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1、第32卷第4期西安科技大學(xué)學(xué)報Vol．32No.42012年07月JOURNALOFXI’ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYJul.2012文章編號:1672－9315(2012)04－0464－06*水射流卸壓增滲及抽采瓦斯效果的滲流力學(xué)數(shù)值解李志強，唐旭(河南理工大學(xué)河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室，河南焦作454000)摘要:為提高低滲煤體的瓦斯抽采性能，以重慶天府三礦為研究目標區(qū)，采用低溫液氮吸附法和壓汞法測定了煤層孔隙結(jié)構(gòu)，分析了重慶天府礦區(qū)煤體低滲的原因，結(jié)果表明，煤體
2、孔隙多為5兩端開口的平板狀、管狀孔，孔隙的連通性好，壓汞滲透率是原位煤體滲透率的2×10倍，煤體孔隙本身的滲透性較好，煤層低滲為高地應(yīng)力所致。進行了底板穿層鉆孔高壓水射流卸壓增滲試驗，試驗表明，卸壓后煤層滲透率增加了90倍，抽采率從17%提高到了58%，抽采量增加了4．8倍。建立了瓦斯抽采的滲流力學(xué)方程，解算了卸壓增滲透前后的不同抽采時間條件下的抽采半徑，優(yōu)化了合理布孔間距、抽采時間，為水射流卸壓抽采瓦斯效果評價提供了理論指導(dǎo)。關(guān)鍵詞:瓦斯;水射流;抽采;孔隙結(jié)構(gòu);滲流中圖分類號:TD713．2文獻標志碼:A0引言煤
3、層低滲透性是制約瓦斯高效抽采和煤層氣開發(fā)的主要瓶頸問題，卸壓增滲是當前瓦斯抽采的主攻［1－2］目標。煤層水射流割縫(擴孔)卸壓是煤層增滲的有效手段之一，其代表性研究有重慶大學(xué)李曉紅院［3－8］士、盧義玉教授系統(tǒng)地開展了高壓水射流破煤工程與理論研究，提出了高壓水射流沖擊效應(yīng)、剝蝕效［9－11］應(yīng)、空化效應(yīng)、應(yīng)力波效應(yīng)破煤機理，并發(fā)展了前后混磨料射流技術(shù);趙陽升教授開展了三軸應(yīng)力條件下的水射流割縫實驗，模擬了不同埋深的卸壓瓦斯抽采效果，開展了水力割縫條件下的固氣耦合滲流［12］理論與數(shù)值模擬研究;宋維源教授等人開展了水力
4、割縫的應(yīng)力分布數(shù)值模擬。水力割縫(擴孔)技術(shù)理論目前尚存在一些問題亟待解決，水射流卸壓增滲的適應(yīng)性有待研究，卸壓增滲后抽采達標所需時間、有效抽采半徑有待進一步的理論計算，這是射流參數(shù)選擇的必要依據(jù)，也是評價射流增滲效果有效性的關(guān)鍵參數(shù)。文中從煤層孔隙結(jié)構(gòu)滲透性入手，分析了水射流增滲的適應(yīng)性，并建立了瓦斯抽采的滲流力學(xué)方程，以井下實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬并對比分析了水射流卸壓前后抽采時間、有效抽采半徑，為水射流參數(shù)優(yōu)化選擇提供了理論指導(dǎo)。1煤層孔隙結(jié)構(gòu)測定及低滲原因分析煤層滲透性主要由煤層內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和外部溫壓條件2方面決
5、定，其中，孔隙結(jié)構(gòu)決定了煤層的致密程度，進而決定了煤層本身的微觀孔隙滲透能力;煤層的宏觀孔隙滲透性對應(yīng)力較為敏感。分析煤層的孔隙結(jié)構(gòu)，可判斷出煤層本身的滲透能力，再對比井下受載條件下的實測透氣性，可判斷出煤層低滲的主控因素，進而決定采取何種措施提高滲透性。1．1低溫液氮及壓汞法孔隙結(jié)構(gòu)分析采用ASAP－2020低溫液氮吸附儀測定了重慶天府三礦K4煤層的孔隙結(jié)構(gòu)，低溫液氮吸附法可測1．7～300nm的孔徑范圍，可分析煤的總孔容積、比表面積、孔徑隨相對壓力的吸附和脫附曲線，進而分析*收稿日期:2012－03－28基金項目
6、:國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51004041);國家自然科學(xué)基金項目(41172141)通訊作者:李志強(1975－)，男，山西陽泉人，博士，主要從事煤層氣開發(fā)及礦井瓦斯防治理論及技術(shù)研究．第4期李志強等:水射流卸壓增滲及抽采瓦斯效果的滲流力學(xué)數(shù)值解465煤中各種孔徑的大小和比例。測定結(jié)果表明，K4煤層的）2.03P平均孔徑為13．093nm，總孔容積為1．2358cm/g，其中，TS1.8gk1.6微孔占5．68%，小孔占89．38%，中孔占4．94%，比表面積3·1.4mtainfuK4-Adsorption
7、為0．5036m2/g．吸附與脫附線不重合，形成了吸脫附回（c1.2dtainfuK4-Desorptione1.0線，這種曲線形狀表明K4煤層的孔隙結(jié)構(gòu)為兩端開口的rbo0.8sd管狀孔、平行板狀孔，孔隙連通性較好(圖1)。壓汞法可A0.6ty0.4ti測定5．5～300nm的孔徑分布，并能測定迂曲因子、形狀na0.2uQ0.0因子、卸載后的滲透率等值，測定結(jié)果表明，壓汞滲透率為0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0－32－5－3RelativePressure（P/Po）8．85×10
8、μm，是井下實測滲透率(4．17×10×10μm2)的2．12×105倍，表明K煤層本身的滲透性較好。圖1K4煤層低溫液氮吸附與脫附回線41．2煤層低滲原因分析Fig.1AdsorptionanddesorptioncurvesofK4coal重慶天府礦業(yè)公司三礦K4煤層埋深900～1100m，seambylowtemperaturenitro
