煤層瓦斯壓力對(duì)瓦斯抽采效果的影響

　　摘 要：近年來(lái)，煤炭資源開(kāi)采逐漸走向深部，煤層瓦斯壓力不斷加大。為研究煤層瓦斯壓力對(duì)瓦斯抽采效果的影響，開(kāi)展了不同吸附瓦斯壓力條件下煤層瓦斯抽采試驗(yàn)，分析了瓦斯抽采過(guò)程中煤層瓦斯壓力、滲透率、溫度、流量等參數(shù)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。研究結(jié)果表明：瓦斯抽采過(guò)程中，解吸瓦斯通過(guò)煤層孔裂隙運(yùn)移至抽采鉆孔并排出，其運(yùn)移路徑基本保持不變，但隨著煤層瓦斯壓力的降低，其運(yùn)移速度逐漸下降;煤層滲透率受控于有效應(yīng)力效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)，當(dāng)吸附瓦斯壓力小于 1.0 MPa 時(shí)，煤層滲透率整體持續(xù)上升，最終大于初始滲透率。當(dāng)吸附瓦斯壓力大于或等于 1.0 MPa 時(shí)，煤層滲透率先下降后上升，最終小于初始滲透率;隨著瓦斯壓力的增加，瓦斯抽采過(guò)程中煤層滲透率恢復(fù)速度減緩，瓦斯抽采結(jié)束后煤層溫度下降量呈對(duì)數(shù)式增長(zhǎng)同時(shí)累積抽采量呈 Langmuir 式增加，即累積抽采量增加速度逐漸降低。研究成果可指導(dǎo)深部高瓦斯煤層瓦斯抽采及突出防控。

　　本文源自張超林; 王恩元; 許江; 彭守建， 采礦與安全工程學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-07-05

　　關(guān)鍵詞：煤層瓦斯抽采;瓦斯壓力;煤層溫度;抽采效果;物理模擬

　　2020 年，我國(guó)煤炭消費(fèi)量占一次能源消費(fèi)量的比重依然高達(dá) 56.8% [1]。在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將作為我國(guó)最重要的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料，在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起到其他資源無(wú)法替代的作用。煤層瓦斯(煤層氣)是一種由煤生成并以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面的甲烷為主要成分的非常規(guī)天然氣[2]。國(guó)土資源部最新評(píng)價(jià)表明，我國(guó)埋深 2 000 m 以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為 30.05×1012 m 3，可采資源量為 12.50×1012 m 3，開(kāi)采潛力巨大[3]。煤層瓦斯同時(shí)還是威脅煤礦安全生產(chǎn)的“第一殺手”，2020 年全國(guó)共發(fā)生煤礦事故 123 起、死亡 228 人，其中瓦斯事故 7 起、死亡 30 人[4]。在煤炭資源開(kāi)采前對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行合理抽采，不僅能減少環(huán)境污染，還能保障煤礦安全生產(chǎn)，同時(shí)獲得清潔能源，具有“環(huán)境、安全、能源”三重效益[5-6]。

　　然而，我國(guó)復(fù)雜的資源稟賦條件使得煤層瓦斯抽采面臨“抽采難度大、抽采效率低、抽采集中度差”等困難[7]。為此，學(xué)者們圍繞以上難題開(kāi)展了大量的研究。程遠(yuǎn)平等[8]基于微孔填充和單層吸附理論建立了表征煤樣甲烷吸附能力的量化方法，表明煤中甲烷主要以微孔填充形式吸附在微孔孔隙中;魏建平等[9-10]導(dǎo)出了隨孔隙尺寸和孔隙壓力變化的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散系數(shù)，并建立了考慮滲流-擴(kuò)散效應(yīng)的煤層瓦斯流動(dòng)新模型;尹光志等[11-13]開(kāi)展了不同應(yīng)力路徑、層理方向和瓦斯壓力對(duì)含瓦斯煤滲流及力學(xué)特性影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究;許江等[14-16]分析了瓦斯抽采過(guò)程中煤體變形特征及其影響因素;馮增朝等[17-18]研究了瓦斯抽采過(guò)程中煤體有效應(yīng)力變化規(guī)律;彭守建等 [19-20]探討了瓦斯抽采過(guò)程中瓦斯壓力和煤層溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征;張超林等[21]分析了鉆孔數(shù)量對(duì)瓦斯抽采量和抽采時(shí)間的影響規(guī)律;林柏泉 [22]、郝富昌[23]、魯義[24]等研究了不同條件下有效抽采半徑和有效抽采區(qū)域變化趨勢(shì)，以?xún)?yōu)化抽采鉆孔布孔間距;梁冰[25]、王登科[26]、張村[27] 等建立了瓦斯抽采多場(chǎng)耦合模型，數(shù)值模擬并分析了瓦斯抽采過(guò)程中滲透率動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

