賈進(jìn)章，張?zhí)扉?，王東明，雷 云

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105；3.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016)

我國原始煤層透氣性差、滲透率較低，常規(guī)抽采技術(shù)很難有效降低煤層瓦斯含量，所以在煤礦井下開采作業(yè)過程中，瓦斯災(zāi)害事故頻發(fā)[1]。已有研究表明，通過向煤層注氣孔注入二氧化碳?xì)怏w后，二氧化碳與瓦斯會(huì)發(fā)生競(jìng)相吸附，最終吸附性較弱的瓦斯會(huì)被置換出，同時(shí)煤層中瓦斯的分壓會(huì)降低，有助于瓦斯的解吸[2-3]。基于此特性，在煤層進(jìn)行抽采瓦斯作業(yè)時(shí)，通常在抽采孔附近布置注氣孔，通過加壓注入二氧化碳來提高煤層瓦斯的抽采效率，在保障煤與瓦斯合理安全共采的同時(shí)又可以封存二氧化碳。

注二氧化碳置換驅(qū)替瓦斯技術(shù)也稱注二氧化碳促抽煤層瓦斯技術(shù)，是順應(yīng)時(shí)代趨勢(shì)的前沿技術(shù)，眾多學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。如：Fulton等[4]利用原煤進(jìn)行了注氣試驗(yàn)，注氣壓力為0.3～1.38 MPa，結(jié)果表明在注入二氧化碳后，煤層瓦斯的采收率有較明顯的提高，與自然排放相比煤層瓦斯的采收率增加了9%～57%；Shi等[5]從原理上對(duì)注二氧化碳促抽瓦斯技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為注氣抽采過程中煤層滲透率的變化是影響瓦斯產(chǎn)量的關(guān)鍵因素；孫可明[6]為了解決低滲透性煤層的煤層氣開采難問題,進(jìn)行了注氣開采數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明注二氧化碳置換驅(qū)替瓦斯技術(shù)可以有效提高瓦斯抽采效率,從而增加煤層氣產(chǎn)量,故注氣增產(chǎn)是我國低滲透性煤層增產(chǎn)煤層氣的有效途徑；唐書恒等[7]采用物理模擬試驗(yàn)裝置開展了注二氧化碳提高煤層瓦斯采收率的模擬試驗(yàn)研究，結(jié)果表明采用注二氧化碳置換驅(qū)替瓦斯技術(shù)后，晉城煤層瓦斯的解吸率提高了150%，潞安煤層瓦斯的解吸率提高了270%；楊宏民等[8]運(yùn)用Comsol Multiphysics模擬軟件，對(duì)煤層注氣驅(qū)替瓦斯技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬了煤層注氮?dú)饣蚨趸紩r(shí)瓦斯抽放孔氣體流量的變化規(guī)律，結(jié)果表明注氮?dú)獯俪橥咚购?，瓦斯抽放孔純瓦斯流量增加?.110 3 m3/min，注二氧化碳促抽瓦斯后，瓦斯抽放孔純瓦斯流量增加到0.123 2 m3/min，說明注二氧化碳促進(jìn)瓦斯抽采的效果要優(yōu)于注氮?dú)獬椴伞?/p>

減少煤層瓦斯壓力與瓦斯含量是煤礦安全開采的重要前提，我國煤礦區(qū)試驗(yàn)多是進(jìn)行水力壓裂、水力沖孔、深孔控制預(yù)裂爆破等技術(shù)研究，而各項(xiàng)技術(shù)存在局限性且不同煤礦情況也具有復(fù)雜性，如水力壓裂技術(shù)所需設(shè)備龐大、價(jià)格昂貴，施工也較為困難；水力沖孔技術(shù)雖然易于安裝和操作，但是施工周期長(zhǎng)、成本高，沖孔之后容易引發(fā)坍塌事故，影響抽采效果；深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)裝藥工藝復(fù)雜，并且爆破產(chǎn)生的能量容易引發(fā)煤與瓦斯突出事故。相比較而言，注氣抽采技術(shù)是目前較為先進(jìn)的方法，但是目前多是關(guān)于注氣抽采對(duì)瓦斯抽采效率提高方面的研究，關(guān)于注氣抽采對(duì)煤層瓦斯壓力和瓦斯含量的影響研究較少，而對(duì)于注二氧化碳促抽煤層瓦斯技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究也相對(duì)缺乏，且該技術(shù)還未在我國煤礦中大范圍地推廣使用。鑒于此，本文先基于流體力學(xué)、煤巖學(xué)和吸附力學(xué)建立了二元?dú)怏w擴(kuò)散和滲流的連續(xù)運(yùn)動(dòng)耦合模型，并運(yùn)用Comsol Multiphysics軟件模擬了經(jīng)過注氣抽采后煤層瓦斯壓力和瓦斯含量的變化規(guī)律，并將注氣抽采煤層瓦斯的效果與常規(guī)抽采進(jìn)行了對(duì)比分析；然后探究了注氣壓力與抽采負(fù)壓對(duì)注氣抽采的影響規(guī)律；最后在陽泉集團(tuán)新景礦業(yè)3#煤層2401工作面開展了注二氧化碳促抽煤層瓦斯技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以期有效降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，提高瓦斯的抽采效果。

