瓦斯抽采过程中本煤层及邻近层储层参数演化特征

江 成，李奇贤，韩恩德

（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400044）

瓦斯抽采是预防瓦斯事故和促进瓦斯利用的有效途径，深入认识瓦斯抽采过程中煤储层参数演化规律，对于瓦斯安全高效抽采具有重要指导价值。对此，相关学者已经开展了大量的数值模拟和试验研究[1-6]。张天军等[7]基于相似模拟试验和数值模拟方法，分析了不同抽采负压条件下流量、煤体内压力及渗流速度规律；宋浩然等[8]基于煤体的各向异性和非均质性，分析了煤层抽采中水力割缝钻孔周围瓦斯压力以及渗透率的时空演化规律；曹佐勇等[9]建立了包含煤岩变形、瓦斯运移、孔隙率和渗透率演化数学方程的低透气性含瓦斯煤气固耦合模型，分析了近距离突出煤层群水力冲孔钻孔周围煤体瓦斯压力与孔径之间的时空演化规律；林柏泉等[10]基于双重孔隙介质的假设，建立了应力场、渗流场和扩散场多场耦合模型，并引入动态扩散系数，研究了抽采过程中煤层瓦斯流场演化规律；王登科等[11]基于Kozeny-Carman 方程，建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型，并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。目前关于瓦斯抽采过程中煤储层参数演化规律的研究多侧重单一煤层，对于煤层群条件下本煤层瓦斯抽采对邻近层影响及邻近层储层参数演化还有待深入研究。鉴于此，开展了近距离煤层群条件下瓦斯抽采物理模拟试验，重点探讨本煤层及邻近层瓦斯压力、煤层变形及瓦斯压力与煤层变形耦合关系。

1 试验方法

1.1 试验装置及试验方案

试验装置可模拟多场耦合条件下的煤层群瓦斯抽采过程，试验装置示意图如图1。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

试验中依据煤层分布选取中间2 个煤层为本煤层，其余为邻近层，以探究抽采过程中本煤层和邻近层储层参数演化。试验在每个煤层内均布设10 个气压传感器，共计40 个，应力加载状态及传感器布置示意图如图2。

图2 应力加载状态及传感器布置示意图Fig.2 Schematic diagrams of stress loading state and sensor layout

由于相邻煤层间距较小，忽略层间距造成各煤层地应力和初始瓦斯压力差异，即4 个煤层相同方向地应力设置为同一水平，初始瓦斯压力保持一致。煤层最大水平地应力3.9 MPa，垂直地应力3.8 MPa，最小水平地应力2.7 MPa，初始瓦斯压力1.0 MPa。

1.2 试验步骤

前期已对瓦斯抽采试验所需型煤材料和相似材料的粒径配比、成型压力、黏结剂含量等因素开展了详细研究，确定了型煤材料和隔层材料的配比方案、成型方法[12-13]。具体试验步骤如下：

1）试件制备。首先，将原煤和隔层材料取回进行除杂、破碎；然后，筛分出所需粒径干燥后按照配比方案与水、黏结剂混合均匀分批铺入试件箱体，同时埋设钻孔模拟管和气压传感器；最后，用成型压力机在10 MPa 条件下稳压1 h 压制成型。

2）抽真空与充气。首先，启动数据采集系统和伺服加载系统，将应力加载到预定水平；然后，打开真空泵抽真空，使煤层瓦斯压力达到-0.1 MPa；最后，将应力采用阶梯加载方式达到预设值，打开气源阀门对煤层进行阶梯式充气，直至煤层达到预设瓦斯压力并保持不变。

