割理方向与煤层气抽放效果的关系及预测模型.pdf

收稿日期“ “ 基金项目国家自然科学基金重点项目 6 7 5 ; A0 8 B; 6 ; 6 CDE F 6 0 1 0 C AB7 A GG G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G “ 文章编号 H I 6 .相对瓦斯涌出量“ I UW 煤 层含气量 “ R ,UW 6 煤层割理系统清晰可辨.发育特征较为稳定 面割理发育频度 I R“ “条W L U.平均 I J条W L U. 走向2X ’ V R2X V .延伸稳定端割理发育频度 “ R条W L U.走向变化介于2Y ’ V R2X ’ V 之间 割理面倾角多在J ’ V左右近于矩形的割理网络系 统.构成了煤层气渗流的良好通道根据现场测定. 煤层透气性系数为 ’ , R’ I U“W BM 7 “ZL 工作面范围内构造相对简单.见2X -[ Y走 向的小断层出现.未见较大断层轨道下山前方, U处个 A B C D “ A E A C D 垂直面割理 A AD B A “ A E A C D 图煤层气抽放钻孔与煤层割理方位关系示意图 F G H “ I J K L M G N O P Q G RN S T U L G O L H JV N U J P L O TN U G J O M L M G N ON S W K J L M 根据原煤炭部X防治煤与瓦斯突出细则Y及焦 作矿区前期有关试验Z [B \ ]\研究区沿层平行抽放 钻孔的孔间距或有效影响直径为 “ D “计算中 采用的参数除实测值外\抽放负压影响系数取 “ \ 各钻孔瓦斯涌出不均匀系数取A “ “因此\本试验 将垂直面割理方向的钻孔间距定为 “ “由此计 算\ A个垂直面割理方向钻孔的有效影响面积为 _ A A \ 影响面积内煤层气储量为 D BD“同 理\ 个平行面割理方向钻孔有效影响面积内的 煤层气储量为 _B _D“ 试验钻孔全部采用聚胺脂化学材料封孔“封孔 深度\封孔长度\封孔管内径 “孔口 皆有A “ 充填水泥砂浆固孔段“封孔管顶端套 有 ‘筛网“于 _ _ _年_月 A日开始布置钻孔\ 钻孔后即封闭\于_月 日连入抽放管路系统“ a 抽放试验结果 a “ 钻孔 b b抽放量及变化规律 抽放试验始于 _ _ _年 A月 B日\结束于 月 C日\累计抽放观察 T \共记录现场观测数据 B A A余个“在此期间\由于布置工作面上回风巷 的需要\平行面割理方向钻孔抽放观察于 月D 日被终止“根据现场观测数据\经整理统计得出两 个方向钻孔在抽放期内的 A A钻孔抽放流量及 其动态变化数据c表 d “ 基于观测数据\回归得出钻孔 A A抽放流 量随时间的衰减规律e fghA “ A DJ iA “ A A Bj \ fkhA “ AJ iA “ A B j \ 式中e f g为垂直面割理方向钻孔 A A抽放流量\ D; G O l f k为平行面割理方向钻孔 A A抽放流 量\ D; G O l j为抽放时间\ G O “ 可以看出e垂直面割理方向钻孔的平均 A A 钻孔初始流量为A “ ADD; G O \是平行面割理方 向钻孔c A “ AD; G O d的 “ 倍l垂直面割理方 向钻孔的衰减系数为A “ A A B \比平行面割理方向 钻孔c A “ A B d约低 m“因此\垂直面割理方向钻 孔平均 A A钻孔初始流量相对较高\随时间的 衰减速率相对较小\抽放效果明显要好于平行面割 理方向的钻孔“这是面割理裂隙连通性好n导气能 力强n贯穿的煤层气解吸面大的必然结果“ 表a两个方向钻孔 b b抽放流量统计 c DpG O id A “ CA “ E DA E A B E A E C B E AA E B C E DA E E CA E _ “ A A “ _ E A A E A C E A E A _ C E CA E D E A E A qq q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q E CA E A 平行面割理方向钻孔 日期 fk; c DpG O id A “ BA “ A C A E _A E A C A E A E A _ A E A E A B A E CA E A C E A A E A B a “ a 钻孔累计实际抽放量分析 整理抽放实测数据\得出钻孔累计 A A抽 放量变化c表D d “由表D可知e在抽放试验期间\垂 直与平行面割理方向钻孔的累计 A A抽放总量 分别为 D D “ DD和_ D _ “ Dl在任何时刻\垂 直面割理方向的抽放量都明显高于平行面割理方 向l抽放时间越长\两个方向钻孔抽放量的差距越 来越显著\抽放量之比c f g;fkd 从试验初期的 “ 左右逐渐增高至试验末期的 “ 左右“这一趋势\ 不仅进一步说明了面割理对气体运移的疏导作用 明显优于端割理\也充分揭示出割理方向对抽放效 果的控制特征“ 中国矿业大学学报第D 卷 万方数据 表实际累计“ 抽放量及抽放效果 A E ;F F E A ; E F B E B E 6GD E A E B D E B B E AA E FB E BD D E 6C86G E E A E E