基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术.pdf

第 36 卷第 10 期煤炭学报Vol． 36No． 10 2011 年10 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct．2011 文章编号 0253 －9993 2011 10 －1715 －05 基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术 刘三钧 1 ， 马 耕 1 ， 卢 杰 2， 林柏泉3 1. 河南煤业化工集团研究院有限责任公司， 河南 郑州450046; 2. 河南煤业化工集团有限责任公司 永煤公司， 河南 永城 476600; 3. 中国矿 业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州221008 摘要 针对现有煤层瓦斯有效抽放半径测定方法实用性差的问题， 基于瓦斯压力和瓦斯含量的抛 物线方程关系， 推导出瓦斯压力变化与瓦斯抽采率的关系， 发明了基于瓦斯含量的相对压力测定有 效半径技术。利用瓦斯压力随抽放时间的变化情况确定煤层瓦斯抽放半径与抽放时间的关系， 进 而确定抽放钻孔间距、 抽放时间等抽放参数， 避免了在设计抽放钻孔过程中出现抽放空白带和钻孔 的无效重叠， 提高了煤层瓦斯的抽采率。 关键词 瓦斯含量; 相对压力; 有效半径; 抽放; 抽采率 中图分类号 TD712. 61文献标志码 A 收稿日期 2011－02－01责任编辑 毕永华 作者简介 刘三钧 1983 ， 男， 河南永城人， 硕士研究生。E － mail liye276018878163. com Relative pressure determination technology for effective radius found on gas content LIU San- jun1， MA Geng1， LU Jie2， LIN Bai- quan3 1． Research Institute Co． ， Ltd． of Hennan Coal ＆ Chemistry Industry Group， Zhengzhou450046， China; 2． Yongmei Company， Hennan Coal ＆ Chemistry In- dustry Group Co． ， Ltd． ， Yongcheng476600， China; 3． State Key Laboratory of Coal Resources ＆ Safe Mining， China University of Mining ＆ Technology， Xuzhou221008， China Abstract According to the problem that existing for determining effective drainage radius of coal seam gas is poor practicality， based on parabolic equation relation between gas content and gas pressure， the relation between gas pressure change and gas drainage efficiency was deduced， and invented the relative pressure determination technology for effective radius found on gas content． The relation between drainage radius and drainage time was determined by the change of gas pressure with drainage time， and determined borehole space， drainage time