　　近年來(lái)，隨著淺部資源逐漸枯竭，煤炭開(kāi)發(fā)不斷走向地球深部[28-29]。統(tǒng)計(jì)表明，煤層瓦斯壓力隨著埋深的增加近似呈線性增長(zhǎng)[30]。目前關(guān)于不同煤層瓦斯壓力條件下瓦斯抽采效果的研究較少。鑒于此，本文通過(guò)物理模擬手段，開(kāi)展不同煤層瓦斯壓力條件下瓦斯抽采試驗(yàn)，分析瓦斯抽采過(guò)程中煤層參數(shù)變化規(guī)律和抽采流量演化特征及其受瓦斯壓力影響作用，為深部煤層瓦斯抽采及煤層防突提供參考和借鑒。

　　1 試驗(yàn)方案及步驟

　　1.1 試驗(yàn)方案

　　瓦斯抽采試驗(yàn)利用重慶大學(xué)自主研發(fā)的多場(chǎng)耦合煤層氣開(kāi)采物理模擬試驗(yàn)裝置開(kāi)展。該試驗(yàn)裝置主要包括試件箱體、主體承載支架、伺服加載系統(tǒng)、抽采系統(tǒng)以及數(shù)控系統(tǒng)[21,31]，可以在室內(nèi)模擬不同地應(yīng)力、煤層瓦斯壓力、抽采鉆孔布置等條件下瓦斯抽采全過(guò)程，并能同步監(jiān)測(cè)煤層瓦斯壓力、溫度等煤層參數(shù)及抽采流量，如圖 1(a)所示。

　　試件箱體內(nèi)部尺寸為 1050 mm×400 mm× 400 mm，將取自貴州金佳煤礦的煤樣破碎、篩分、攪拌后，裝入試件箱進(jìn)行分層成型，同時(shí)在成型過(guò)程中安裝抽采鉆孔及傳感器。其中，抽采鉆孔、瓦斯壓力傳感器、溫度傳感器分別布置 4 個(gè)(編號(hào)Ⅰ～Ⅳ)、40 個(gè)(編號(hào) P1～P40)、14 個(gè)(編號(hào) T1～T14)，如圖 1(b)所示。垂直抽采鉆孔且布置傳感器最多的平面(y=250 mm)稱(chēng)為中垂面。

　　1.2 試驗(yàn)步驟

　　目前，我國(guó)部分礦井最大采深達(dá)到 1500 m，煤層瓦斯壓力約為 10.0 MPa[30]，結(jié)合相似模擬常數(shù)為5 [32]，本文共開(kāi)展4次瓦斯抽采模擬試驗(yàn)，煤層瓦斯壓力分別為 0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa，地應(yīng)力設(shè)為 4.0 MPa 靜水壓力。同時(shí)為確保試驗(yàn)安全以二氧化碳代替甲烷開(kāi)展試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟如下：

　　1)型煤制備：型煤共分 4 層成型，每次成型均在 7.5 MPa 壓力條件下保壓 1 h;

　　2)抽真空脫氣：型煤成型后進(jìn)行箱體密封性測(cè)試，然后抽真空 2 h;

　　3)充氣吸附：首先啟動(dòng)應(yīng)力加載，然后打開(kāi)氣瓶開(kāi)始充氣，吸附時(shí)間約 48 h;

　　4)瓦斯抽采：吸附平衡后，關(guān)閉進(jìn)氣口閥門(mén)并打開(kāi)出氣口閥門(mén)，開(kāi)始抽采;

　　5)抽采結(jié)束后改變條件開(kāi)展下一次試驗(yàn)。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1 煤層瓦斯壓力及瓦斯流場(chǎng)分布

　　以瓦斯壓力測(cè)點(diǎn)1和2為例分析瓦斯抽采過(guò)程中瓦斯壓力演化，如圖 2 所示。抽采 6 h，P1 分別從 0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 下降至 0.025 MPa、0.033 MPa、0.039 MPa 和 0.047 MPa，且始終保持煤層吸附瓦斯壓力越小，抽采過(guò)程中同一測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)瓦斯壓力越小。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，煤層殘余瓦斯壓力降至 0.74 MPa 即可實(shí)現(xiàn)消突[33]，結(jié)合相似模擬常數(shù)為 5，以 0.148 MPa 為消突臨界值對(duì)比不同條件下測(cè)點(diǎn) 1 實(shí)現(xiàn)消突快慢。由圖可知，吸附瓦斯壓力 0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 條件下分別抽采 49 min、66 min、79 min 和 93 min 即可實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn) 1 的消突。

