韓 兵

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110016； 2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

隨著我國(guó)淺部煤炭資源開采枯竭，我國(guó)煤礦開采深度不斷向下延伸，開采強(qiáng)度也逐步加大[1]。煤層地質(zhì)賦存條件愈加復(fù)雜，出現(xiàn)了高地應(yīng)力、高瓦斯、高非均質(zhì)性、低滲透性、低強(qiáng)度的煤體特征，煤與瓦斯突出事故日趨嚴(yán)重，對(duì)瓦斯抽采要求進(jìn)一步提高[2]。

目前，我國(guó)諸多學(xué)者在瓦斯運(yùn)移理論與抽采技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究。在煤層瓦斯運(yùn)移理論方面，學(xué)者們基于對(duì)煤體應(yīng)力變化及瓦斯運(yùn)移特征的研究，先后提出了固氣耦合模型[3]、流固耦合模型[4]和熱流固耦合模型[5]。同登科[6]、黎水泉[7]等分析了煤基質(zhì)孔隙、裂隙的演化特征，建立了雙孔介質(zhì)流固耦合模型。在瓦斯抽采技術(shù)方面，李波[8]提出了鉆孔瓦斯抽采有效半徑的確定方法；劉慧鵬[9]分析了順層鉆孔間距對(duì)瓦斯抽采的影響；王海闊[10]研究了遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采的卸壓瓦斯抽采技術(shù)；張浩浩[11]研究了底板巷穿層瓦斯抽采技術(shù)；吳迪[12]基于對(duì)CO2驅(qū)替煤層瓦斯機(jī)理的分析，研究了注CO2瓦斯抽采技術(shù)。上述研究極大地促進(jìn)了煤層瓦斯抽采理論與技術(shù)的發(fā)展。

本文將理論分析與工程實(shí)踐相結(jié)合，建立注CO2促抽瓦斯固氣耦合模型，并利用COMSOL模擬軟件進(jìn)行注氣瓦斯抽采模擬，研究西溝煤礦5號(hào)煤層的5315工作面煤層注氣瓦斯抽采效果，并通過(guò)與鉆孔瓦斯抽采方案對(duì)比分析，論證煤層注CO2促抽煤層瓦斯工藝的可行性與有效性。

1 注CO2促抽瓦斯固氣耦合模型

1.1 注氣驅(qū)替瓦斯基本原理

煤體是由煤基質(zhì)孔隙與裂隙組成的雙重介質(zhì)結(jié)構(gòu)，為煤層中瓦斯的富集提供了儲(chǔ)存空間，又為CO2，CH4等氣體的運(yùn)移提供了滲流通道[13]。大量實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果表明[14]，CO2，CH4與N2在煤體中存在競(jìng)爭(zhēng)吸附的關(guān)系，煤體對(duì)三者吸附能力表現(xiàn)為CO2>CH4>N2。由于CO2在煤體的競(jìng)爭(zhēng)吸附中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)向煤層注入CO2來(lái)驅(qū)替出煤層甲烷，達(dá)到促進(jìn)煤層瓦斯抽采的目的。結(jié)合煤體的物理力學(xué)特性和CH4，CO2等氣體的運(yùn)移特征，提出以下假設(shè)：

1) 煤體的孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為均勻裂隙介質(zhì)模型，即只考慮煤體的裂隙孔隙度和裂隙滲透率。

2) 在煤體孔隙中，CH4和CO2的吸附/解吸均在瞬間完成；且在煤層裂隙中，CH4，CO2氣體的運(yùn)移遵循Darcy定律，煤體應(yīng)力變化遵循廣義胡克定律。

3) CH4與CO2均視為理想氣體，忽略煤體溫度對(duì)氣體的影響。

1.2 滲流場(chǎng)控制方程

根據(jù)假設(shè)1)與2)可知，煤體中CH4，CO2等氣體的運(yùn)移遵循Darcy定律。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，煤層氣體的滲流場(chǎng)方程為[11]：

(1)

式中：m為單位體積的氣體質(zhì)量，kg；t為時(shí)間，s；為哈密頓算子；ρg為氣體密度，為裂隙中氣體的運(yùn)移速度，m/s；Qs為源項(xiàng)，取值0。

向煤層注CO2促抽瓦斯的過(guò)程中，單位體積內(nèi)CH4與CO2的質(zhì)量為：

(2)

式中：m1為單位體積內(nèi)CH4的質(zhì)量，kg；m2為單位體積內(nèi)CO2的質(zhì)量，kg；a1，b1與a2，b2分別為CH4和CO2的吸附常數(shù)，a1，a2單位為m3/kg，b1，b2單位為Pa-1；p1為CH4壓力，Pa；p2為CO2壓力；Pa；ρs為煤的密度，kg/m3；ρgs1為標(biāo)況下CH4的密度，kg/m3；ρgs2為標(biāo)況下CO2的密度，kg/m3；ρg1為煤中CH4密度，kg/m3；ρgs2為煤中CO2密度，kg/m3；φ為煤的孔隙度。