and other drainage pa- rameters， and avoided drainage blanking zone and invalid overlap of borehole in devising drainage borehole， enhanced gas drainage efficiency． Key wordsgas content; relative pressure; effective radius; drainage; gas drainage efficiency 煤矿瓦斯抽放是降低矿井瓦斯压力、 防止瓦斯爆 炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施， 起到了很好的防 突和综合治理瓦斯的效果。煤层瓦斯抽放的钻孔间 距是影响瓦斯抽放效果的重要因素 钻孔间距过大， 在抽放范围内容易形成抽放盲区; 钻孔间距过小， 容 易造成人力和物力的浪费。所以， 煤层瓦斯抽放钻孔 的设计应以钻孔的有效抽放半径为依据［1 －5 ］。而在 实际应用中， 在瓦斯抽放钻孔的布置参数选取上带有 一定的经验性， 在抽放参数 抽放时间、 半径、 负压 等 的选取上还没有形成统一的认识; 正确设计抽放 钻孔的布置方式、 数目等对提高煤层瓦斯的抽采率以 及合理制定瓦斯防治措施等都具有非常重要的意义， 是煤矿安全生产的重要保障。煤层瓦斯抽放的有效 半径是抽放方案设计的基础， 只有准确测定钻孔的有 效抽放半径才能合理地提高煤层瓦斯的抽采率， 达到 安全防突的目的 ［6 －7 ］。 1现有技术分析 目前应用的煤层瓦斯抽放有效半径测定方法主 要有示踪气体测定法、 计算机模拟测定法以及基于瓦 斯流态的测定法等， 现对其测定原理、 测定步骤、 结果 分析等作简要概述如下 煤炭学报 2011 年第 36 卷 1 示踪气体测定法。示踪气体的使用历史很 长， 在煤矿一般使用的示踪气体主要是 SF6。示踪气 体测定法钻孔设计示意如图 1 所示， 首先按照设计要 求施工注 SF6孔和抽放测试孔， 钻孔施工完毕后立即 封孔， 封孔后关闭各自阀门， 即可进行测定工作， 测定 步骤如下 ① 将抽放测试孔与瓦斯抽放系统联网， 保 持钻孔阀门的关闭状态; ② 将 SF6气体注入到注气孔 中， 然后将注气孔阀门关闭; ③ 打开抽放测试孔阀 门， 使其与瓦斯抽放系统联网， 进行瓦斯抽放; ④ 每 隔一定时间对抽放测试孔取气样， 测定分析 SF6示踪 气体， 一直测试到每个抽放测试孔都检测出示踪气体 SF6为止。然后根据上述对 SF6示踪气体的测试结 果， 把抽放测试孔距注气孔的距离与相应的抽放时间 的对应关系回归分析， 可求出在一定条件下的具体时 间对应的煤层瓦斯抽放有效半径［8 ］。 图 1示踪气体测定法钻孔设计示意 Fig. 1Schematic diagram for designing borehole in tracer gas technique 1 为注气孔; 2 为抽放测试孔 2 计算机模拟测定法。该方法以达西定律为 基础建立钻孔瓦斯流动模型， 编制解算程序， 模拟钻 孔周围瓦斯流动状况， 按照实际需要确定瓦斯抽放有 效性指标， 计算在具体的抽放孔径约束条件下达到瓦 斯抽放指标需要的时间， 绘制出抽放时间与有效抽放 半径的关系曲线， 在明确抽放时间的前提下， 找出对 应的有效抽放半径即可作为煤层瓦斯抽放的有效半 径， 进而确定钻孔有效抽放半径。 3 基于瓦斯流态的测定法。在渗流理论中采 用摩擦因数 f 与雷诺数 Re 的半对数曲线划分流 态 ［9 ］， 根据前人对气体在多孔介质中的渗流规律探 讨 ［10 －11 ］， 瓦斯在煤层中流动可分为低速非线性渗流 包括扩散 、 线性渗流以及高速非线性渗流。在抽 放半径范围内， 瓦斯流态以线性渗流和低速非线性渗 流为主， 即抽放半径以钻孔中心为起点， 以低速非线 性渗流与扩散的分界点为终点， 以抽放钻孔为中心， 在储层压力一定的情况下， 由钻孔向外随着运移距离 的增大依次分布 线性渗流区、 非线性渗流区和扩散 区， 图 2 为钻孔周围瓦斯流态的分布。 