低渗煤层高压注水驱替瓦斯提高抽采效率的试验研究

李 妍

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

山西焦煤集团公司辛置煤矿属于低瓦斯矿井，2#煤层厚度为3.8～4.3m，平均4.1m，属于中厚煤层。煤层倾角2°～4°，平均3°，属于近水平煤层。矿井南区开采的2#煤层瓦斯含量和瓦斯涌出量较大，瓦斯绝对涌出量为42.44m3/min，相对涌出量为8.69m3/t，煤层透气性系数为0.0598～0.1456m2/MPa2·d。为保障工作面正常开采，采用顺层钻孔治理本煤层瓦斯。目前，已经用顺层钻孔抽采过的工作面有2-106、2-105，整体抽采效果较差。

2-109 工作面位于310水平，开采2#煤层，煤层平均厚度为3.95m。煤层顶板为泥岩和K8细砂岩，底板为泥岩和中砂岩，煤层含两层夹矸，厚度0.1～0.7m。工作面设计采用综合机械化采煤法，采用金属支架支护一次采全高，全部垮落法管理顶板。2#煤层煤质主要为肥煤，同时含有少量的焦煤，煤层瓦斯压力为1.59MPa，瓦斯含量为9.82m3/t，透气性系数0.0855m2/MPa2·d，钻孔流量衰减系数为0.3987～0.7965d-1，属于难抽采煤层。2-109工作面煤层瓦斯含量较高，预计回采期间瓦斯绝对涌出量可达46.89m3/min。由于采用顺层钻孔抽采的2-106和2-105工作面抽采效果很不理想，抽采周期过长，效率较低，因此设计在2-109工作面开展煤层注水促抽瓦斯试验，测定注水前后瓦斯抽采的相关参数。

2 煤层注水促抽瓦斯及其影响因素数值模拟研究

2.1 建立数值模型

为合理确定现场试验的相关参数，采用FLUENT软件对煤层注水促抽瓦斯效果及其相关因素进行模拟研究，获取煤层注水合理的工艺技术参数，为煤层注水促抽瓦斯试验提供相关的依据[1-2]。运用Gambit建立尺寸为长×宽=15×6.4m的二维几何模型，模型上布置三个钻孔，钻孔间距为5.0m，钻孔的直径为94mm。中间的2#孔，即注水孔和抽采孔，网格通过由线至面的方式进行划分，在钻孔附近加密网格得到划分。建立的煤层注水促抽瓦斯模型如图1所示。

图1 煤层注水促抽瓦斯数值模型

2.2 煤层注水促抽瓦斯效果分析

为研究煤层注水对于瓦斯抽采的影响效果，设置煤层原始压力为1.6MPa，抽采负压为6000Pa，煤层渗透性系数根据2-109工作面的实际情况取0.146×10-15m2。对煤层正常抽采20d后，将2#孔作为注水孔，1#和3#孔作为瓦斯抽采孔，连续注水10d，注水压力为7.5MPa，观察注水期间煤层内瓦斯的运移情况。

图2 注水促抽瓦斯效果模拟结果

根据图2（a）所示的模拟结果可知，经过20d的瓦斯抽采之后，煤层内瓦斯压力由1.6MPa减小为0.8MPa。在煤层注水前期，煤层压力最大的区域为压力水覆盖区域，以注水孔为中心径向逐渐减小，高压水未覆盖区域的压力主要为瓦斯压力。随着注水时间的增加，高压水的覆盖范围以注水孔为中心，在注水钻孔径向方向逐渐增大，高压水覆盖的区域整体的压力逐渐增大，由于高压水驱替作用的影响，在高压水未覆盖的区域煤层瓦斯压力也由原本的0.8MPa增大至1.3MPa左右，瓦斯抽采的有效压差明显的增大，提高瓦斯抽采的效率。

根据图2（b）注水后抽采时煤层瓦斯含量分布图可知，注水后进行抽采时，煤层瓦斯含量分布规律和注水前基本相同，但是数值上有明显的减小。随着注水抽采时间的增加，压力水覆盖的范围不断增大，煤层瓦斯的含量明显减小。注水抽采时间由1d增加至10d时，煤层瓦斯含量由0.98～2.31m3/t减小为0.23～0.68m3/t。在正常抽采20d后，通过煤层注水抽采能够使煤层内瓦斯在较短的时间内降至更低的范围，能够明显缩短瓦斯抽采的时间周期。