由假設(shè)2)可知，CH4和CO2在裂隙中運(yùn)移遵循Darcy定律，則裂隙中CH4和CO2的運(yùn)移速度為：

(3)

將式(2)、(3)代入式(1)，可得煤層中CH4和CO2的運(yùn)移控制方程為：

(4)

1.3 應(yīng)力場(chǎng)控制方程

在注氣促進(jìn)瓦斯抽采的過(guò)程中，煤層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，應(yīng)力重新分布。煤體的應(yīng)力變化受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、注氣壓力與瓦斯壓力、CO2和CH4吸附/解吸等因素的綜合影響，因此，注氣促進(jìn)瓦斯抽采過(guò)程中煤體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可由式(5)表示[11]：

(5)

其中，

式中：εij為煤體的應(yīng)變；σij為煤體應(yīng)力，Pa；δij為Kronecker因子，i，j代表空間坐標(biāo)方向x，y，z；G為煤體剪切模量，GPa；D為煤的等效彈性模量，D=1/[1/Es+1/Lf)]，Pa；Lf為煤體改進(jìn)裂隙剛度，Pa；K為煤體體積模量，GPa；σkk=σxx+σyy+σzz，Pa；Ks為煤骨架體積模量，GPa；E為煤的彈性模量，GPa；Es為煤骨架彈性模量，GPa；v為煤的泊松比；α為Biot有效應(yīng)力系數(shù)；p為裂隙內(nèi)氣體的總壓力，Pa；εa為煤體吸附應(yīng)變。

1.4 耦合關(guān)系

煤體的孔隙度與滲透率作為煤層瓦斯抽采的關(guān)鍵參數(shù)，受到煤體變形應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)的影響。在煤層注氣瓦斯抽采的過(guò)程中，煤層應(yīng)力場(chǎng)和CO2及CH4滲流場(chǎng)之間的耦合關(guān)系是通過(guò)對(duì)煤體孔隙度與滲透率的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。則煤體孔隙度可描述為[5]：

(6)

式中：φ0為煤體的初始孔隙度；εij0為煤的初始應(yīng)變；εa0為煤的初始吸附應(yīng)變。

由煤層滲透率與孔隙度的關(guān)系可得[15]：

(7)

式中：k0為初始裂隙滲透率，m2。

將式(4)～(7)聯(lián)立組成了CO2促抽煤層CH4的固氣耦合模型，可通過(guò)COMSOL Multiphysics模擬軟件中的固體力學(xué)模塊和PDE模塊進(jìn)行注氣瓦斯抽采數(shù)值模擬，分析注入CO2對(duì)促進(jìn)煤層瓦斯抽采的影響。

2 煤層注CO2促抽瓦斯數(shù)值模擬

2.1 工作面概況

西溝煤礦5號(hào)煤層5315工作面走向長(zhǎng)2 200 m，傾向長(zhǎng)210 m，煤層厚度為5.3～7.5 m，平均厚6.6 m，煤層傾角10°。西溝煤礦5號(hào)煤層為氣煤和1/3焦煤，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.63～1.42，煤層瓦斯含量9～14.8 m3/t，煤層瓦斯壓力為1.55 MPa，煤層透氣性系數(shù)為2.43 MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.005～0.008 d-1。工作面原始瓦斯抽采方案設(shè)計(jì)為本煤層順層鉆孔瓦斯方案，鉆孔開孔位置位于距煤層底板2.2 m處，鉆孔間距為5 m，鉆孔直徑為94 mm，抽采負(fù)壓為20 kPa。由于礦井采掘接替關(guān)系緊張，因此在瓦斯抽采進(jìn)行至90 d后，在原有瓦斯抽采方案的基礎(chǔ)上布置注氣孔，向煤層注入CO2，促進(jìn)煤層瓦斯抽采效果，提高瓦斯的抽采率。

2.2 幾何模型與模擬方案

為了研究工作面瓦斯抽采方案的抽采效果，分析在瓦斯抽采90 d后注入CO2對(duì)煤層瓦斯促抽效果的影響，以西溝煤礦5號(hào)煤層5315工作面的本煤層順層鉆孔瓦斯抽采為工程背景，建立如圖1所示的幾何模型。模型尺寸為30 m×10 m，煤厚為6.6 m，煤層頂?shù)?、板厚度分別為2.4,1 m；瓦斯抽采鉆孔距離煤層底板2.2 m，注氣孔距煤層底板3 m。截線AB為瓦斯壓力與CO2壓力觀測(cè)線，用于觀測(cè)瓦斯抽采180 d后的瓦斯壓力與瓦斯含量的變化情況，其中點(diǎn)A的坐標(biāo)為(0，3.2)，點(diǎn)B為(30，3.2)。