根据线性渗流定律和低速非线性渗流定律， 可推 导出线性渗流区范围的 Lx值 图 2钻孔周围瓦斯流态的分布 Fig. 2Flow state distribution around the borehole Lx 10 －15ρΔpk3/2 / 17. 5μ2φ 3/2Re 1 式中， ρ 为流体密度， kg/m3; Δp 为压差， MPa; k 为渗 透率， μm2; μ 为气体黏度， Pas; φ 为孔隙度， 。 以及非线性渗流区瓦斯运移的距离 Lf值， 有 Lf Δp/λ 2 其中， λ 为启动压力梯度， MPa/m。通过计算， 把 Lx值 与 Lf值相加即可得到在具体条件下的煤层瓦斯抽放 有效半径 Lr［12 ］。 上述几种方法都是对煤层瓦斯抽放有效半径测 定技术的有益探讨， 一定程度上满足了生产实践的需 要; 不过， 这几种方法在现实操作中很难实现。鉴于 此， 笔者发明了基于瓦斯含量的相对压力测定有效半 径技术， 该技术能够把抽放时间、 抽放半径、 抽放负压 等抽放参数紧密联系起来， 操作性强， 以期为优化预 抽钻孔布置、 缩短防突时间、 提高矿井瓦斯抽采率、 提 高防突效果和实现矿井安全生产等。 2有效半径测定新技术 2. 1理论依据 瓦斯在煤层中的赋存状态一般有两种， 即吸附状 态和游离状态。煤层瓦斯含量实际上是指吸附瓦斯 量和游离瓦斯量之和， 其值的大小往往是评价煤层瓦 斯储量和是否具有抽放价值的重要指标 ［13 ］， 其计算 公式朗格缪尔方程为 X abp 1 bp en t0－t 1 1 0. 31W 100 － A － W 100 VPT0 TP0ζ 3 6171 第 10 期刘三钧等 基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术 式中， X 为煤层瓦斯含量， m3/t; a、 b 为吸附常数; p 为 煤层瓦斯压力， MPa; n 为与瓦斯压力相关的系数; t0 为实验室测定煤吸附常数时的温度， ℃; t 为煤层温 度， ℃; A、 W 为煤中灰分和水分， ; V 为单位质量煤 的孔隙容积， m3/t; T0、 P0为标准状况下绝对温度与压 力; T 为瓦斯绝对温度， K; ξ 为瓦斯压缩系数。 上述煤层瓦斯含量的计算式在实际应用， 特别是 在研究煤层瓦斯流动需要考虑煤层瓦斯含量时， 显得 极为不便。为此， 根据实测煤层瓦斯含量曲线的变化 规律， 并考虑工程实际应用中允许的误差范围， 周世 宁院士提出用抛物线方程来近似取代煤层瓦斯含量 曲线 ［14 ］ ， 即 X α槡p 4 式中， α 为煤层瓦斯含量系数， m3/ tMPa0. 5 。 按照 煤矿安全规程 、 煤矿瓦斯抽采基本指 标 等 ［15 ］要求煤层瓦斯预抽率一般大于 30， 也就 是煤层抽放后的残余瓦斯含量应小于抽放前瓦斯含 量的 70， 即 Xc＜ 70X 5 根据煤层瓦斯含量 X 和煤层瓦斯压力 p 工业应 用公式， 把瓦斯压力代入瓦斯含量可得出 抽放后的 残余瓦斯压力应小于原始瓦斯压力的 49， 即 pc＜ 49p 6 其中， pc为残余瓦斯压力。也就是说， 瓦斯压力下降 量应大于原始瓦斯压力的 51， 约为一半， 基于瓦斯 含量的相对压力测定有效半径技术就是依据这个原 理来进行的 ［16 ］。 2. 2测定步骤 1 基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技 术钻孔设计平剖面示意如图 3 所示。按照设计方案 在测试点施工观测孔并且预留抽放孔的位置， 测试点 选择在不受断层影响和岩体保护比较完整且裂隙不 发育的地点。要求岩孔长度大于 15 m， 煤孔长度在 0. 2 ～0. 5 m 之间， 各观测孔平行分布在同一平面内。 每施工一个观测孔封孔一个， 然后装上压力表， 每天 观测压力表读数并如实做好记录。 2 根据测试点的需要设计钻孔的布置方式， 观 测孔和抽放孔在同一平面平行分布。钻孔施工时容 易产生 “扩孔” 现象， 即煤孔扩大致使各钻孔相通或 者孔间距减小不利于抽放半径的精确考察， 扩孔示意 如图 4 所示。一方面要求煤孔长度不能过长， 煤孔长 度在 0. 2 ～0. 