1 注氣抽采煤層瓦斯數(shù)學(xué)模型

通過注氣孔將二氧化碳(CO2)加壓注入煤層后，由于煤分子對(duì)二氧化碳分子的吸附性要遠(yuǎn)大于對(duì)甲烷(CH4)的吸附性，當(dāng)二氧化碳滲流擴(kuò)散到煤基質(zhì)表面，煤分子會(huì)將大部分二氧化碳吸附，同時(shí)會(huì)將煤基質(zhì)內(nèi)原本吸附的瓦斯置換出去。煤層中的瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出從滲流運(yùn)動(dòng)開始，首先游離態(tài)瓦斯在煤層裂縫中發(fā)生滲流運(yùn)動(dòng)，在部分瓦斯發(fā)生滲流運(yùn)動(dòng)后，瓦斯壓力下降，于是產(chǎn)生了壓力差，促使煤基質(zhì)中的瓦斯開始進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)又促進(jìn)了瓦斯的解吸，而瓦斯解吸使得層骨架收縮、裂隙變大，又進(jìn)一步促進(jìn)了瓦斯的滲流運(yùn)動(dòng)，這種瓦斯?jié)B流—擴(kuò)散—解吸的相互促進(jìn)使得瓦斯運(yùn)移出煤層。

1. 1 孔隙中氣體擴(kuò)散方程

煤體中以吸附態(tài)存在的瓦斯和二氧化碳?xì)怏w在煤層孔隙中的運(yùn)移方式為擴(kuò)散，此過程符合Fick擴(kuò)散定律，因此二氧化碳和瓦斯在煤體內(nèi)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程為[9]

(1)

式中：i為單組分的氣體，i=1代表CH4氣體，i=2代表CO2氣體；ci為氣體i的質(zhì)量濃度(kg/m3)；t為時(shí)間(s);Di為氣體i的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；Qi為匯源項(xiàng)[kg/(m3·s)]。

1. 2 裂隙中氣體滲流方程

游離態(tài)氣體在裂隙中滲流運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程為[9]

(2)

式中：ρi為單組分氣體i的密度[kg/(m3·s)]；q為二元?dú)怏w總的滲流速度(m/s)；mi為氣體i的含量(kg/m3)，其中只考慮游離態(tài)氣體，其定義為[9]

mi=φρi

(3)

其中：φ為孔隙率。

1. 3 裂隙中氣體滲流速度方程

煤層中的游離態(tài)瓦斯和二氧化碳?xì)怏w在煤層裂隙中的運(yùn)移方式為滲流，無論混合氣體還是單組分氣體，在煤層裂隙中進(jìn)行滲流運(yùn)動(dòng)時(shí)都符合Darcy定律，則裂隙中氣體總滲流速度表達(dá)式為[10]

(4)

式中：k為煤體滲透率(m2)；μi為氣體i的動(dòng)力黏性系數(shù)(Pa·s)；Pz為總壓力(MPa)，Pz=Px+Py，其中Px為游離態(tài)瓦斯氣體壓力(MPa)，Py為游離態(tài)二氧化碳?xì)怏w壓力(MPa)。

1. 4 煤體滲透率方程

煤體結(jié)構(gòu)的改變必然導(dǎo)致煤體滲透率的變化，煤體滲透率的計(jì)算公式為

(5)