模型底部及四周均為固定邊界，頂板巖層受上覆巖層的重力影響，施加恒定載荷，煤層與頂?shù)装鍘r層的交界處為瓦斯氣體無(wú)滲透邊界。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

模擬方案設(shè)計(jì)2個(gè)方案，分別為：

方案1：本煤層順層鉆孔瓦斯抽采方案。沿煤壁布置5個(gè)順層瓦斯抽采鉆孔，鉆孔間距為5 m，孔徑為94 mm，研究煤層瓦斯抽采180 d后的瓦斯抽采效果。

方案2：本煤層順層鉆孔與注CO2促抽瓦斯綜合方案。在方案1本煤層瓦斯抽采90 d后，在距煤層底板3 m處補(bǔ)充3個(gè)鉆孔間距為7.5 m的CO2注氣孔，孔徑為94 mm，注入壓力為0.8 MPa，研究注氣瓦斯抽采在180 d后的抽采效果。

通過(guò)對(duì)上述2種方案進(jìn)行模擬研究，對(duì)比分析向煤層中注入CO2對(duì)瓦斯抽采的影響，為現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

2.3 本煤層注CO2促抽瓦斯綜合方案模擬分析

圖2為5315工作面本煤層注CO2促抽瓦斯綜合方案瓦斯抽采90 d與180 d后瓦斯壓力的變化情況。其中，圖2(a)中粗曲線為瓦斯壓力0.74 MPa的壓力等值線。從圖2(a)可以看出，瓦斯抽采90 d后，抽采鉆孔附近形成低壓區(qū)，壓力降低至0.6～0.8 MPa左右；從第90 d開始向煤層注入CO2促進(jìn)瓦斯抽采，當(dāng)瓦斯抽采進(jìn)行至第180 d時(shí)，鉆孔附近煤層瓦斯壓力明顯降低，降低至0.4～0.6 MPa。

圖2 抽采90和180 d后瓦斯壓力分布Fig.2 Gas pressure distribution after 90 and 180 days of extraction

第90 d和180 d時(shí)截線AB上瓦斯壓力如圖2(b)所示。瓦斯抽采進(jìn)行至第90 d時(shí)，線AB上的峰值瓦斯壓力(相鄰鉆孔中點(diǎn)位置)降低至0.70～0.73 MPa，相較于初始瓦斯壓力降低了52.9%～54.8%。而在第180 d時(shí)，峰值瓦斯壓力降至0.46～0.49 MPa，壓力降幅達(dá)70.3%。

圖3為注氣瓦斯抽采過(guò)程中煤層殘余瓦斯含量隨抽采時(shí)間的變化曲線。隨著煤層瓦斯逐漸被抽出，瓦斯含量隨著抽采時(shí)間的增加逐漸降低。在第90 d時(shí)，瓦斯含量下降至8.47 m3/t。在90 d后注入CO2促進(jìn)煤層瓦斯抽采，瓦斯含量下降幅值逐漸增大，到第180 d時(shí)，煤層殘余瓦斯含量降低至4.22 m3/t，較90 d時(shí)的瓦斯含量下降了50.24%，滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中“殘余瓦斯含量須降至8 m3/t以下”的抽采要求。

圖3 瓦斯含量變化曲線Fig.3 Curve of gas content change

向煤層中注入CO2后，由于在煤體中CO2較CH4的吸附能力存在競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使得煤基質(zhì)表面的CH4逐漸被CO2所替代，煤層中CO2壓力升高。注氣瓦斯抽采進(jìn)行至第180 d時(shí)的煤層中CO2壓力分布如圖4所示。截線AB上峰值CO2壓力出現(xiàn)在注氣孔附近，壓力值為0.48～0.51 MPa。

圖4 180 d時(shí)CO2壓力分布Fig.4 CO2 pressure distribution at 180 days

2.4 不同模擬方案瓦斯抽采對(duì)比分析

圖5為2種方案抽采180 d后的瓦斯壓力云圖，圖中粗曲線為瓦斯壓力為0.74 MPa的壓力等值線。由圖5可以看出，在瓦斯抽采180 d后，2種方案鉆孔附近瓦斯壓力均下降至0.74 MPa以下，均滿足瓦斯抽采要求。在煤層頂板處，方案2的瓦斯壓力降至0.55～0.6 MPa，而鉆孔抽采壓力降至0.6～0.7 MPa；并且在模擬區(qū)域內(nèi)，方案2的瓦斯壓力均降低至0.74 MPa以下，故與本煤層順層鉆孔瓦斯抽采相比，本煤層注CO2促抽瓦斯綜合方案的抽采效果更好。