2.3 煤层注水促抽瓦斯试验参数模拟分析

煤层注水促抽瓦斯工艺参数比较复杂，瓦斯抽采效果的影响因素很多，常见的有注水时间、注水时机、注水压力等关键参数[3-4]。下面给出注水时机和时间模拟分析的过程。

图3 煤层注水效果影响因素模拟结果

对于顺层钻孔抽采瓦斯进行煤层注水促抽，煤层注水的时机非常关键。采用上述模型模拟不同抽采时间后开始注水的促抽效果，抽采时间分别为0d、10d、20d、30d，不同注水时机情况下瓦斯抽采孔内瓦斯流量的变化如图3（a）所示。由图可知，开始煤层注水越早，瓦斯抽采钻孔内瓦斯流量的增幅越大，瓦斯抽采的效果越好。采用顺层钻孔抽采瓦斯前期瓦斯浓度较高，为充分发挥注水促抽技术的优势，考虑在抽采一段时间后再介入煤层注水，这样既可以节约生产成本，又能明显提高瓦斯抽采的效率。当抽采时间达到20d后，抽采孔瓦斯流量降至3.42×10-7m3/s，瓦斯抽采的效率已经非常低，这时开始煤层注水促抽比较合理。

适当的注水时间既要达到理想的促抽瓦斯效果，又要避免压力水进入瓦斯抽采孔，当抽采20d后，分别模拟注水时间为0d、5d、10d、15d条件下，抽采孔内瓦斯流量随时间的变化规律，结果如图3（b）所示。注水时间在0～10d内变化时，抽采孔内瓦斯流量不断增大，超过10d孔内瓦斯流量开始减小，注水时间超过13d时，抽采孔内瓦斯流量出现剧烈的波动，说明此时注水孔内的高压水已经渗入临近的抽采孔，因此在实际工程中注水时间定为10d比较合理。由于篇幅有限，上述给出了注水时机和注水时间的分析过程，通过相同的方法确定的参数还有：注水压力，8MPa；注水方式，间歇注水；钻孔布置方式，一注一抽；钻孔间距，5m；钻孔直径对于抽采效果影响较小可不单独考虑。

3 煤层注水促抽瓦斯现场试验

在2-109工作面运输顺槽，未进行顺层钻孔瓦斯抽采的区域，距离巷道底板1.5m处施工3个直径为94mm的顺层钻孔，分别为1#、2#、3#，钻孔间距为5m，其中2号孔兼做注水孔和瓦斯抽采孔。在钻孔之间施工4个检测孔用来测试促抽瓦斯后煤层内残余瓦斯的含量，检测孔深度为20m。钻孔的布置详见图4。

图4 现场试验钻孔布置示意图

瓦斯抽采钻孔施工完毕后立即采用“两堵一注”的方法进行封孔，封孔长度不小于8m，瓦斯抽采管直径为75mm。三个钻孔封孔完成后，即开始抽采瓦斯。根据数值模拟的结果，在累计抽采20d后，对2#孔实施高压注水，注水孔封孔采用抽采管+膨胀胶管封孔方式。注水压力为8MPa，注水时间为10d，采用间歇式注水，累计注水123m3。注水后继续对抽采孔内瓦斯纯流量进行了25d的监测，将注水前后的瓦斯纯流量随时间变化的曲线进行拟合，得到如图5所示的结果。

根据图5监测结果可知，1#和3#钻孔瓦斯纯流量随时间变化规律基本相同。抽采20d后，注水前1#孔瓦斯纯流量为0.0021m3/min，3#孔瓦斯纯流量为0.0024m3/min。瓦斯纯流量变化在注水期间可分为两个阶段：（1）注水前期，抽采孔内瓦斯纯量由于高压水的驱赶作用逐渐增大，1#抽采孔瓦斯纯流量最大可达0.0235m3/min，为注水前的11.2倍，3#抽采孔瓦斯纯流量最大可达0.0189m3/min，为注水前的7.9倍；（2）注水后期（大约注水5d后），随着抽采时间的增加，抽采孔内瓦斯纯流量也开始逐渐降低。整个注水阶段1#抽采孔瓦斯纯流量平均为0.0132m3/min，为注水前的6.6倍，整个注水阶段3#抽采孔瓦斯纯流量平均为0.0109m3/min，为注水前的4.6倍。注水结束后抽采孔内瓦斯纯流量仍为注水前的2～4倍。综上可知，采用煤层高压注水技术对于顺层钻孔瓦斯抽采的效果影响显著，抽采瓦斯的纯流量和浓度明显提高。

图5 抽采孔瓦斯纯流量随时间变化规律

4 结 语

采用煤层注水驱替瓦斯技术能够提高瓦斯抽采的效率，结合辛置煤矿2#煤层具体的参数，通过数值模拟确定高压注水驱替瓦斯技术相关参数：注水时机，抽采20d后；注水时间，10d；注水压力，8MPa；注水方式，间歇注水；钻孔布置方式，一注一抽；钻孔间距，5m；钻孔直径对于抽采效果影响较小可不单独考虑。根据模拟获得的技术参数，在2-109工作面现场进行煤层注水试验，总结出了煤层注水驱替瓦斯提高瓦斯抽采效率的技术方法，注水期间抽采孔内瓦斯纯流量可提高6～11倍。