基于时间分源法的CO-sub-2-_sub-相变致裂抽采有效半径测定_孙卓越.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 瓦斯是影响采矿安全的重要因素[1]。随着采煤工作面埋深的增加， 矿井瓦斯条件随之恶化[2]。瓦斯 抽采既是应对瓦斯问题的重要举措，又是综合利用 瓦斯的根本保证[3]。高瓦斯矿井中最普遍的解决方 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804205） ； 国家 自然科学基金青年科学基金资助项目 （51304119） 基于时间分源法的 CO2相变致裂抽采 有效半径测定 孙卓越 1， 2， 杨 东 3， 4， 裴 越 3， 4， 孙刘伟1， 2， 马小敏3， 4 （1.煤炭科学研究总院 开采研究分院， 北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013； 3.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110016； 4.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 针对 CO2相变致裂抽采有效半径测定尚无统一标准的现状， 对相对瓦斯压力法局限性 进行归纳， 进一步明确抽采半径的概念。 基于 SF6示踪法， 采用抽采数据处理与分析方式， 建立时 间分源法， 并进行现场试验。研究表明 抽采影响半径和抽采有效半径之间存在时间效应， 抽采 时间是区分二者的关键因素； 时间分源法将抽采时间分为影响时间和承接时间 2 部分， 通过 SF6 示踪法及现场抽采数据分析得到一定抽采时间下抽采有效半径，更能够真实反映钻孔抽采情 况； 在大平煤矿 3 号煤层运输大巷实测得到， 抽采时间为 120 d 时， CO2相变致裂抽采有效半径 为 12 m； 抽采时间为 148 d 时， 抽采有效半径达到 16 m。 关键词 CO2相变致裂； 时间分源法； 抽采有效半径； 抽采影响半径； SF6 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0001-05 Determination of Drainage Effective Radius of CO2Phase Transition Fracturing Based on Time-source SUN Zhuoyue1,2, YANG Dong3,4, PEI Yue3,4, SUN Liuwei1,2, MA Xiaomin3,4 （1.Coal Mining Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.Coal Mining and Design Department of Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China;3.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Shenyang 110016, China;4.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract There is no uni standard for determining the drainage effective radius of CO2phase transition fracturing in view of the fact, we analyze the traditional measurement for drainage effective radius, clarify definition of drainage radius. The time-source is established based on SF6tracer and test data, and it was tested in coal mine. The research shows there is time effect between drainage influence radius and drainage effective radius, and the drainage time is the key factor to distinguish them; the time-source divides the drainage time into drainage effective time and drainage compensation time. The drainage effective radius under a certain time is obtained through SF6tracer and analysis of the field data. It can reflect the drainage situation of boreholes more accurately; the test-in-place