5 m 之间; 另一方面要求观测孔按照图 1 所示方式交替分布在抽放孔的两侧并要求 1 号观 测孔与抽放孔间距为 d 孔间距 d 在 0. 5 ～ 1. 0 m 之 图 3钻孔设计平、 剖面示意 Fig. 3Plan and profile for designing borehole 1抽放孔; 21 ～6 号观测孔; 3压力表 间 ， 其他各孔间距为 2d， 这样可以在 2d 孔间距的情 况下得到的有效抽放半径的数值相差为 d， 提高了测 定的准确性。 图 4扩孔示意 Fig. 4Schematic diagram for reaming 3 等到所有观测孔压力读数全部稳定之后在 预留位置施工抽放孔， 施工抽放孔过程中注意各观测 孔读数的变化并做好记录。抽放孔施工完毕后及时 封孔并联网进行抽放， 要求钻孔工艺、 封孔工艺、 抽放 参数和现场应用的情况相同。每天记录单孔抽放参 数 负压、 浓度、 混合流量等 和观测孔的压力读数变 化情况。 把在一定的抽放时间内瓦斯压力下降一半对应 的观测孔与抽放孔的距离作为煤层瓦斯抽放有效半 径， 这样可以得到具体的抽放时间对应的煤层瓦斯抽 放的有效半径。 3现场应用及结果分析 为了更好地考察利用基于瓦斯含量的相对压力 测定有效半径技术的应用效果， 在义煤集团的义安矿 新安煤田施工了几组测试点， 设计钻孔直径 75 mm、 抽放负压 15 kPa， 抽放参数和现场的应用情 况基本相同。从其中设计的方案中优先选取数据较 全面且与抽放钻孔距离分布较有代表性的几个测试 钻孔作为考察对象， 其中 1、 2、 3、 4、 5 号测压孔距离抽 放孔的间距分别为 5、 4、 3、 2、 1 m， 瓦斯压力变化趋势 如图 5 所示。 从瓦斯压力变化趋势图可以看出 ① 1 号测压 孔瓦斯压力基本没有什么变化， 压力变化趋势线基本 上呈水平趋势; 由于压力表灵敏度问题以及读数误差 7171 煤炭学报 2011 年第 36 卷 图 5瓦斯压力变化趋势 Fig. 5Trend for gas pressure 原因等， 瓦斯压力在1. 60 MPa 上下浮动。抽放100 d 左右， 瓦斯压力没有什么变化， 说明设计测压孔距离 抽放孔间距为5 m 太大了， 抽放效果不明显。② 2 号 测压孔瓦斯压力变化基本上呈下降趋势， 不过， 压力 变化很慢， 变化幅度很小， 在 140 d 内瓦斯压力下降 了 0. 15 MPa， 即 140 d 下降了 10 左右。可以说， 抽 放140 d 可影响到4 m。③ 3 号测压孔瓦斯压力一直 在下降， 而且压力变化趋势线明显呈下降趋势。抽放 120 d 左右， 瓦斯压力从 1. 8 MPa 下降到 0. 88 MPa， 即抽放120 d 瓦斯压力下降 50左右。可以说， 在抽 放 120 d 的情况下， 煤层瓦斯抽放有效半径为 3 m。 ④ 4 号测压孔瓦斯压力一直在下降， 而且压力变化 趋势线明显呈下降趋势。瓦斯压力从 1. 9 MPa 下降 到 0. 92 MPa， 即抽放 80 d 瓦斯压力下降 50 左右。 可以说， 在抽放 80 d 的情况下， 煤层瓦斯抽放有效半 径为2 m。⑤ 5 号测压孔抽放前30 d 内， 瓦斯压力在 一直在下降， 而且压力变化趋势线明显呈下降趋势。 瓦斯压力从 1. 72 MPa 下降到 0. 85 MPa， 即抽放 30 d 瓦斯压力下降 50左右。可以说， 在抽放 30 d 的情 况下， 煤层瓦斯抽放有效半径为 1 m。在抽放后期， 瓦斯压力变化不明显， 基本保持在0. 35 MPa 左右， 说 明煤层瓦斯抽放率和抽放时间存在一个极限问题。 由以上结果可分析得 1 在新安煤田进行瓦斯 预抽时， 设计钻孔直径 75 mm、 在抽放负压 15 kPa 左 右的情况下， 抽放 140 d 可影响到 4 m， 抽放 120 d 有 效半径可达到 3 m， 抽放 80 d 有效半径可达到 2 m， 抽放 30 d 有效半径可达到 1 m。 