式中：k為煤體滲透率(×10-5m2)；P0為大氣壓力(MPa)；μg為氣體動(dòng)力黏度(Pa·s)，CO2氣體的動(dòng)力黏度為1.48×10-5Pa·s，CH4氣體的動(dòng)力黏度為1.087×10-5Pa·s；L為煤樣軸向長(zhǎng)度(m)；A為煤樣橫截面積(m2)；Q1為穩(wěn)定時(shí)氣體流量(m3·s-1)；P1為進(jìn)口壓力(MPa);P2為出口壓力(MPa)。

1. 5 氣體質(zhì)量交換方程

通常狀態(tài)下，煤體中的吸附態(tài)氣體與游離態(tài)氣體不是保持固定不變的，吸附態(tài)氣體與游離態(tài)氣體處于一種互相轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)平衡中，吸附態(tài)氣體與游離態(tài)氣體之間的質(zhì)量交換可定義為[10]

Qi=(ci-cpi)τ

(6)

式中：ci為吸附態(tài)氣體i的擴(kuò)散質(zhì)量濃度(kg/m3);Qi為氣體i的質(zhì)量源[kg·(m3·s)]；cpi為煤層對(duì)氣體i的吸附量(mg/g)；τ為吸附時(shí)間常數(shù)(s)。

1. 6 多元?dú)怏w吸附平衡方程

吸附態(tài)氣體在假定平衡壓力Pi下氣體組分含量符合廣義Langmuir方程[10]:

(7)

式中：ρia為標(biāo)準(zhǔn)狀況下單組分氣體i的密度(kg/m3)；ρc為煤體密度(kg/m3)；Pi為假定平衡壓力(Pa);ai為氣體i在煤層中單獨(dú)吸附時(shí)的極限吸附量(m3/kg)；bi為氣體i吸附平衡常數(shù)(MPa-1)；p1、p2分別為CH4氣體和CO2氣體的平衡分壓。

1. 7 氣體狀態(tài)方程

假設(shè)各組分氣體均為理想氣體，氣體狀態(tài)方程可表示為

(8)

式中：Mi為單組分氣體i的摩爾質(zhì)量(kg/mol)；Ri為氣體i的氣體常數(shù)[J/(mol·K)]；Tl為理想氣體溫度(K)；p為混合氣體的壓力(Pa)。

故標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體狀態(tài)方程可表示為

(9)

式中：Pa和Ta分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下CH4氣體的壓力(MPa)和溫度(K)，其中Pa取值為0.1 MPa，Ta取值為273 K。

1. 8 二元?dú)怏w擴(kuò)散和滲流的連續(xù)運(yùn)動(dòng)耦合方程

綜合式(1)至式(6)，可得耦合方程組為

(10)

方程(1)與方程組(10)共同構(gòu)成了煤體孔隙-裂隙系統(tǒng)中二元?dú)怏w擴(kuò)散和滲流的連續(xù)運(yùn)動(dòng)耦合方程。

2 注氣抽采煤層瓦斯數(shù)值模擬

2. 1 注氣抽采數(shù)值模擬幾何模型與參數(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，注氣抽采問題所對(duì)應(yīng)的模型應(yīng)該是三維的立體模型，對(duì)于三維立體模型的計(jì)算求解是相當(dāng)復(fù)雜的，但是通常情況下二維模型就已經(jīng)可以滿足模擬分析的需要，故本文為了方便求解，將原本注二氧化碳促抽煤層瓦斯技術(shù)的三維模型簡(jiǎn)化為二維模型，注氣抽采數(shù)值模擬幾何模型如圖1所示,常規(guī)抽采數(shù)值模擬幾何模型圖如圖2所示。

圖1 注氣抽采數(shù)值模擬幾何模型示意圖

圖2 常規(guī)抽采數(shù)值模擬幾何模型示意圖

本文以陽煤集團(tuán)新景礦業(yè)3#煤層2401工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)建立數(shù)值模型，煤層模型尺寸為6 m×3 m，注氣孔和抽采孔孔徑均為φ113 mm，注氣孔與抽采孔的孔間距為1.5 m，A點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，位于注氣孔中心正上方0.5 m處，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況并結(jié)合文獻(xiàn)[11]中的數(shù)據(jù)得到數(shù)值模擬參數(shù)見表1，其理論模型如圖3所示。

表1 注氣抽采數(shù)值模擬參數(shù)表

圖3 注氣抽采理論模型圖

2. 2 初始條件與邊界條件

煤層氣最高初始?jí)毫?.48 MPa，CO2初始?jí)毫? MPa，煤層瓦斯初始含量為10.423 m3/t，模型四周為零流量邊界，礦井大氣壓力為0.1 MPa。注氣抽采數(shù)值模擬初始條件和邊界條件，見表2。