圖5 抽采180 d后的瓦斯壓力云圖Fig.5 Cloud diagram of gas pressure of 180 days after extraction

2種方案模擬后的瓦斯壓力與含量變化曲線如圖6所示。在瓦斯抽采180 d后，方案1的峰值瓦斯壓力分別降至為0.54,0.51,0.51,0.54 MPa，方案2的峰值壓力為0.49,0.47,0.47,0.49 MPa，同比下降了9.26%,7.84%,7.84%,9.26%。

圖6 2種方案瓦斯壓力與含量變化曲線Fig.6 Change curves of gas pressure and content by two schemes

2種方案的煤層殘余瓦斯含量表現(xiàn)為隨著抽采時(shí)間的增加瓦斯含量逐漸減少的趨勢(shì)。在第90 d前，由于2種方案均采用相同方法進(jìn)行抽采，因此90 d前瓦斯含量變化情況相同，均下降至8.47 m3/t，下降了42.77%。在第90 d后，方案2的瓦斯含量下降幅度明顯增大，在第180 d時(shí)，2種方案瓦斯含量分別降低至5.18,4.22 m3/t，方案2的瓦斯含量較方案1降低了18.63%。

由此可見，向煤層中注入CO2后，可有效地降低煤層瓦斯壓力和減小煤層瓦斯含量，對(duì)煤層瓦斯抽采起到了促抽的作用。

3 工程應(yīng)用

西溝煤礦在原始本煤層順層鉆孔瓦斯抽采90 d后，向煤層注入CO2，提高瓦斯抽采效果。在距煤層底板3 m處每隔7.5 m布置1個(gè)CO2注氣孔，共布置注氣孔290個(gè)。在瓦斯抽采180 d后，每隔50 m施工1組檢驗(yàn)鉆孔，每組包括2個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，用于檢驗(yàn)瓦斯抽采的效果。

圖7為5315工作面瓦斯抽采180 d后的瓦斯壓力與瓦斯含量實(shí)測(cè)結(jié)果。由圖7可知，5315工作面煤層在瓦斯抽采180 d后的殘余瓦斯壓力降低至0.2～0.48 MPa，殘余瓦斯含量為3.85～4.76 m3/t，均滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中“殘余瓦斯含量須降至8 m3/t以下，瓦斯壓力必須降至0.74 MPa以下”的抽采要求，瓦斯抽采效果較好，有效降低了5315工作面煤層開采過(guò)程中的突出危險(xiǎn)性。

圖7 瓦斯壓力與瓦斯含量實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Measured results of gas pressure and gas content

圖8為瓦斯抽采180 d后的CO2含量分布曲線。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，隨著瓦斯抽采的進(jìn)行，CO2與瓦斯不斷被抽出，煤層中的CO2含量最大值為1.16 m3/t，表明工作面發(fā)生CO2突出的可能性較小，表明此抽采措施有效，為工作面煤層的安全開采提供了保障。

圖8 注氣瓦斯抽采后CO2含量分布Fig.8 Distribution of CO2 content after CO2 injection and gas extraction

4 結(jié)論

1)煤體對(duì)CO2的吸附能力強(qiáng)于CH4，可通過(guò)向煤層中注入CO2促抽煤層瓦斯；注CO2促抽瓦斯固氣耦合模型可反映CO2促抽瓦斯中的瓦斯運(yùn)移、煤體變形和滲透率的演化特征，更符合實(shí)際注氣瓦斯抽采特征。

2)利用COMSOL對(duì)西溝煤礦5315工作面進(jìn)行注氣瓦斯抽采模擬，模擬結(jié)果表明在瓦斯抽采90 d后注入CO2促抽煤層瓦斯，可有效降低煤層瓦斯壓力與瓦斯含量，壓力降低幅度可達(dá)70.3%，減小了煤與瓦斯突出的可能。

3)通過(guò)對(duì)比分析注氣抽采與鉆孔抽采的模擬結(jié)果可知，在瓦斯抽采180 d后，前者相較與后者的煤層瓦斯壓力降低了7.84%～9.26%，瓦斯含量減少了18.63%，表明注入CO2對(duì)于促進(jìn)煤層瓦斯抽采具有積極作用。

4)工程實(shí)踐表明，在瓦斯抽采180 d后，5315工作面煤層的殘余瓦斯壓力穩(wěn)定在0.2～0.48 MPa范圍內(nèi)，殘余瓦斯含量為3.85～4.76 m3/t，符合瓦斯抽采達(dá)標(biāo)要求。