2 从煤层瓦斯抽 放有效半径测定过程中发现 ① 在煤层瓦斯的有效 抽放时间内， 对不同钻孔间距的钻孔而言， 要达到相 同的预抽率， 间距大的钻孔所需时间长， 间距小的钻 孔所需时间短; ②对于约束条件一定的煤层， 煤层瓦 斯抽放范围和抽放量随着抽放时间的延长而逐步增 加， 但是增加到一定的程度不再增加， 即煤层瓦斯抽 放范围和抽放量存在一个极限抽放时间问题。 4结论 1 在对比分析现有煤层瓦斯抽放有效半径测 定方法存在问题的基础上， 发明的基于瓦斯含量的相 对压力测定有效半径技术把抽放参数紧密联系起来， 操作性强， 避免了在设计抽放钻孔布置过程中出现空 白带和钻孔的无效重叠， 提高了煤层瓦斯的抽采率， 对实现矿井安全生产等具有现实意义。 2 根据煤层瓦斯压力和瓦斯含量的对应关系， 推导出瓦斯压力变化与瓦斯抽采率的关系， 利用瓦斯 压力相对变化情况来确定煤层瓦斯抽放的有效半径， 不受瓦斯压力测定精确性的影响， 并且采取措施减少 或消除打钻“扩孔” 现象的影响， 提高有效半径测定 的准确性。 3 在煤层瓦斯的有效抽放时间内， 要达到相同 的预抽率， 间距大的钻孔所需时间长， 间距小的钻孔 所需时间短。 4 煤层瓦斯的抽采率随着抽放时间的延长而 逐步增加， 但是增加到一定的程度不再增加， 即存在 一个抽放极限问题。 参考文献 ［ 1］俞启香． 矿井瓦斯防治［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1992． ［ 2］张铁岗． 矿井瓦斯综合治理技术［M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 2001． ［ 3］卫修君， 林柏泉． 煤岩瓦斯动力灾害发生机理及综合治理技术 ［M］． 北京 科学出版社， 2009． ［ 4］申宝宏， 刘建中， 张泓． 我国煤矿瓦斯治理的技术对策［J］． 煤 炭学报， 2007， 32 7 673 －679． Shen Baohong， Liu Jianzhong， Zhang Hong． The technical measures of gas control in China coal mines［ J］ ． Journal of China Coal Socie- ty， 2007， 32 7 673 －679． ［ 5］杜泽生， 罗海珠． 煤矿瓦斯有效抽放半径的测定计算方法［J］． 煤炭科学技术， 2009， 37 2 59 －62． Du Zesheng， Luo Haizhu． Measuring and calculation of bore- hole effective gas drainage radius［ J］． Coal Science and Technology， 2009， 37 2 59 －62． ［ 6］于不凡． 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［M］ ． 北京 煤炭工 业出版社， 2000． ［ 7］卢平， 李平， 周德永． 石门揭煤防突抽放瓦斯钻孔合理布置 参数的研究［ J］． 煤炭学报， 2002， 27 3 244 －248． Lu Ping， Li Ping， Zhou Deyong． Study on proper layout parameters of the gas drainage drills of outburst prevention in rock cross- cut coal uncovering［ J］． Journal of China Coal Society， 2002， 27 3 244 － 248． ［ 8］陈金玉， 马丕梁． SF6 气体示踪法测定钻孔瓦斯抽放有效半径 ［J］ ． 煤矿安全， 2008 9 23 －25． ［ 9］翟云芳． 渗流力学［ M］ ． 北京 石油工业出版社， 1994． ［ 10］刘建军， 刘先贵， 胡雅衽． 低渗透岩石非线性渗流规律研究 8171 第 10 期刘三钧等 基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术 ［J］． 