表2 注氣抽采數(shù)值模擬初始條件和邊界條件

2. 3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1 注氣抽采與常規(guī)抽采效果對(duì)比

在注氣抽采時(shí)間為30 d、注氣壓力為0.6 MPa、抽采負(fù)壓為13 kPa的條件下，注氣抽采的煤層瓦斯壓力變化模擬云圖，如圖4所示。

由圖4可見，隨著注氣抽采時(shí)間的增加，煤層瓦斯壓力下降明顯，分析原因是CO2在進(jìn)入煤體后，開始占據(jù)CH4分子在煤體大分子上的吸附位置[12-13]，將CH4分子驅(qū)替置換出來，煤層瓦斯在CO2驅(qū)替置換與抽采負(fù)壓的共同作用下，除了將煤層裂隙中原有的游離態(tài)瓦斯抽采出去外，還將吸附在煤基質(zhì)中的吸附態(tài)瓦斯置換驅(qū)替到煤體裂隙中，同時(shí)又促進(jìn)了吸附態(tài)瓦斯解吸成游離態(tài)[14]。由于注氣提高了煤層壓力，保證了煤層能量，將有利于CH4的解吸，并且可以延長(zhǎng)煤層氣的開采期，大幅提高煤層氣產(chǎn)量和采收率，而常規(guī)抽采通常只是將裂隙中游離態(tài)瓦斯抽采出煤層，卻很難將煤基質(zhì)中的吸附態(tài)瓦斯抽采出，所以注氣抽采效果要優(yōu)于常規(guī)抽采。

圖4 注氣抽采的煤層瓦斯壓力變化模擬云圖

此外，由圖4還可見，距離抽采孔較近的部分煤層瓦斯壓力下降明顯，分析原因是抽采孔附近受到抽采負(fù)壓的影響較大，與其他區(qū)域相比瓦斯?jié)B流速度更快，在相同時(shí)間里抽采孔周圍煤層瓦斯含量降低幅度較大，進(jìn)而導(dǎo)致距離抽采孔較近位置的煤層瓦斯壓力下降明顯。隨著抽采不斷進(jìn)行，距離抽采孔較遠(yuǎn)位置的煤層瓦斯壓力也逐漸下降，且隨著煤層瓦斯壓力的下降，首先在抽采孔周圍形成低壓區(qū)，低壓區(qū)逐漸擴(kuò)大，最終在煤層形成一定范圍的低壓區(qū)域[15]。

以A點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，分別繪制了常規(guī)抽采與注氣抽采煤層瓦斯壓力變化曲線，如圖5所示。

圖5 注氣抽采與常規(guī)抽采煤層瓦斯壓力變化曲線的 對(duì)比

由圖5可見，常規(guī)抽采與注氣抽采的煤層瓦斯壓力整體上均表現(xiàn)為隨著注氣抽采時(shí)間的增加而逐漸減少的趨勢(shì)，但是相比常規(guī)抽采，經(jīng)過注氣抽采的煤層瓦斯壓力下降幅度更大。具體分析如下：經(jīng)過30 d的常規(guī)抽采，煤層瓦斯壓力為0.155 MPa，與煤層初始瓦斯壓力相比較下降了67.7%，而注氣抽采下，煤層瓦斯壓力為0.125 MPa，與煤層初始瓦斯壓力相比下降了74%，注氣抽采使得煤層瓦斯壓力下降的幅度比常規(guī)抽采增加了6.3%，所以注氣抽采可以更有效地降低煤層瓦斯壓力，進(jìn)而減少煤礦瓦斯事故的發(fā)生；在2 d之前，注氣抽采使得煤層瓦斯壓力高于煤層瓦斯的初始?jí)毫?，這是由于注入了高壓的CO2增加了煤層的氣體壓力，在2 d以后，隨著CO2被煤體吸附，而置換出來的瓦斯又被抽采出煤層，故煤層的瓦斯壓力開始下降。

圖6 注氣抽采與常規(guī)抽采煤層瓦斯含量變化曲線的對(duì)比

以A點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，分別繪制了常規(guī)抽采與注氣抽采煤層瓦斯含量變化曲線，如圖6所示。其中，注氣抽采的注氣壓力為0.6 MPa，注氣抽采的抽采負(fù)壓為13 kPa；常規(guī)抽采的抽采負(fù)壓為13 kPa。