　　為定量表征煤層瓦斯壓力下降快慢，以瓦斯抽采 t 時(shí)刻瓦斯壓力下降量(△P，吸附瓦斯壓力 P0 與殘余瓦斯壓力 Pt差值)與吸附瓦斯壓力比值，定義瓦斯壓力下降率 DP，即： 0 0 0 1 0 0 % 1 0 0 % t P P P P D P P ? ?? ? ? ? 式(1)

　　4 次試驗(yàn)抽采 1 h 后 DP1 分別達(dá)到 74.3%、 84.1%、87.7%和 89.5%，抽采 5 h 后分別為 95.0%、96.7%、97.4%和 97.6%，可見(jiàn)，煤層瓦斯壓力的下降先快后慢，且隨著吸附瓦斯壓力的增大而加快。瓦斯壓力測(cè)點(diǎn) 2 演化趨勢(shì)與測(cè)點(diǎn) 1 類(lèi)似，不同之處在于：測(cè)點(diǎn) 2 達(dá)到消突時(shí)間分別為 38 min、54 min、68 min 和 78 min，抽采結(jié)束后的瓦斯壓力下降率分別為 95.8%、97.3%、 97.8%和 98.0%，即測(cè)點(diǎn) 2 對(duì)應(yīng)瓦斯壓力下降更快、消突用時(shí)更短。測(cè)點(diǎn) 1 和測(cè)點(diǎn) 2 距抽采鉆孔距離分別為 160 mm 和 80 mm，表明不同測(cè)點(diǎn)距抽采鉆孔越近，對(duì)應(yīng)瓦斯壓力下降越迅速。其余測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)瓦斯壓力演化規(guī)律類(lèi)似，不再贅述。

　　圖 3 為不同吸附瓦斯壓力抽采過(guò)程中垂直鉆孔的中垂面瓦斯流場(chǎng)圖，4 個(gè)紅色圓圈分別表示 4 個(gè)抽采鉆孔投影。由圖 3(a)可知抽采 10 min瓦斯壓力等壓線近似以鉆孔為中心呈現(xiàn)圓環(huán)形分布，等壓值由內(nèi)向外分別為 0.2 MPa 和 0.3 MPa，即越靠近鉆孔區(qū)域，等壓值越小。矢量箭頭方向均徑向指向鉆孔，越靠近鉆孔其長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表明抽采過(guò)程中，氣體從煤層向鉆孔流動(dòng)，且鉆孔附近氣體運(yùn)移速度較大;對(duì)比圖 3(b)中抽采 20 min 瓦斯流場(chǎng)圖可知，等壓線形狀幾乎保持不變，而相同位置等壓值則分別降低為 0.1 MPa 和 0.2 MPa，同時(shí)矢量箭頭方向也基本保持不變，其長(zhǎng)度出現(xiàn)一定程度的減小，表明在瓦斯抽采過(guò)程中，解吸氣體通過(guò)煤層孔裂隙運(yùn)移至抽采鉆孔并排出，且氣體總是沿著距鉆孔較近路徑方向運(yùn)移，運(yùn)移路徑一旦形成，則基本保持不變，但是隨著抽采的持續(xù)進(jìn)行，煤層瓦斯壓力下降，導(dǎo)致壓力梯度減小，運(yùn)移速度下降。

　　對(duì)比圖 3(a)和圖 3(c)-(e)可知，不同吸附瓦斯壓力條件下抽采 10 min，中垂面瓦斯流場(chǎng)分布規(guī)律相似，只是外側(cè)等壓值分別從 0.3 MPa 增加至 0.4 MPa、0.55 MPa、0.67 MPa，表明吸附瓦斯壓力的增加基本不改變瓦斯流場(chǎng)分布形態(tài)，改變的是相同位置處等壓線對(duì)應(yīng)瓦斯壓力大小。進(jìn)一步對(duì)比圖 3(a)和圖 3(e)發(fā)現(xiàn)，在瓦斯抽采到某一時(shí)刻，相鄰鉆孔周?chē)牡葔壕€會(huì)發(fā)生融合現(xiàn)象，表明此時(shí)多個(gè)鉆孔抽采瓦斯產(chǎn)生疊加效應(yīng) [34]，煤層瓦斯運(yùn)移通道增大，抽采效果優(yōu)于單一鉆孔抽采。