experimented at main haulage roadway in No.3 coal seam of Daping Coal Mine. The result shows that the drainage effective radius after CO2phase transition fracturing is 12 m when the drainage time is 120 d and drainage effective radius is 16 m when the drainage time is 148 d. Key words CO2phase transition fracturing; time-source ; drainage effective radius; drainage influenc radius; SF6 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.001 孙卓越， 杨东， 裴越， 等.基于时间分源法的 CO2相变致裂抽采有效半径测定 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 1-5， 11. SUN Zhuoyue, YANG Dong, PEI Yue, et al.Determination of Drainage Effective Radius of CO2Phase Tran- sition Fracturing Based on Time-source ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 1-5, 11. 移动扫码阅读 试验 研究 1 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 1致裂后抽采纯量变化曲线 Fig.1The curve of drainage pure quantity after fracturing 法就是通过施工钻孔进行抽采[4]， 而抽采有效半径 则是影响布孔间距及预抽时间的关键因素[5]。梁冰 等[6]采用分组布置压力测试孔和瓦斯抽采孔方式， 将瓦斯压力作为评价指标确定抽采有效半径；郝富 昌等[7]基于煤的物理特性建立渗流-应力耦合模型， 以钻孔抽采渗透率为导向，找到影响抽采半径的因 素； 季淮君等[8]基于瓦斯流场建立瓦斯压力分布模 型， 采用 VB.NET 解算抽采半径， 探究钻孔周边瓦斯 压力分布情况； 王兆丰等[9]利用 COMSOL 分析了抽采 负压和抽采半径的关系； Wu Bing 等[10]利用 FLAC3D模 拟煤体力学性质在抽采过程中的变化情况来确定抽 采有效半径。总结发现， SF6示踪法检测方便， 灵敏 准确，但只能测出抽采影响半径，需要结合其它方 法才能得到钻孔抽采有效半径。当前很多学者采用 数值模拟与 SF6示踪法相结合的方式确定抽采有效 半径。由于数值模拟需要假设煤体为理想模型， 而 现场复杂地质条件使得模拟结果与实际效果差别较 大[11]， 因此提出时间分源法， 采用 SF6示踪法与现场 抽采数据分析相结合，达到测定 CO2相变致裂抽采 有效半径的目的。 1时间分源法的原理 1.1抽采半径时间效应 根据作用程度的不同，抽采半径存在抽采影响 半径及抽采有效半径 2 个概念。钻孔抽采时，一定 范围内瓦斯在压强差作用下进入钻孔内被抽出， 此 范围的半径即为抽采影响半径[12]。抽采影响半径随 抽采时间增加而增大，直至抽采负压作用不足以克 服煤体中瓦斯渗透到钻孔的阻力为止。抽采有效半 径是指经过一段时间的抽采，煤层瓦斯指标下降到 允许值以下的最远点到抽采钻孔中心的距离。 由此可知，不能笼统认为抽采影响半径一定大 于抽采有效半径，二者存在着时间效应。只要煤层 中一点处在抽采影响半径范围内，就表明此点的抽 采负压可以克服该处瓦斯渗透至抽采钻孔的阻力， 再经过一定的时间，就能够使瓦斯指标降到允许值 以下， 即达到抽采有效半径。因此， 抽采时间是影响 二者的关键因素，离开抽采时间去分析抽采影响半 径和抽采有效半径是没有意义的。 1.2时间分源法基本原理 基于抽采半径时间效应，时间分源法将 CO2相 变致裂后的抽采时间分为 2 部分，一部分为影响时 间， 可基于 SF6示踪法测定， 同时得到的还有抽采影 响半径；另一部分为承接时间，可通过现场抽采数 据分析得到。CO2相变致裂后的承接时间需要对未 致裂钻孔进行分析， 研究表明 在一定的瓦斯地质情 况下，通过差分方程计算可得出抽采有效半径与抽 采时间存在幂函数关系[13]。 根据现场经验， 未致裂钻 孔的影响时间一般很短，可认为抽采有效半径与承 接时间仍满足幂函数关系。即 r＝ αtβ2w（1 ） 式中 r 为抽采有效半径， m； t2w为未致裂钻孔的 承接时间， d； α、 β 均为系数。 由式 （1 ） 可以推算出抽采有效半径对应的承接 时间 t2w。但 t2w为煤层未受致裂影响的数据。CO2相 变致裂会增大一定范围内的煤体裂隙，从而改善该 区域煤体透气性， 在进行抽采时， 相同参数钻孔抽出 的瓦斯量会大于未致裂钻孔，从而使 CO2相变致裂 后的承接时间小于上述推测时间。