3）瓦斯抽采。首先，打开本煤层出气口阀门，全程监测各煤层瓦斯压力的变化；然后，待煤层解吸完全后，关闭出气口阀门；最后，关闭数据采集系统和伺服加载系统，试验结束。

2 试验结果

2.1 瓦斯压力演化

通过分析抽采过程中煤层瓦斯压力演化规律可获得不同位置瓦斯压降速率、压降范围等信息，本煤层瓦斯压力演化规律如图3，图中红色圆点为传感器测点，绿色矩形框为钻孔。

图3 本煤层瓦斯压力演化规律Fig.3 Evolution laws of gas pressure in drainage layer

由图3（a）和图3（b）可知，自抽采开始时刻本煤层瓦斯压降速率逐渐减小。I 号本煤层中测点P13在抽采前30 min 的压降速率为1.1×10-2MPa/min，抽采前90 min 的压降速率为5.8×10-3MPa/min，抽采前180 min 的压降速率为3.5×10-3MPa/min；在抽采初期，靠近钻孔中心位置最近测点P15 处瓦斯压力下降最快，其余测点之间差异较小；以抽采前30 min 为例，P15 处压降速率为2.9×10-2MPa/min，P13处压降速率为1.1×10-2MPa/min，P18 处压降速率为1.0×10-2MPa/min，表现为P15>P13>P18，而测点到钻孔中心距离为P15

分析原因，瓦斯抽采开始后，本煤层钻孔与大气连通，靠近钻孔中心区域与钻孔间的压差率先达到煤层渗流启动压力，煤层内游离瓦斯向钻孔内运移，当游离瓦斯被抽出后，吸附在煤层基质中的瓦斯开始解吸、扩散并不断向钻孔运移，瓦斯压力逐渐下降。同时随着抽采的进行，煤层瓦斯含量逐渐减少，瓦斯压力梯度逐渐减小，吸附瓦斯的“解吸-扩散-运移”行为减缓。

邻近层瓦斯压力演化规律如图4。由图4（a）和图4（b）可知，在瓦斯抽采过程中邻近层瓦斯压力呈现近似线性下降的趋势。以I 号邻近层测点为例，P03 在抽采前30 min 的压降速率为2.5×10-4MPa/min，抽采前90 min 的压降速率为1.6×10-4MPa/min，抽采前180 min 的压降速率为1.3×10-4MPa/min。结合测点分布可知，各测点压降曲线近乎重合，以抽采前30 min 为例，P05 处压降速率为2.1×10-4MPa/min，P03 处压降速率为2.5×10-4MPa/min，P8处压降速率为2.3×10-4MPa/min，说明邻近层瓦斯压力下降速率与测点到钻孔中心距离无关。选取t=30 min 时刻邻近层主断面测点数据，绘制主断面瓦斯压力曲面图，由图4（c）和图4（d）I 号和II 号邻近煤层瓦斯压力随空间演化规律可知，邻近层瓦斯压力曲面呈“平面状”，较本煤层瓦斯压力空间差异性不明显。对比I 号和II 号邻近层瓦斯压力随时间和空间演化，发现邻近层瓦斯压力演化规律基本一致。究其原因，瓦斯抽采前，本煤层和邻近层处于平衡状态，随着抽采进行，此种平衡被打破。本煤层瓦斯压力随抽采过程不断下降，煤层有效应力随瓦斯压力下降不断增大，煤层发生收缩变形，为邻近层变形创造条件，邻近层内瓦斯因赋存空间变大，瓦斯压力下降。

图4 邻近层瓦斯压力演化规律Fig.4 Evolution laws of gas pressure in adjacent layer

2.2 煤层变形演化

通过分析抽采过程中煤层变形演化规律，可知不同抽采阶段煤层应变速率和导致煤层变形主因等信息，煤层变形演化规律如图5。

图5 煤层变形演化规律Fig.5 Evolution laws of coal seam deformation

由图5 可知，I 号和II 号本煤层在x、y、z 方向上的变形均随抽采进行不断增大，应变速率逐渐减小。以I 号本煤层x 方向应变为例，抽采前30 min x方向应变为0.6‰，达到x 方向总应变量的43.6%，抽采前90 min x 方向应变为1.1‰，达到x 方向总应变量的78.2%，抽采90 min 之后应变速率明显减小，煤层变形逐渐趋于稳定。I 号和II 号本煤层x 方向应变、y 方向应变和体应变随抽采进行的变化量差异不大，说明本煤层变形演化规律基本一致。在抽采过程中，煤层所受地应力水平保持不变，煤层瓦斯压力随抽采进行不断下降，致使煤层有效应力逐渐增大，煤层发生收缩变形。同时抽采初期煤层受地应力作用，煤层内孔隙和裂隙发生收缩，煤层变形量快速增加，抽采后期，煤层变形受有效应力和解吸效应等综合影响且主要为煤体骨架收缩变形，致使煤层应变量增加缓慢，并趋于平缓。