F E D E A E A D 抽放效果数值模拟预测 E “ 抽放效果预测数学模型 通过对上述两个方向钻孔 ; ;9抽放量随时 间衰减规律关系式进行时间积分H得出试验区二 煤层煤层气累计抽放随时间变化的拟合关系I 垂直方向钻孔I 6C7JK L ;; E B ; M N; E ; ; B AL O ; ; P ; ; B A O Q NM N; E ; ; B AL R J A B E O Q NM N; E ; ; B AL R P 平行方向钻孔I 6G7JK L ;; E M N; E ; A L F ;O Q NM N; E ; A L R P 根据上述拟合关系H求得试验期间累计 ; ;9 抽放量拟合值与实际值之间的误差Q表 R E对比拟 合值与实际值可知I第一H抽放时间延长H拟合误差 具 有 减 小 的 趋 势S第 二H垂 直 面 割 理 钻 孔 累 计 ; ;9抽放量的拟合误差总体上小于平行面割理 方向钻孔S第三H拟合值总体上略高于实际值S第 四H在试验期内H垂直面割理钻孔累计 ; ;9抽放 量拟合误差的绝对值小于A TH平行面割理钻孔则 在 ; T左右E结果表明H上述拟合关系与实测数据 基本相吻合H拟合方程较好地表征出试验区钻孔煤 层气的抽放规律H可作为抽放效果预测的数学模 型E 表U钻孔实际累计“ 抽放量拟合及其误差 A B E A 误差8 T N; E FN E B N E D DN; E D AN E DN E B N; E D 6G7 拟合抽放量 D E A ; B E ; E A ; E B E F; A F E F E 误差8 T N; E F N E N E A ;NB E DND E ; N ; E ; ANA E ; B 注I拟合误差JQ实际抽放量N拟合抽放量R O ; ; 8实际抽放量E E W 抽放效果数值模拟 将上述两个拟合方程作为数学模型H取抽放时 间为无穷大H通过数值模拟可求得试验区范围内两 个方向钻孔的煤层气极限抽放量H并预测合理抽放 时间E 垂直面割理方向钻孔的极限抽放量为I 6CXJK Y ;; E B ; M N; E ; ; B AL O ; ; E ; ; B A J A B E 9 平行面割理方向钻孔的极限抽放量为I 6CXJK Y ;; E M N; E ; A L F ;9 两方向钻孔极限抽放量之比为 E A H达到极 限 抽 放 量 时H垂 直 面 割 理 方 向 钻 孔 的 抽 放 率 Q A9 8 A B9R 为 A TH平行面割理方向 钻孔的抽放率Q F ;98 DA D9R仅能达到 A TE换言之H垂直面割理方向钻孔的极限抽放量是 平行面割理方向钻孔的 E A 倍H抽放率要高 E 倍H垂直面割理方向布置钻孔显著提高了抽放效 果E 极限抽放量是一种理想的抽放状态H实际上不 可能达到E根据抽放经验H一般认为I在达到极限抽 放量的D ; T时H再延长抽放时间毫无意义H而且也 无必要H研究区同样也是这种情况E垂直面割理走 向钻孔累计抽放量的数值模拟表明I在表所示的 抽放条件下H当抽放量达到极限抽放量的 D ; T Q D; 9 R 之后H模拟曲线趋向于平缓H即无论增 加多少预抽时间H抽放量的增加也相当缓慢Q图 R E 第期陈金刚等I割理方向与煤层气抽放效果的关系及预测模型 万方数据 根据进一步模拟计算垂直面割理方向钻孔抽 放率达到“ 9 ; 1 9 8 8 4 54 9 ; 1 6 7 9 1 7 6 A B 6 7 B 6 9 8 68 6 9 ; C 结论 煤层割理方向性导致的渗透率各向异性显著 地影响到煤层气抽放效果,试验区二’煤层垂直面 割理方向钻孔初始抽放’ 5流量是平行面割理 方向钻孔的’ , *倍衰减系数比平行面割理方向约 低 . D在任何时刻垂直面割理方向钻孔的抽放 量都明显高于平行面割理方向且抽放时间越长 两个方向钻孔之间抽放量的差距越为显著, 就研究区而言与平行面割理方向钻孔相比 垂直面割理方向钻孔的极限抽放量要高出* , E ’ 倍抽放率要高出. , .倍D垂直面割理方向钻孔的 抽 放 量 达 到 4 7 9 7 9 8 ; 4 7 6 A 1 9 G J H ,KKL M’ ;V KW A 9 8 6 9 ; FK7 6 1 6 XG J H , O 9 M 6 2 Y ’ 4 Y ; S 61 8 9 6 7 6 A 6 7 1 7 A G J H ,M 6 2 1 8 9 N 8 1 6 ; YL 4 1 8 9 ; 1 4 B 1 9 6 I 6 9 ; 9 V 6 A 4 7 8 69 A 8 1 6 4 * * ’ I S 1 2 1 8 9 A 6 ; ; 1 ; S 6 7 6 A 6 9 7 8 S8 9 51 ; 6 [ B 6 7 1 56 4 B 1 9 6 8 6 9 ;9 7 B 7 6 1 8 ; 1 ; S 6 7 6 A B 9 7 9 6 ; 9 8 68 6 9 ; 1 7 6 AB 9 7 9 6 ; 9 8 68 6 9 ;1 ; S 656 ; S 9 9 A 6 9 5A 7 6 59 7 \ 9 Y1 9 6 8 6 9 ; D 7 1 6 9 6 56 ; S 9 6 7 9 1 6 -责任编辑 李成俊/ E** 中国矿业大学学报第 *卷 万方数据