岩石力学与工程学报， 2003， 22 4 556 －561． Liu Jianjun， Liu Xiangui， Hu Yaren． Study on nonlinear seepage of rock of low permeability［J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2003， 22 4 556 －561． ［ 11］计秉玉， 李莉， 王春燕． 低渗油藏非达西渗流面积井网产油量 计算方法［J］． 石油学报， 2008， 29 2 256 －261． Ji Bingyu， Li Li， Wang Chunyan． Oil production calculation for are- al well pattern of low- permeability reservoir with non- Darcy seepage flow［ J］ ． Acta Petrolei Sinica， 2008， 29 2 256 －261． ［ 12］马耕， 苏现波． 基于瓦斯流态的抽放半径确定方法［J］ ． 煤炭 学报， 2009， 34 4 501 －504． Ma Geng， Su Xianbo． The determination of coal gas drain- age radius based on methane flow state［J］． Journal of China Coal Society， 2009， 34 4 501 －504． ［ 13］周世宁， 林柏泉． 煤层瓦斯赋存与流动理论［M］ ． 北京 煤炭工 业出版社， 1998． ［ 14］王晓亮． 煤层瓦斯流动理论模拟研究［D］． 太原 太原理工大 学， 2003 10 －14． ［ 15］国家安全生产监督管理局， 国家煤矿安全监察局． 煤矿安全规 程［M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 2010． ［ 16］刘三钧． 高瓦斯松软煤层综合预抽技术研究［ D］． 徐州 中国矿 业大学， 2010 櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰櫰 35 －39． 2012 年 煤炭学报 征订启事 煤炭学报 是中国煤炭学会主办的、 向国内外发行的煤炭科学技术方面的综合性学术刊物。主要刊载煤 田地质与勘探、 煤矿开采、 矿山测量、 矿井建设、 煤矿安全、 煤矿机械工程、 煤矿电气工程、 煤炭加工利用、 煤矿环 境保护等方面的科学研究成果论著和学术论文， 以及煤矿生产建设、 企业管理经验的理论总结， 也刊载重要学 术问题的讨论及国内外煤炭科学技术方面的学术活动简讯。 煤炭学报 刊载的论文具有较高的学术价值和文献收藏价值， 被 Ei、 IEA Coal Abstract CD- ROM、 中国科学 引文数据库、 科学技术文摘速报 日本 、 Coal Highlights、 中国学术期刊文摘等国内外 20 多种重要文摘检索系 统所收录。1992 年荣获首届全国优秀科技期刊评比二等奖， 获中国科学技术协会优秀学术期刊二等奖， 获北 京市新闻出版局、 北京市科学技术期刊编辑学会全优期刊奖。1996 年荣获第二届全国优秀科技期刊评比一等 奖， 获中国科学技术协会优秀科技期刊一等奖。1999 年荣获首届国家期刊奖。2004， 2007， 2010 年分别入选第 三、 第六和第九届百种中国杰出学术期刊。2008 年荣获“中国精品科技期刊” 称号。2009 年荣获“新中国 60 年有影响力的期刊” 称号。 煤炭学报 深受广大作者、 读者的爱护和支持， 也受到各级部门的重视， 在学术水平上具有较高的地位， 很多单位都将在 煤炭学报 发表的论文作为作者学术水平考核指标之一。 煤炭学报 为月刊， 每期 176 页， 每册订价 58 元， 全年共收费 696 元。欲订阅者可直接与本编辑部联系， 编辑部随时办理订阅手续。 本刊地址北京市和平里煤炭科学研究总院内 煤炭学报 编辑部邮政编码 100013 联系电话 010 84262930联系人 毕永华 E － mail mtxbbyh126. com 9171