故利用 CO2相变 致裂前后的钻孔瓦斯抽采纯量进行对比，通过修正 因数校正未致裂时的承接时间 t2w， 得到 CO2相变致 裂后的承接时间 t2。相较于未致裂条件， CO2相变致 裂后瓦斯抽采纯量会从 1 个较高值逐渐降低到稳定 值， 致裂后抽采纯量变化曲线如图 1。经过分析， 提 高段抽采纯量随时间变化为 1 条近似三次多项式函 数的曲线 f （t） ， 累计抽采纯量 W1的提高段采用定积 分计算曲线下面积，加上稳定段抽采时间及其近似 平均抽采纯量乘积。未致裂条件下抽采纯量较为稳 定，可直接采用抽采时间与近似平均抽采纯量相乘 计算累计抽采纯量 W2。 综上， CO2相变致裂后达到相应抽采有效半径 的抽采时间 t 为 t＝t1＋t2＝t1＋t2w 1 n （2 ） 式中 t1为影响时间， d； t2为承接时间， d； n 为修 正因数。 当抽采时间 t≤t0时， 修正因数 n 为 2 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 观测孔 至致裂孔 距离/m 是否检测到 SF6示踪气体 致裂注气 后 6 d 致裂注气 后 15 d 致裂注气 后 25 d 112是是是 216否是是 320否否否 424否否否 表 1SF6示踪法检测结果 Table 1Test results of SF6tracer n＝ W1 W2 ＝ t 0 ∫f （t） dt S2t （3） 当抽采时间 t＞t0时， 修正因数 n 的表达式为 n＝ W1 W2 ＝ t0 0 ∫f （t） dt＋S1（t－t0） S2t （4） 式中 W1为 CO2相变致裂后一定抽采时间的累 计抽采纯量， m3； W2为未增透情况下一定抽采时间 的累计抽采纯量， m3； t0为抽采提高段过渡到抽采稳 定段时间， d； S1为 CO2相变致裂后稳定段的抽采纯 量近似平均值， m3/d； S2为未致裂情况下抽采纯量近 似平均值， m3/d。 由式 （3 ） 、 式 （4） 可知， 修正因数 n 并非一定值， 其会随抽采时间 t 的不同而变化。令 t0 0 ∫f （t） dt＝C， 应 用极限思维 limn t→∞ ＝ lim t→∞ C＋S1（t－t0） S2t ＝ S1 S2 （5） 由此可知，修正因数 n 会随抽采时间 t 的延长 从较高值逐渐降低并无限趋近于某一定值。在现场 测定工作中，可根据矿井工作面抽采设计或实际生 产需要的抽采时间来确定修正因数 n。 通过上述分析， CO2相变致裂抽采有效半径测 定流程如图 2。 2时间分源法的工程实例 2.1工程概况 山西大平煤矿位于沁水煤田东部，矿井核定产 能为 1.51 Mt/a， 当前主采 3 号煤层， 属高瓦斯矿井， 矿井最大瓦斯含量为 9.91 m3/t，煤层的透气性系数 为 0.50 m2/ （MPa2 d） ， 煤层倾角为 0～10， 煤层平均 厚度为 6.26 m。 2.2现场试验方案 在运输大巷 2 200 m 处施工 5 个钻孔，其中包 括 4 个观测孔 （抽采孔， φ113 mm） ， 1 个 CO2相变致 裂孔 （SF6注气孔,φ94 mm） ， 观测孔至 CO2相变致裂 孔的距离分别为 12、 16、 20、 24 m。CO2相变致裂孔 和观测孔孔深均为 50 m。试验钻孔布置如图 3。 依次施工 CO2相变致裂孔和观测孔，将 4 个观 测孔封孔后并入汇流管，接入矿井已有抽采管路。 将 SF6气体间歇式注入致裂孔中， 打开观测孔阀门， 将其与瓦斯抽采系统接通，每天从观测孔中抽取气 样， 检测是否含有 SF6气体， 定期对 CO2相变致裂后 汇流管的抽采数据进行观测。 2.3数据处理与分析 SF6示踪法检测结果见表 1。 由表 1 可知， 致裂注气 6 d 后距致裂孔 12 m 的 1观测孔检测到 SF6示踪气体， 15 d 后，距致裂孔 16 m 的 2观测孔检测到 SF6示踪气体。 此后其他观 测孔一直未检测到 SF6示踪气体， 在第 25 d 结束观 图 2CO2相变致裂抽采有效半径测定流程 Fig.2The determination process of drainage effective radius after CO2phase transition fracturing 图 3试验钻孔布置 Fig.3Test drilling arrangement 3 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 4未致裂时抽采有效半径变化曲线 Fig.4The curve of drainage effective radius before fracturing 测。故影响时间为 6 d 时， 抽采影响半径为 12 m； 影 响时间为 15 d 时， 抽采影响半径为 16 m。 对未致裂条件下抽采有效半径和承接时间 t2w 进行线性拟合，未致裂时抽采有效半径变化曲线如 图 4。 得到 r 与 t2w的关系式为 r0.000 69 t2w 1.898 5 （6） CO2相变致裂后抽采有效半径与承接时间 t2w 关系见表 2。对 CO2相变致裂后汇流组瓦斯抽采量 进行处理， 抽采纯量和抽采时间关系如图 5。 稳定段抽采纯量近似平均值为 0.1 m3/min。