古漢山礦二1煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位及對(duì)瓦斯抽采的影響

關(guān)金鋒，王永周，馬靜馳，崔洪慶

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.河南焦煤能源有限公司 古漢山礦，河南 焦作 454003；3.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

煤層滲透性具有各項(xiàng)異性，滲透性優(yōu)勢(shì)方位決定著煤層優(yōu)質(zhì)瓦斯?jié)B流通道，關(guān)系到井下煤層瓦斯抽采和地面煤層氣井的生成效率。美國(guó)礦業(yè)局的資料顯示，受煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位的影響，不同方向的煤層滲透率之比高達(dá)17∶1，煤層氣抽采量相差3～10倍[1]。我國(guó)焦作韓王煤礦井下瓦斯抽采試驗(yàn)表明，同一煤層不同方向的瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采效率存在顯著差異，垂直面割理方向鉆孔瓦斯極限抽采量是平行面割理方向鉆孔的2.6倍，抽放率高出4.3倍[2-3]。因此，在煤層氣開發(fā)和瓦斯抽采過(guò)程中，對(duì)煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位的研究至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)煤層裂隙發(fā)育規(guī)律統(tǒng)計(jì)、地應(yīng)力對(duì)煤層裂隙控制作用分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)滲透性測(cè)試試驗(yàn)對(duì)古漢山礦二1煤層滲透性優(yōu)勢(shì)分布方位進(jìn)行了研究，并探討了煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位在儲(chǔ)層改造、瓦斯抽采中的作用，以期提高礦井煤層瓦斯抽采效率。

1 古漢山礦二1煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位預(yù)測(cè)

1.1 煤層裂隙發(fā)育規(guī)律

對(duì)煤層滲透性產(chǎn)生影響的主要因素是煤層中的宏觀裂隙，包括原生割理、次生節(jié)理[4]。煤層裂隙是導(dǎo)致煤層滲透性呈現(xiàn)各項(xiàng)異性的重要因素，裂隙規(guī)模、開閉程度控制著煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位[5-6]。古漢山礦可分為東、西兩區(qū)，分屬不同的瓦斯地質(zhì)單元[7]，考慮到同一瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)裂隙分布規(guī)律的一致性，確定礦井東區(qū)為一觀測(cè)范圍、西部為一觀測(cè)范圍，主要對(duì)正在進(jìn)行的采掘工作面煤壁進(jìn)行觀測(cè)。

統(tǒng)計(jì)采掘工作面近300個(gè)煤層裂隙數(shù)據(jù)，繪制了礦井東區(qū)、西區(qū)煤層裂隙走向玫瑰花圖（圖1）。

圖1 煤層裂隙走向玫瑰花圖

從圖1可以看出，東區(qū)煤層內(nèi)主要發(fā)育走向?yàn)镹50°E 1組裂隙，西區(qū)煤層內(nèi)主要發(fā)育走向N30°E、N20°W、N60°W 3組裂隙，東區(qū)煤層裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位比較明顯，而西區(qū)煤層裂隙無(wú)優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，西區(qū)煤層裂隙分布較為紊亂、規(guī)律性不強(qiáng)，而東區(qū)裂隙組分布比較固定。

1.2 煤層滲透性優(yōu)勢(shì)分布方位預(yù)測(cè)

古漢山為典型的大地動(dòng)力場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境，地應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力沿水平方向，為N60°E向[8]。煤層滲透性主要受裂隙與地應(yīng)力之間組合型式影響[5]，對(duì)于西部瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層裂隙來(lái)說(shuō)，走向N20°W、N60°W裂隙組受到相對(duì)擠壓作用，地應(yīng)力環(huán)境對(duì)這2組裂隙閉合有利，走向N30°E裂隙組受到相對(duì)拉張作用，應(yīng)力環(huán)境對(duì)該組裂隙開啟有利；對(duì)于東部瓦斯地質(zhì)單元來(lái)說(shuō)，走向?yàn)镹50°E裂隙組受到相對(duì)拉張作用，地應(yīng)力環(huán)境該組裂隙開啟有利。應(yīng)力對(duì)裂隙開閉作用如圖2。

圖2 應(yīng)力對(duì)裂隙開閉作用

根據(jù)礦井地應(yīng)力對(duì)煤層裂隙開啟、閉合控制規(guī)律，可以預(yù)測(cè)古漢山礦東部瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層滲透性優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位為N50°E（與裂隙發(fā)育方位一致），西部瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)煤層滲透性優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位為走向N30°E（與裂隙組發(fā)育方位一致）。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

2.1 測(cè)試方案

為了測(cè)試煤層滲透性各項(xiàng)異性分布規(guī)律，在16采區(qū)1604底抽巷2號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行煤層滲透率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在1604底抽巷4＃鉆場(chǎng)、5＃鉆場(chǎng)向煤層施工不同方向測(cè)試鉆孔（圖3），測(cè)試鉆孔穿過(guò)底抽巷巖巷進(jìn)入煤層當(dāng)中，1＃鉆孔方位角為 N55°W、2＃鉆孔方位角為N35°E、3＃鉆孔與煤層頂板近似垂直。