由圖6可見，經(jīng)過30 d的注氣抽采，煤層瓦斯含量與常規(guī)抽采相比下降幅度更大。具體分析如下：在30 d時(shí)，常規(guī)抽采的煤層瓦斯含量剩余4.213 m3/t，與煤層初始瓦斯含量相比下降了59.58%，而注氣抽采的煤層瓦斯含量剩余3.503 m3/t，與煤層初始瓦斯含量相比下降了66.39%，注氣抽采的煤層瓦斯含量下降幅度比常規(guī)抽采增加6.81%，而且注氣抽采的消突周期與常規(guī)抽采相比縮短了3 d，說明注氣抽采可以有效地降低煤層瓦斯含量，減少瓦斯突出的概率。

2.3.2 注氣壓力與抽采負(fù)壓對(duì)注氣抽采的影響規(guī)律

(1) 抽采負(fù)壓對(duì)注氣抽采的影響規(guī)律。為了探究抽采負(fù)壓對(duì)注氣抽采的影響規(guī)律，固定注氣壓力為0.6 MPa保持不變，模擬相同抽采時(shí)間、不同抽采負(fù)壓(5 kPa、13 kPa、20 kPa和30 kPa)條件下A點(diǎn)煤層瓦斯含量的變化規(guī)律，其模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同抽采負(fù)壓下煤層瓦斯含量隨抽采時(shí)間的 變化曲線

由圖7可見，在抽采時(shí)間相同時(shí)，煤層瓦斯含量隨著抽采負(fù)壓的增加而逐漸下降，但是其下降幅度甚微。當(dāng)抽采時(shí)間為30 d、抽采負(fù)壓為30 kPa時(shí)，煤層瓦斯含量剩余3.299 m3/t，僅比抽采負(fù)壓為5 kPa時(shí)減少了0.303 m3/t，這是因?yàn)檫M(jìn)行注氣抽采作業(yè)時(shí)，抽采負(fù)壓的變化僅在一個(gè)大氣壓左右，與煤層內(nèi)十幾個(gè)乃至幾十個(gè)大氣壓力相比，其增能的效果非常有限；而注氣抽采的壓力可達(dá)到與煤層內(nèi)相同數(shù)量級(jí)的壓力，甚至可以更高。注氣壓力已經(jīng)增加了煤層的氣體壓力，而注氣壓力的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于抽采負(fù)壓，再提高抽采負(fù)壓的效果已經(jīng)不明顯了，但受限于封孔的氣密性，抽采負(fù)壓不宜過高[15]，也就是說，過高的抽采負(fù)壓容易出現(xiàn)漏風(fēng)情況，會(huì)對(duì)封孔帶來更大的困難。

(2) 注氣壓力對(duì)注氣抽采的影響規(guī)律。為了探究注氣壓力對(duì)注氣抽采的影響規(guī)律，固定抽采負(fù)壓為13 kPa保持不變，模擬相同抽采時(shí)間、不同注氣壓力(0.3 MPa、0.6 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa)條件下A點(diǎn)煤層瓦斯含量的變化規(guī)律，其模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同注氣壓力下煤層瓦斯含量隨抽采時(shí)間的 變化曲線

由圖8可見，在抽采時(shí)間相同時(shí)，煤層瓦斯含量隨著注氣壓力的增加而逐漸降低，而且其下降幅度較大。當(dāng)抽采時(shí)間為30 d、注氣壓力為1.2 MPa時(shí)，煤層瓦斯含量剩余2.578 m3/t，比注氣壓力為0.3 MPa時(shí)減少了1.14 m3/t，這是因?yàn)樵黾幼鈮毫螅饪着c抽采孔之間的壓力差會(huì)增大，壓力差增大會(huì)加快煤層裂隙中游離態(tài)瓦斯的滲流速度，裂隙中的瓦斯含量迅速下降，由此會(huì)增加裂隙與孔隙之間的瓦斯含量差，又進(jìn)一步促進(jìn)了煤基質(zhì)中吸附態(tài)瓦斯的解吸[16]。