运 输大巷九联巷处未采取增透措施的相同数量钻孔汇 流组抽采纯量近似平均值为 0.077 m3/min，两地工 作面相距不远， 属于同一地质单元， 煤层赋存情况相 差不大， 可进行对比。 第 25 d 时瓦斯抽采纯量已稳定，故取第 25 d 为提高段末端对应的抽采时间， 由式 （3） 、 式 （4 ） 得 当抽采时间 t≤25 d 时 n t 0 ∫ （0.104 1t 3 -4.95t 2 53.63t266.53） dt 110.88t 0.026t 4 -1.65t 3 26.815t 2 266.53t 110.88t （7） 当抽采时间 t ＞25 d 时 n 25 0 ∫f （t） dt144 （t-25 ） 110.88t 4 027144t 110.88t （8） 根据式 （7） 、 式 （8） ， 对不同抽采时间下的修正 因数进行分析， 修正因数与抽采时间关系如图 6。 从图 6 可以看出，修正因数 n 随抽采时间延长 逐渐降低并趋于 1.30。根据大平煤矿抽采设计， 工 作面本煤层预抽时间不少于 6 个月， 取抽采时间 t 180 d， 代入式 （8） ， 得到 n1.51， 将 n1.51 和表 2 的 结果代入式 （2） ， 即算出达到一定抽采有效半径所 需的抽采时间，致裂后抽采有效半径和抽采时间关 系如图 7。 因此， 大平煤矿在实施 CO2相变致裂的情 况下， 抽采时间为 120 d 时， 抽采有效半径为 12 m； 抽采时间为 148 d 时， 抽采有效半径为 16 m。 3合理性验证 观测孔达到式 （2 ） 计算的抽采时间后， 可在各观 测孔附近施工校验钻孔，将残余瓦斯含量作为验证 有效指标对此法进行校验。不同抽采目的对应着不 同的抽采达标界定指标，可将其换算为残余瓦斯含 量 Q 进行理论验证。当以防突为抽采目的时， 依据 防治煤与瓦斯突出规定 [14]第五十三条， 要求残余 瓦斯压力小于 0.74 MPa， 残余瓦斯含量小于 8 m3/t， 抽采孔孔径 d/mm承接时间t2w/d抽采有效半径 r/m 113 17212 20016 表 2致裂后抽采有效半径与承接时间关系 Table 2Relationship between drainage effective radius and drainage compensation time after fracturing 图 5抽采纯量和抽采时间关系 Fig.5Relationship between drainage pure quantity and drainage time 图 6修正因数与抽采时间关系 Fig.6Relationship between correction factor and drainage time 4 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 7致裂后抽采有效半径和抽采时间关系 Fig.7Relationship between drainage effective radius and drainage time 此时残余瓦斯含量验证指标 Q1≤8 m3/t。当以煤层 抽采达标为抽采目的时，依据煤矿瓦斯抽采达标 暂行规定 [15]第二十七条、 二十八条， 开采层为瓦 斯涌出主要来源时，可解吸瓦斯量应符合有关规 定，经过换算，此时残余瓦斯含量验证指标 Q2≤ QjQcc， 其中 Qj为不同工作面日产量对应的可解吸 瓦斯量， m3/t； Qcc为评价范围内残存瓦斯含量， m3/t。 邻近层或围岩为瓦斯涌出主要来源时，工作面抽采 率应符合相关要求，经过换算，此时残余瓦斯含量 验证指标 Q3≤Q0 （1-η） ，其中 Q0为抽采前瓦斯含 量， m3/t； η 为不同工作面绝对瓦斯涌出量对应的工 作面抽采率。 试验地点的抽采目的为实现煤层瓦斯抽采达 标，根据大平煤矿瓦斯涌出量预测报告，其涌出量 主要来自开采层，故使用式 Q2≤QjQcc对抽采有效 半径的测定结果进行验证。大平煤矿工作面日产量 为 5 471 t， 根据 煤矿瓦斯抽采达标暂行规定 ， 可 解吸瓦斯量 Qj≤5.5 m3/t。根据大平煤矿实验室数 据，此处残存瓦斯含量 Qcc3.26 m3/t。可得临界值 Q28.76 m3/t。通过现场测定， 抽采 120 d 后， 在 1孔 附近新打 1 个钻孔测定瓦斯含量，测定结果为 q1 6.84 m3/t； 抽采 148 d 后， 在 2孔附近新打 1 个钻孔 测定瓦斯含量， 测定结果为 q27.47 m3/t； 抽采 181 d 后， 在 3孔附近新打 1 个钻孔测定瓦斯含量， 测定 结果为 q39.24 m3/t。由此可知， 在达到相应的抽采 时间后，抽采有效半径范围内的瓦斯指标均降到临 界值 Q2以下， 因此验证基于时间分源法的测定结果 具有良好的可靠性。 4结论 1） 抽采半径分为抽采影响半径和抽采有效半 径， 前者仅指抽采效果影响至该点， 后者则是指经过 抽采，瓦斯指标降到允许值以下。在煤矿生产工作 中，起指导作用的是抽采有效半径。抽采时间是影 响二者的关键因素，提出抽采半径存在时间效应， 离开时间因素去分析抽采影响半径和抽采有效半径 没有意义。 2） 在分析当前测定 CO2相变致裂抽采有效半径 方法的基础上，提出时间分源法。