，因此瓦斯抽采效果也備受關(guān)注。然而由于我國地質(zhì)復雜，瓦斯儲存通常呈現(xiàn)出低飽和度和低儲層壓力的特點，同時由于我國瓦斯抽采技術(shù)起步晚，導致瓦斯抽采率低。為解決上述問題，部分學者探討了不同鉆孔半徑和不同鉆孔布置方式對瓦斯抽采效果的影響，如馬建等開展不同鉆孔半徑對瓦斯抽采效果的試驗，確定了瓦斯抽采過程中鉆孔最佳半徑及最佳布置方式。但以上研究忽略不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響，而鉆孔間距是影響瓦斯抽采效果的主要因素之一。合理的布置鉆孔可有效提高瓦斯抽采效率，改善瓦斯抽采效果。因此，本研究從鉆孔間距角度出發(fā)，分析不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響，以改善瓦斯抽采效果。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及煤樣處理

本試驗選用多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)作為試驗裝置。煤樣來自貴州某煤礦。煤樣收集后，首先用顎式破碎機將煤樣破碎，并用振動篩進行篩分；然后向篩分后的煤樣中加入質(zhì)量分數(shù)為6.8%的石膏和3%的乳白膠充分攪拌均勻；最后，在壓力為7.5 MPa的5 000 kN的成型機上保壓1 h成型，得到試驗用煤樣。

1.2 試驗方案

本試驗采用均布荷載方式，加載系統(tǒng)為9套液壓加載壓頭，其中荷載的應力大小===4.0 MPa；設置兩孔間距分別為250、504、784 mm，對應II&III鉆孔抽采、II&IV鉆孔抽采、I&IV鉆孔抽采的3組物理模擬瓦斯抽采實驗。具體試驗方案如表1所示，鉆孔布置如圖1所示。

表1 不同鉆孔布置間距試驗方案Tab.1 Test scheme of different borehole spacing

圖1 不同鉆孔間距布置示意圖Fig.1 Layout diagram of different borehole spacing

1.3 傳感器布置

本試驗在試件內(nèi)部布設40個氣體壓力傳感器，14個溫度傳感器；在箱體進氣端布設1個氣體壓力傳感器，1個流量計；在抽采系統(tǒng)4個鉆孔出氣端分別布設1個氣體壓力傳感器，2個流量計；在箱體外部布設1個溫度傳感器，用于監(jiān)測實驗環(huán)境溫度變化。為便于后續(xù)結(jié)果分析，研究采用笛卡爾空間坐標[7]將試件箱體轉(zhuǎn)化為三維坐標圖。其中，試件箱體長寬高分別對應笛卡爾空間坐標的Z軸、Y軸、X軸，坐標原點為試件箱體左側(cè)左下角，如圖2所示。

圖2 傳感器布設三維示意圖Fig.2 3D layout diagram of sensors

圖2中，圓圈表示溫度傳感器，正方形表示氣壓傳感器，三角形表示同時包含溫度傳感器和氣壓傳感器；實線段表示連接段，為連接抽采鉆孔與箱體的軟管，虛線段表示抽采段。

1.4 試驗步驟

不同鉆孔間距的瓦斯抽采步驟為：

步驟1：將煤樣分批次加入布設好傳感器的試件箱中，設定三軸應力加載為7.5 MPa，連接試件箱與氣源，并將傳感器連接到電腦；

步驟2：對煤樣進行真空處理后連續(xù)充氣，直到煤樣吸附飽和；

步驟3：依次打開實驗中所預設的鉆孔出氣口閥門，并監(jiān)測、記錄氣壓、溫度、流量傳感器的參數(shù)變化；

步驟4：保存?zhèn)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)后，檢查并關(guān)閉各試驗裝置。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鉆孔間距對瓦斯抽采流量的影響

瓦斯抽采流量是衡量瓦斯抽采效果的重要指標，可通過現(xiàn)場測量獲得。為驗證不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響，在不同鉆孔間距條件下，測量3次抽采實驗的累積流量隨時間的變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，瓦斯抽采時間內(nèi)，隨著抽采的延長，瓦斯抽采累積流量呈現(xiàn)前期變化量大，后期變化量小的特點；II&III鉆孔抽采累積流量為2 342 L，I&IV鉆孔抽采累計流量為2 320 L，II&IV鉆孔抽采累積流量為2 270 L。由此說明，不同鉆孔間距的累計瓦斯抽采流量集中在2 200～2 400 L之間，且II&III鉆孔瓦斯抽采累積流量最大，即鉆孔間距為250 mm時，瓦斯抽采累積流量最大。

圖3 不同鉆孔間距瓦斯抽采累計流量對比Fig.3 Comparison of cumulative flow of gas drainage with different borehole spacing

為更好地分析不同間距對瓦斯抽采效果的影響，在II&IV鉆孔條件下，對鉆孔的瞬時流量和累積流量分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 II&IV鉆孔條件下瓦斯抽采流量變化Fig.4 Variation of gas drainage flow under II & IV borehole conditions

其中圖4（a）、圖4（b）分別為II&IV鉆孔條件下，II號鉆孔和IV鉆孔瞬時流量與累積流量的關(guān)系；圖4（c）為II&IV鉆孔條件下，II、IV號鉆孔累積流量關(guān)系。由圖4可知，瓦斯抽采時間內(nèi)，隨著抽采的延長，瓦斯抽采累積流量呈前期變化量大，后期變化量小的特點，與上述結(jié)果一致；II&IV鉆孔抽采流量為2 270 L，抽采效率為73.88%，II、IV號鉆孔的瓦斯抽采流量分別為1 181、1 089 L，II號鉆孔累積流量略大于IV號鉆孔。