由图5 可知，I 号和II 号邻近层变形均随抽采进行不断增大，整体上呈先快后慢的趋势，煤层各方向应变变化量与煤层变形演化规律基本一致。这是因邻近层受本煤层抽采行为影响，煤层发生膨胀变形，致使其瓦斯压力下降，导致煤层有效应力增加，并在有效应力作用下邻近层发生收缩变形，且收缩变形量大于先前的膨胀量，整体上表现为收缩变形。整个抽采过程中，邻近层变形主要受有效应力和本煤层变形综合影响，致使其变形演化并不是线性而是非线性，并与本煤层变形演化规律保持一致。

2.3 瓦斯压力与煤层变形的耦合关系

为探究瓦斯压力演化与煤层变形演化之间的关系，以I 号本煤层和I 号邻近层为例进行分析，压降-体积应变耦合关系如图6。由图6（a）可以看出，整个瓦斯抽采过程中本煤层压降-体积应变耦合曲线呈现明显的“两段式”，即抽采开始后，压降值先由0 MPa 增加至0.15 MPa，体积应变值保持0 不变，此过程压降-体积应变耦合曲线为斜率无穷大的直线段（AB 段），随着抽采的进行，压降和体积应变均不断增大，压降-体积应变耦合曲线则为BC段。分析认为，抽采开始后，瓦斯压力下降，致使有效应力增大，进而导致煤层发生收缩变形，即煤层变形较瓦斯压力下降存在一定的滞后。对本煤层压降-体积应变耦合曲线的BC 段进行拟合，发现压降与体积应变存在线性正相关关系，说明本煤层压降与体积应变演化具有良好的一致性。

图6 压降-体积应变耦合关系Fig.6 Pressure drop-body strain coupling relationship

由图6（b）可以看出，整个瓦斯抽采过程中，邻近层压降-体积应变耦合关系曲线呈“先慢后快”趋势（AB 段），即压降随体积应变增大而增加，且压降增加速率随抽采的进行不断增大。这是因为在本煤层变形影响下，邻近层变形较其压降更早发生，随着抽采的进行，邻近层有效应力不断增大，同时在有效应力和本煤层变形共同作用下其煤层体积应变整体呈“先快后慢”的增大趋势，而邻近层瓦斯压力表现为近似线性下降规律，致使其压降-体积应变耦合曲线呈“先慢后快”的趋势。对邻近层压降-体积应变耦合曲线进行拟合，发现压降与体积应变满足正指数函数关系，说明邻近层变形受自身压降和本煤层变形等共同影响，致使其压降与体积应变耦合为非线性关系。

3 结 论

1）瓦斯抽采过程中，本煤层瓦斯压力下降呈先快后慢趋势，距离钻孔中心越近区域，压降速率越大；邻近层受本煤层的抽采行为影响，瓦斯压力呈现近似线性下降趋势，压降速率相较本煤层更小且始终保持较小水平，瓦斯压降的空间差异性相较本煤层不明显。

2）瓦斯抽采初期，本煤层变形主要受有效应力作用，随游离瓦斯被抽出，煤层有效应力增大，煤层变形主要为孔隙和裂隙收缩变形，抽采后期主要受有效应力和瓦斯解吸效应共同作用，煤层变形主要为煤体骨架收缩变形；而抽采过程中，邻近层变形主要受有效应力和本煤层变形共同作用，煤层变形为收缩变形且呈先快后慢的增大趋势。

3）瓦斯抽采开始后，本煤层变形较压降存在一定的滞后，压降随煤层体积应变增大而增大，压降与体积应变耦合关系为线性正相关；邻近层压降随煤层体积应变增大而增大，压降与体积应变耦合关系为正指数函数关系。