水射流卸压增渗及抽采瓦斯效果的渗流力学数值解

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1、第32卷第4期西安科技大学学报Vol．32No.42012年07月JOURNALOFXI’ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYJul.2012文章编号:1672－9315(2012)04－0464－06*水射流卸压增渗及抽采瓦斯效果的渗流力学数值解李志强，唐旭(河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南焦作454000)摘要:为提高低渗煤体的瓦斯抽采性能，以重庆天府三矿为研究目标区，采用低温液氮吸附法和压汞法测定了煤层孔隙结构，分析了重庆天府矿区煤体低渗的原因，结果表明，煤体

2、孔隙多为5两端开口的平板状、管状孔，孔隙的连通性好，压汞渗透率是原位煤体渗透率的2×10倍，煤体孔隙本身的渗透性较好，煤层低渗为高地应力所致。进行了底板穿层钻孔高压水射流卸压增渗试验，试验表明，卸压后煤层渗透率增加了90倍，抽采率从17%提高到了58%，抽采量增加了4．8倍。建立了瓦斯抽采的渗流力学方程，解算了卸压增渗透前后的不同抽采时间条件下的抽采半径，优化了合理布孔间距、抽采时间，为水射流卸压抽采瓦斯效果评价提供了理论指导。关键词:瓦斯;水射流;抽采;孔隙结构;渗流中图分类号:TD713．2文献标志码:A0引言煤

3、层低渗透性是制约瓦斯高效抽采和煤层气开发的主要瓶颈问题，卸压增渗是当前瓦斯抽采的主攻［1－2］目标。煤层水射流割缝(扩孔)卸压是煤层增渗的有效手段之一，其代表性研究有重庆大学李晓红院［3－8］士、卢义玉教授系统地开展了高压水射流破煤工程与理论研究，提出了高压水射流冲击效应、剥蚀效［9－11］应、空化效应、应力波效应破煤机理，并发展了前后混磨料射流技术;赵阳升教授开展了三轴应力条件下的水射流割缝实验，模拟了不同埋深的卸压瓦斯抽采效果，开展了水力割缝条件下的固气耦合渗流［12］理论与数值模拟研究;宋维源教授等人开展了水力

4、割缝的应力分布数值模拟。水力割缝(扩孔)技术理论目前尚存在一些问题亟待解决，水射流卸压增渗的适应性有待研究，卸压增渗后抽采达标所需时间、有效抽采半径有待进一步的理论计算，这是射流参数选择的必要依据，也是评价射流增渗效果有效性的关键参数。文中从煤层孔隙结构渗透性入手，分析了水射流增渗的适应性，并建立了瓦斯抽采的渗流力学方程，以井下实测数据为基础，模拟并对比分析了水射流卸压前后抽采时间、有效抽采半径，为水射流参数优化选择提供了理论指导。1煤层孔隙结构测定及低渗原因分析煤层渗透性主要由煤层内部孔隙结构和外部温压条件2方面决

5、定，其中，孔隙结构决定了煤层的致密程度，进而决定了煤层本身的微观孔隙渗透能力;煤层的宏观孔隙渗透性对应力较为敏感。分析煤层的孔隙结构，可判断出煤层本身的渗透能力，再对比井下受载条件下的实测透气性，可判断出煤层低渗的主控因素，进而决定采取何种措施提高渗透性。1．1低温液氮及压汞法孔隙结构分析采用ASAP－2020低温液氮吸附仪测定了重庆天府三矿K4煤层的孔隙结构，低温液氮吸附法可测1．7～300nm的孔径范围，可分析煤的总孔容积、比表面积、孔径随相对压力的吸附和脱附曲线，进而分析*收稿日期:2012－03－28基金项目

6、:国家自然科学基金青年基金项目(51004041);国家自然科学基金项目(41172141)通讯作者:李志强(1975－)，男，山西阳泉人，博士，主要从事煤层气开发及矿井瓦斯防治理论及技术研究．第4期李志强等:水射流卸压增渗及抽采瓦斯效果的渗流力学数值解465煤中各种孔径的大小和比例。测定结果表明，K4煤层的）2.03P平均孔径为13．093nm，总孔容积为1．2358cm/g，其中，TS1.8gk1.6微孔占5．68%，小孔占89．38%，中孔占4．94%，比表面积3·1.4mtainfuK4-Adsorption

7、为0．5036m2/g．吸附与脱附线不重合，形成了吸脱附回（c1.2dtainfuK4-Desorptione1.0线，这种曲线形状表明K4煤层的孔隙结构为两端开口的rbo0.8sd管状孔、平行板状孔，孔隙连通性较好(图1)。压汞法可A0.6ty0.4ti测定5．5～300nm的孔径分布，并能测定迂曲因子、形状na0.2uQ0.0因子、卸载后的渗透率等值，测定结果表明，压汞渗透率为0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0－32－5－3RelativePressure（P/Po）8．85×10

8、μm，是井下实测渗透率(4．17×10×10μm2)的2．12×105倍，表明K煤层本身的渗透性较好。图1K4煤层低温液氮吸附与脱附回线41．2煤层低渗原因分析Fig.1AdsorptionanddesorptioncurvesofK4coal重庆天府矿业公司三矿K4煤层埋深900～1100m，seambylowtemperaturenitro