注氣抽采可以使煤層裂隙中游離態(tài)瓦斯的滲流速度加快，引起裂隙系統(tǒng)中煤層瓦斯的分壓下降速度加快，從而引起更多的吸附態(tài)煤層瓦斯參與解吸，而瓦斯解吸擴(kuò)散速率的增大，反過來又可以促使其滲流速度的加快；而且通過增加注二氧化碳的壓力，使二氧化碳分子與煤體分子撞擊概率增加，促進(jìn)了二氧化碳對(duì)瓦斯的置換，煤層瓦斯含量也會(huì)大幅下降[17]。因此，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行注氣抽采作業(yè)時(shí)，在保證安全的前提下，可適當(dāng)增加注氣壓力。

3 注氣抽采煤層瓦斯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3. 1 煤層工作面概況

陽泉集團(tuán)新景礦業(yè)3#煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，故本研究選擇3#煤層2401工作面進(jìn)行注二氧化碳促抽煤層瓦斯技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該2401工作面走向長(zhǎng)度為1 974.25 m，煤層平均厚度為6 m，煤層傾角為10°，煤層容重為1.46 t/m3，采用主動(dòng)測(cè)壓法測(cè)得3#煤層2401工作面平均瓦斯壓力為0.48 MPa，瓦斯含量為10.423 m3/t。

圖9 注二氧化碳促抽煤層瓦斯技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程部署圖

3. 2 注氣抽采煤層瓦斯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

3.2.1 布孔方案

現(xiàn)場(chǎng)布孔方式采用“一”字形布孔，與數(shù)值模擬相同，注氣孔與抽采孔的孔間距為1.5 m，所有孔的孔徑相同，均為113 mm，共布置注氣孔17個(gè)，抽采孔18個(gè)，孔深均為70 m。布孔時(shí)，注氣孔與抽采孔間距離適當(dāng)減小會(huì)促進(jìn)兩孔之間裂縫的擴(kuò)展，使更多吸附態(tài)的瓦斯解吸出來變成游離態(tài)，參與到滲流過程中，因而選取注氣與抽采孔的孔間距為1.5 m，并采取注氣孔與抽采孔交叉排列的方式。

3.2.2 注氣方案

根據(jù)新景礦業(yè)3#煤層初始瓦斯壓力和3#煤層2401工作面的CO2氣體吸附常數(shù)，大致確定需要注入15瓶40 L的二氧化碳?xì)怏w，總氣體量約為187.5 m3。注氣方式通常分為連續(xù)注氣與間歇注氣。連續(xù)注氣保證了維持煤層瓦斯流動(dòng)的壓力梯度不變，從而相對(duì)提高了煤層瓦斯的滲流速度，這一過程相當(dāng)于增能驅(qū)動(dòng)的過程，效果與負(fù)壓抽氣相似，但又要比負(fù)壓抽氣的效果好。雖然連續(xù)注氣的驅(qū)替置換煤層瓦斯效果更好，但是由于煤層對(duì)CO2的吸附能力遠(yuǎn)大于對(duì)CH4的吸附能力，連續(xù)注CO2可能會(huì)引發(fā)CO2突出。因此，通常在注氣氣體選用N2時(shí)才采用連續(xù)注氣[18]。所以本次試驗(yàn)在保障安全的前提下采用間歇式注氣方式，并當(dāng)煤層瓦斯壓力大于0.7 MPa時(shí)停止注氣，而當(dāng)煤層瓦斯壓力降到0.48 MPa時(shí)再次進(jìn)行注氣，注氣壓力保持在0.6 MPa，注氣抽采負(fù)壓為13 kPa。

3.2.3 封孔方案

注氣孔孔深為70 m，封孔深度為孔深的1/2，即35 m，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通過“兩堵一注”囊袋封孔法，注漿管與補(bǔ)漿管的內(nèi)徑均為30 mm，注漿壓力保持在1.5 MPa左右，兩端囊袋注入水灰比為0.5∶1的水泥，使其達(dá)到密閉緊實(shí)，囊袋之間用A-B膨脹材料進(jìn)行封堵。

3. 3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖10為注氣抽采與常規(guī)抽采煤層瓦斯壓力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，圖11為注氣抽采煤層瓦斯含量模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。

圖10 注氣抽采與常規(guī)抽采煤層瓦斯壓力實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖11 注氣抽采煤層瓦斯含量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖10和圖11可知，經(jīng)過30 d注氣抽采后，煤層瓦斯壓力為0.118 MPa，與煤層初始瓦斯壓力相比下降了75.42%，煤層瓦斯含量剩余為3.174 m3/t，與煤層初始瓦斯含量相比下降了69.55%，消突周期為5 d，說明注氣抽采效果良好，有效地降低了煤層瓦斯壓力和瓦斯含量。