该方法无测压工 序， 避开了当前测压成功率低的现状， 且无需通过建 立理想模型进行数值模拟， 测定过程简单实用， 测定 结果可靠。 3） 在大平煤矿进行 CO2相变致裂试验， 抽采时 间为 120 d 时，测得钻孔抽采有效半径为 12 m； 抽 采时间为 148 d 时，钻孔抽采有效半径达到 16 m。 通过实施 CO2相变致裂， 增大了布孔间距， 减少了钻 孔数量， 施工时间和抽采周期显著缩短。 参考文献 ［1］ 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术 ［M］ .北京 煤炭工业 出版社， 2001 3-5. ［2］ 樊保龙， 白春华， 李建平.基于 LMD-SVM 的采煤工作 面瓦斯涌出量预测 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2013， 30 （6） 946-952. ［3］ 张东明， 白鑫， 尹光志， 等.低渗煤层液态 CO2相变定 向射孔致裂增透技术及应用 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （7） 1938-1950. ［4］ 朱南南， 张浪， 范喜生， 等.基于瓦斯径向渗流方程的 有效抽采半径求解方法研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （10） 105-110. ［5］ 鲁义， 申宏敏， 秦波涛， 等.顺层钻孔瓦斯抽采半径及 布孔间距研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2015， 32 （1） 156-162. ［6］ 梁冰， 袁欣鹏， 孙维吉， 等.分组测压确定瓦斯有效抽 采半径试验研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2013， 30 （1） 132-135. ［7］ 郝富昌， 刘明举， 孙丽娟.基于多物理场耦合的瓦斯抽 放半径确定方法 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38 （S1） 106. ［8］ 季淮君， 李增华， 杨永良， 等.基于瓦斯流场的抽采半 径确定方法 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2013， 30 （6） 917-921. ［9］ 王兆丰， 李炎涛， 夏会辉， 等.基于 COMOSOL 的顺层 钻孔有效抽采半径的数值模拟 ［J］ .煤矿安全， 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Study on s of Determining Gas Extraction Radius with （下转第 11 页） 5 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 2 ） 在定容常压下， 甲烷最大爆炸压力随着初始 温度的升高呈连续下降趋势， 降幅一致为 36～37 之间。且发现拟合的压力公式基本不受混合可燃气 体和甲烷体积分数的影响。 3）在定容常压下， 含 C2H4和 C2H6较多的配比 对甲烷最大爆炸温度和压力的影响相对较大。正氧 平衡下，配比 1 至配比 3 使甲烷最大爆炸温度要大 于配比 4 至配比 6， 负氧平衡下则相反。 上述规律在 初始温度升高的情况下也一直成立。而最大爆炸压 力则与初始温度二者时刻呈现负相关的关系。另 外，随初始温度的增加，最大爆炸温度和最大爆炸 压力随多元混合气体体积分数增加而上升或下降的 幅度减小。 4 ） 定容常压下， 对比不同温度下爆炸传播的动 态过程发现 体积分数为 9.5的甲烷比 11的甲烷 爆炸反应速率更快。 温度为 140 ℃时比 25 ℃时提前 消耗完燃料， 即初始温度加快了甲烷的爆炸反应。 参考文献 ［1］ 钟元华， 孙继宏.煤矿瓦斯爆炸原因分析与防治 ［J］ .企 业技术开发， 2014 （11） 172-173. ［2］ Hashimoto A, Matsuo A. Numerical analysis of gas ex- plosion inside two rooms connected by ducts ［J］ . Jour- nal of Loss Prevention in the Process Industries, 2007, 20 （4） 455-461. ［3］ Sknsky J, Vere J, Peer V, et al. Explosion characteristics of methane for CFD modeling and simulation of turbulent gas flow behavior during explosion［C］ // American Insti- tute of Physics Conference Series. 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