不同鉆孔間距對瓦斯抽采的影響研究

秦可

摘 要：提出采用多場耦合煤層氣開采物理模擬試驗系統就瓦斯抽采模進行擬試驗，并分析不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響。結果表明，不同鉆孔間距通過影響瓦斯抽采流量和瓦斯有效抽采面積，進而影響瓦斯抽采效果。當相鄰鉆孔間距為250 mm時，瓦斯的抽采流量和有效抽采面積最大，分別為2 342 L和26 455.4 mm2，瓦斯抽采效果最好;當相鄰鉆孔間距為504 mm時，瓦斯的抽采流量和有效抽采面積分別為2 320 L和22 462.6 mm2;當相鄰鉆孔間距增大到784 mm時，瓦斯的抽采流量和有效抽采面積分別為2 270 L和17 730.3 mm2。

關鍵詞：煤層瓦斯;鉆孔間距;瓦斯抽采;物理模擬

中圖分類號：TD712+.6 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0080-05

Study on influence of different borehole spacing on gas drainage

Abstract： The physical simulation test of gas drainage was carried out through the multi field coupling physical simulation test system of coalbed methane mining， and the influence of different borehole spacing on gas drainage effect was analyzed from the aspect of borehole layout spacing. The results show that the gas drainage effect is affected by different borehole spacing. When the distance between adjacent boreholes is 250 mm， the gas drainage flow and effective drainage area are the largest， reaching 2 342 L and 26 455.4 mm2 respectively， and the gas drainage effect is the best; when the distance between adjacent boreholes is 504 mm， the gas drainage flow and effective drainage area are 2 320 L and 22 462 mm2 ， When the distance between adjacent boreholes increases to 784 mm， the gas drainage flow and effective drainage area are 2 270 L and 17 730.3 mm2 respectively. The increase of the distance between adjacent boreholes， the gas drainage flow and effective drainage area gradually decrease.

Key words： coal seam gas;borehole spacing;gas drainage;physical simulation

收稿日期：2021-06-21;修回日期：2022-04-08

隨著我國煤礦開采規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注。然而由于我國地質復雜，瓦斯儲存通常呈現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[1-4]。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[5]。因此，本研究從鉆孔間距角度出發，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作為試驗裝置[6]。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量分數為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，加載系統為9套液壓加載壓頭，其中荷載的應力大小σ1=σ2=σ3=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。

1.3 傳感器布置

本試驗在試件內部布設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，用于監測實驗環境溫度變化。為便于后續結果分析，研究采用笛卡爾空間坐標[7]將試件箱體轉化為三維坐標圖。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左下角，如圖2所示。

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，并監測、記錄氣壓、溫度、流量傳感器的參數變化;

步驟4：保存傳感器采集到的數據后，檢查并關閉各試驗裝置。

2 結果與分析

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[8]，可通過現場測量獲得。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，結果如圖3所示。由圖3可知，瓦斯抽采時間內，隨著抽采的延長，瓦斯抽采累積流量呈現前期變化量大，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。

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，結果如圖4所示。

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系;圖4（c）為II&IV鉆孔條件下，II、IV號鉆孔累積流量關系。由圖4可知，瓦斯抽采時間內，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。

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系，圖5（c）為I號、IV號鉆孔累積流量關系。

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[9-10]。研究將箱體主縱面內殘余氣壓低于0.49 MPa的區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，結果如圖6所示。

由圖6可知，抽采時間t=10 min時，II&III鉆孔有效抽采面積為26 455.4 mm2，II鉆孔有效抽采面積為16 592 mm2，III鉆孔有效抽采面積為9 863.4 mm2;II&IV鉆孔有效抽采面積為22 462.6 mm2，II鉆孔有效抽采面積為12 986 mm2，IV鉆孔有效抽采面積為9 476.6 mm2;I&IV鉆孔有效抽采面積為17 730.3 mm2，I鉆孔有效抽采面積為7 837.2 mm2，IV鉆孔有效抽采面積為9 893.1 mm2。由此說明，抽采時間t=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t=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t=17 min時，II鉆孔和III鉆孔有效面積增大到箱體邊界位置，Polyarea函數無法計算面積，此時II&III鉆孔有效抽采面積為7 374.9 mm2。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t=17 min時，II&III鉆孔有效抽采面積為48 023 mm2;當抽采時間t=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函數無法計算面積，II&III鉆孔有效抽采面積為82 018.5 mm2。由圖7（c）可知，當抽采時間t=6 min時，I鉆孔開始有效抽采范圍;當t>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t>13 min后，I鉆孔有效抽采面積超過IV鉆孔;當t=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函數無法計算面積。

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t<13 min時，I&IV鉆孔有效抽采面積最小;當t>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 結語

通過上述模擬實驗，得出以下結論：

（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。

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作者簡介：秦 可（1988-），男，本科，工程師，研究方向：煤礦區地面井下定向鉆探、 瓦斯防治、礦區水害防治、

地質異常體探查。