此外，由圖10和圖11可見，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)始終小于數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，主要原因分析如下：

(1) 第一個(gè)原因，在進(jìn)行注氣抽采煤層瓦斯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)煤層進(jìn)行鉆孔后，鉆孔的周圍會(huì)出現(xiàn)裂隙，增加了煤層的透氣性，加快了瓦斯運(yùn)移的速度，所以在相同的抽采時(shí)間內(nèi)，實(shí)測(cè)的煤層瓦斯含量和瓦斯壓力會(huì)較小[19-20]，但是在模擬中并未考慮煤層透氣性增加這一物理性質(zhì)的變化。

(2) 第二個(gè)原因，在進(jìn)行瓦斯抽采之后，煤體會(huì)收縮變形，原本的裂隙會(huì)因?yàn)槭湛s而展開，由此增加了煤層的透氣性，而在數(shù)值模擬中并未考慮煤體變形這一因素，所以模擬數(shù)據(jù)會(huì)大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

(3) 第三個(gè)原因，在注氣過程中CH4和N2在煤層中的流動(dòng)并不是理想的等溫過程，在進(jìn)行模擬的過程中忽略了煤體中CH4和N2在吸附-解吸過程中的熱作用。同時(shí)，影響注抽效果的因素還有煤體初始滲透率，這是因?yàn)闅怏w的吸附、解吸會(huì)使煤巖產(chǎn)生膨脹、收縮變形，從而引起煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而引起煤巖滲透系數(shù)的變化，煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透系數(shù)變化又反過來影響氣體在煤巖中的賦存與流動(dòng)。此外，成孔數(shù)量過多，或者注氣壓力過大，會(huì)導(dǎo)致煤體骨架變形，煤基質(zhì)孔隙率降低，造成煤體的滲透率降低，進(jìn)而影響注氣抽采煤層瓦斯的效果。而且本文所進(jìn)行的注氣促抽煤層瓦斯數(shù)值模擬并不能完全代表真實(shí)注氣抽采的全部驅(qū)替置換效應(yīng)與作用效果，如在工程實(shí)踐中的封孔環(huán)節(jié)，人工操作無法保證封孔效果達(dá)到孔內(nèi)氣體完全不泄漏，這將在一定程度上會(huì)降低注抽瓦斯實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)要始終大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但是從整體上來看，數(shù)值模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致，所以數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)注氣抽采煤層瓦斯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有一定的指導(dǎo)作用。

本次注氣抽采煤層瓦斯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得規(guī)律與韓兵[21]的結(jié)論一致，即注氣抽采煤層瓦斯可有效降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，減小了煤與瓦斯突出的可能；注氣抽采與常規(guī)抽采相比，注氣抽采更能促進(jìn)煤層瓦斯的解吸，有更好的瓦斯抽采效果。本文與文獻(xiàn)所得結(jié)論相互印證，為煤礦的安全開采提供了技術(shù)和理論支持。

4 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬方法分析了注氣抽采對(duì)煤層瓦斯壓力和瓦斯含量的影響，并在陽煤集團(tuán)新景礦業(yè)煤層工作面開展了注氣抽采煤層瓦斯的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到主要結(jié)論如下：

(1) 注氣抽采使得煤層瓦斯壓力下降的幅度比常規(guī)抽采增加了6.3%，注氣抽采的煤層瓦斯含量下降幅度比常規(guī)抽采增加了6.81%，而且其注氣抽采的消突周期與常規(guī)抽采相比縮短了3 d，說明注氣抽采可有效地降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量。

(2) 在進(jìn)行注氣抽采作業(yè)時(shí)，煤層瓦斯含量隨著抽采負(fù)壓的增加而逐漸下降，但是其下降幅度甚微，而煤層瓦斯含量隨著注氣壓力的增加而逐漸降低，而且其下降幅度較大。

(3) 經(jīng)過30 d注氣抽采煤層瓦斯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，煤層瓦斯壓力為0.118 MPa，與煤層初始瓦斯壓力相比下降了75.42%，而煤層瓦斯含量剩余為3.174 m3/t，與煤層初始瓦斯含量相比下降了69.55%，消突周期為5 d，說明注氣抽采煤層瓦斯的效果良好，有效地降低了煤層瓦斯壓力和瓦斯含量。