圖5為I&IV鉆孔條件下瓦斯抽采瞬時流量與累積流量圖。

圖5 I&IV鉆孔條件下瓦斯抽采流量變化Fig.5 Variation of gas drainage flow under I & IV borehole conditions

其中圖5（a）、圖5（b）分別為I號、IV號鉆孔瞬時流量與累積流量關(guān)系，圖5（c）為I號、IV號鉆孔累積流量關(guān)系。由圖5可知，相較于II&IV鉆孔累積瓦斯抽采流量，增大鉆孔間距，瓦斯抽采流量提升到2 320 L，抽采效率達到75.41%。其中，I號鉆孔瓦斯抽采流量為1 195 L，IV號鉆孔瓦斯抽采流量為1 125 L；I號鉆孔瓦斯抽采累積抽采流量略大于IV號鉆孔。

2.2 不同鉆孔間距對瓦斯有效抽采范圍的影響

鉆孔有效抽采面積是評估不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果影響的重要指標。研究將箱體主縱面內(nèi)殘余氣壓低于0.49 MPa的區(qū)域視為鉆孔有效抽采范圍，采用MATLAB軟件提取等壓線坐標，并利用polyarea函數(shù)計算II&III鉆孔、II&IV鉆孔、I&IV鉆孔瓦斯有效抽采面積進行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同鉆孔間距在t=10 min時的有效抽采面積Fig.6 Effective extraction area of different borehole spacing when t=10 min

由圖6可知，抽采時間=10 min時，II&III鉆孔有效抽采面積為26 455.4 mm，II鉆孔有效抽采面積為16 592 mm，III鉆孔有效抽采面積為9 863.4 mm；II&IV鉆孔有效抽采面積為22 462.6 mm，II鉆孔有效抽采面積為12 986 mm，IV鉆孔有效抽采面積為9 476.6 mm；I&IV鉆孔有效抽采面積為17 730.3 mm，I鉆孔有效抽采面積為7 837.2 mm，IV鉆孔有效抽采面積為9 893.1 mm。由此說明，抽采時間=10 min時，II&III鉆孔有效抽采面積最大，即不同鉆孔間距會影響瓦斯抽采效果，隨著相鄰鉆孔間距增大，有效抽采面積逐漸減小。

為分析不同鉆孔間距下，瓦斯抽采有效面積隨時間變化，對II&III鉆孔、II&IV鉆孔、I&IV鉆孔瓦斯有效抽采面積隨時間變化進行分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7（a）可知，隨著抽采時間的延長，II鉆孔和III鉆孔的有效面積逐漸增大；當抽采時間=12 min時，II鉆孔和III鉆孔氣壓值與0.49 MPa等壓線相交，只能計算II鉆孔和III鉆孔累積抽采面積；當抽采時間=17 min時，II鉆孔和III鉆孔有效面積增大到箱體邊界位置，Polyarea函數(shù)無法計算面積，此時II&III鉆孔有效抽采面積為7 374.9 mm。由圖7（b）可知，隨著抽采時間的延長，II鉆孔和IV鉆孔的有效面積逐漸增大；當抽采時間=17 min時，II&III鉆孔有效抽采面積為48 023 mm；當抽采時間=21 min時，II鉆孔和III鉆孔有效面積增大到箱體邊界位置，兩孔氣壓值未與0.49 MPa等壓線相交，Polyarea函數(shù)無法計算面積，II&III鉆孔有效抽采面積為82 018.5 mm。由圖7（c）可知，當抽采時間=6 min時，I鉆孔開始有效抽采范圍；當＞6 min后，隨著抽采時間的延長，I鉆孔有效抽采面積逐漸增大；當＞13 min后，I鉆孔有效抽采面積超過IV鉆孔；當=19 min時，I鉆孔和IV鉆孔有效抽采面積達到箱體邊界位置，兩孔氣壓值未與0.49 MPa等壓線相交，Polyarea函數(shù)無法計算面積。

圖7 不同鉆孔間距有效抽采面積隨時間變化Fig.7 Variation of effective extraction area of different borehole spacing changing with time

由圖7（d）可知，隨著抽采時間的增加，3種鉆孔間距的有效抽采面積均逐漸增大，任一相同抽采時刻下，II&III鉆孔抽采面積最大；當＜13 min時，I&IV鉆孔有效抽采面積最小；當＞13 min時，II&IV鉆孔有效抽采面積最小。由此說明，II&III鉆孔條件下，即相鄰鉆孔間距d=250 mm時，兩鉆孔的疊加效應最強，鉆孔的有效抽采面積最大。

3 結(jié)語

通過上述模擬實驗，得出以下結(jié)論：

（1）不同鉆孔間距影響瓦斯抽采流量，當相鄰兩個鉆孔間距為250 mm時，瓦斯抽采流量最大，為2 342 L，瓦斯抽采效果最好；隨著間距的增大，瓦斯抽采流量逐漸減小，瓦斯抽采效果逐漸降低；

（2）不同鉆孔間距影響瓦斯有效抽采面積，進而影響瓦斯抽采效果。相鄰鉆孔間距越大，有效抽采面積越小，瓦斯抽采效果越差；相鄰鉆孔間距越小，有效抽采面積越大，瓦斯抽采效果越好。