圖3 1604底抽巷滲透率測(cè)試孔布置示意圖

為達(dá)到快速測(cè)定目的，采用注入壓降法進(jìn)行煤層滲透性測(cè)試：①鉆孔完孔后采用膨脹水泥封孔，在煤層內(nèi)形成密閉氣室；②將高壓氮?dú)庾⑷朊荛]氣室，注入壓力等于或略高于煤層原始瓦斯壓力，待鉆孔周圍煤層瓦斯壓力穩(wěn)定之后停止注氣；③停止注氣之后鉆孔即進(jìn)入壓力恢復(fù)階段，壓力恢復(fù)過(guò)程可通過(guò)壓力表讀數(shù)顯示；④將記錄的氣體注入與壓力降低時(shí)的壓力表數(shù)據(jù)，通過(guò)代入相關(guān)分析軟件處理即可得到煤層的滲透率數(shù)值。注入壓降法進(jìn)行煤層滲透性測(cè)試基本原理參考文獻(xiàn)[9]。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，4＃鉆場(chǎng)中的3＃測(cè)試鉆孔數(shù)據(jù)變化很小，為無(wú)效數(shù)據(jù)，分析其原因可能是由于測(cè)試鉆孔傾角比較大，鉆孔密封效果不理想導(dǎo)致，其它測(cè)試鉆孔數(shù)據(jù)處理良好，煤層滲透率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 煤層滲透率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果 10－3μm2

由表1可以看出，無(wú)論是4＃鉆場(chǎng)、5＃鉆場(chǎng)中煤層表現(xiàn)出明顯的滲透性各向異性，1＃測(cè)試鉆孔滲透率數(shù)值均高于其它方向施工的測(cè)試鉆孔，5＃鉆場(chǎng)內(nèi)1＃測(cè)試鉆孔的滲透率大小是3＃測(cè)試鉆孔的2倍，煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位滲透率平均值為 0.01×10－3μm2。

說(shuō)明1＃鉆孔測(cè)試數(shù)據(jù)反映出煤層優(yōu)勢(shì)滲流方向，根據(jù)鉆孔周圍瓦斯徑向流動(dòng)運(yùn)移規(guī)律，說(shuō)明二1煤層滲透率優(yōu)勢(shì)分布方位應(yīng)為垂直于1＃測(cè)試鉆孔方向，即沿N35°E方向。

3 煤層滲透性優(yōu)勢(shì)分布方位對(duì)瓦斯抽采的影響

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與理論預(yù)測(cè)方向基本一致，說(shuō)明煤層滲透率優(yōu)勢(shì)分布方位明顯受N30°E的裂隙組控制明顯，通過(guò)裂隙分布方位對(duì)滲透性優(yōu)勢(shì)分布方位的預(yù)測(cè)結(jié)果是可靠的，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采工程提供地質(zhì)基礎(chǔ)指導(dǎo)。

水力壓裂是煤層改造增產(chǎn)最常用的技術(shù)手段，其形成的人工壓裂縫沿最大主應(yīng)力方向延伸，沿最小主應(yīng)力方向張開[10]。古漢山礦二1煤層滲透性優(yōu)勢(shì)分布方位與最大主應(yīng)力方向基本一致，水力壓裂將進(jìn)一步導(dǎo)致該方向煤層裂隙增多，導(dǎo)致煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位的滲透率繼續(xù)增大，煤層滲透性各項(xiàng)異性分布將更加明顯。對(duì)西區(qū)煤層來(lái)說(shuō)，煤層各個(gè)方位均有豐富裂隙分布，但由于地應(yīng)力、充填物作用，裂隙面多閉合緊密，可以采取儲(chǔ)層酸化[11]等措施打通閉合裂隙，促使各個(gè)方向裂隙聯(lián)通形成網(wǎng)絡(luò)，從整體上提高煤層滲透性。

鑒于古漢山煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位分布特征，可以指導(dǎo)瓦斯抽采鉆孔的施工角度，以獲得最優(yōu)瓦斯抽采效果。對(duì)于礦井東區(qū)煤層，瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)應(yīng)盡量與N50°E向垂直；對(duì)于礦井西區(qū)煤層，瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)應(yīng)盡量與N35°E向垂直。

4 結(jié)論

1）古漢山礦東區(qū)煤層主要發(fā)育有走向?yàn)镹50°E 1組裂隙，西區(qū)煤層主要發(fā)育有走向N30°E、N20°W、N60°W 3組裂隙，結(jié)合地應(yīng)力對(duì)裂隙的開閉控制特征，可以預(yù)測(cè)東區(qū)煤層滲透性優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位為N50°E、西區(qū)煤層滲透性優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位為走向N30°E。

2）對(duì)煤層西區(qū)滲透率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，沿N55°W施工的測(cè)試鉆孔滲透率明顯高于其它方位，煤層滲透性優(yōu)勢(shì)分布方位為N35°E向，滲透性優(yōu)勢(shì)方位滲透率平均值為 0.01×10－3μm2，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和理論預(yù)測(cè)基本吻合。

3）基于煤層滲透性優(yōu)勢(shì)分布方位，分析了水力壓裂、酸化措施改造煤層對(duì)滲透率的影響，指出水力壓裂措施將導(dǎo)致煤層滲透性優(yōu)勢(shì)方位的滲透性進(jìn)一步增強(qiáng)，而酸化煤層措施有利于西區(qū)煤層滲透性整體提高，礦井東區(qū)瓦斯抽采鉆孔應(yīng)與N50°E向垂直、西區(qū)瓦斯抽采的鉆孔應(yīng)與N35°E向垂直。