　　2.2 煤層滲透率時(shí)空演化規(guī)律

　　選取基于三軸應(yīng)力條件并同時(shí)考慮有效應(yīng)力和基質(zhì)收縮效應(yīng)的滲透率模型計(jì)算煤層中不同測(cè)點(diǎn)相對(duì)滲透率[35-36]： m a x 0 0 0 0 ( ) e x p 3 ( ) 3 (1 2 ) ( ) ( ) S t f t t k E P P P C P P f k v P P P P ?? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 式(2)式中，k 和 k0 分別為煤層滲透率和初始滲透率， mD;Cf 為裂隙壓縮系數(shù)，MPa-1 ;f 為基質(zhì)內(nèi)向膨脹變形率;E 為彈性模量，MPa;v 為泊松比; ε S max 為基質(zhì)最大膨脹應(yīng)變，%;pε為基質(zhì)吸附變形壓力，MPa。

　　圖 4(a)對(duì)比了吸附瓦斯壓力 0.5 MPa 條件下垂直抽采鉆孔的 5 個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)滲透率演化曲線，距抽采鉆孔最近的測(cè)點(diǎn) 5 滲透率隨著抽采的進(jìn)行逐漸增加，而距抽采鉆孔較遠(yuǎn)的 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)滲透率分別隨著抽采先下降后上升。當(dāng)吸附瓦斯壓力增加至 1.0 MPa 時(shí)，5 個(gè)測(cè)點(diǎn)滲透率均表現(xiàn)為先降后升的變化規(guī)律。但無(wú)論煤層吸附瓦斯壓力大小，距鉆孔越近的測(cè)點(diǎn)滲透率總是最先下降至最低點(diǎn)，同時(shí)最早開(kāi)始回升。降壓抽采中煤層滲透率演化的影響因素主要有兩個(gè)方面，一方面是隨著煤層瓦斯的抽采，游離氣體逐漸排出，吸附氣體開(kāi)始解吸，導(dǎo)致煤層瓦斯壓力下降，在外部總應(yīng)力保持不變的條件下，瓦斯壓力的降低意味著有效應(yīng)力的增加，而有效應(yīng)力的增加會(huì)壓縮煤層內(nèi)部孔裂隙，導(dǎo)致氣體運(yùn)移通道的減小甚至部分閉合，表現(xiàn)為煤層滲透率的降低，不利于瓦斯抽采;另一方面，煤基質(zhì)表面由于吸附氣體解吸而發(fā)生基質(zhì)收縮現(xiàn)象，間接增大了氣體運(yùn)移通道，使得煤層滲透率上升，有利于瓦斯抽采。以上兩種因素，在瓦斯抽采不同階段表現(xiàn)出不同的影響程度，且相互競(jìng)爭(zhēng)，共同決定煤層滲透率，最終影響瓦斯抽采效果。由此可知，對(duì)于 0.5 MPa 吸附瓦斯壓力條件，測(cè)點(diǎn) 5 處煤基質(zhì)收縮效應(yīng)引起的正效應(yīng)大于有效應(yīng)力導(dǎo)致的負(fù)效應(yīng)，使得滲透率呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，而對(duì)于其余測(cè)點(diǎn)，在抽采前期有效應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，而后兩種作用達(dá)到平衡，最后基質(zhì)收縮效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)作用，滲透率總體表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)煤層吸附瓦斯壓力繼續(xù)增加時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)在抽采前期均是有效應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　圖 4(c)-(d)對(duì)比了不同吸附瓦斯壓力條件下同一測(cè)點(diǎn)相對(duì)滲透率，演化趨勢(shì)大致分為兩類(lèi)，一類(lèi)表現(xiàn)為滲透率直接上升或略微下降后立即上升為特征，且抽采結(jié)束時(shí)，煤層滲透率大于初始滲透率，以吸附瓦斯壓力 0.5 MPa 為代表;另一類(lèi)則表現(xiàn)為滲透率出現(xiàn)較大幅度下降，且抽采結(jié)束后煤層滲透率小于初始滲透率，以吸附瓦斯壓力大于或等于 1.0 MPa 為代表。以測(cè)點(diǎn) 1 為例進(jìn)行說(shuō)明，吸附瓦斯壓力由小至大對(duì)應(yīng)相對(duì)滲透率分別在 6.7 min、16.9 min、23.0 min 和 28.0 min 下降至最低，分別為 99.7%、92.47%、84.6%和 73.21%，抽采結(jié)束時(shí)，分別回升至 101.98%、 96.33%、86.38%和 74.66%。可知，隨著吸附瓦斯壓力的降低，煤層滲透率更早發(fā)生回升，且隨著抽采的進(jìn)行，滲透率更易大于初始滲透率。表明，煤層吸附瓦斯壓力越低，有效應(yīng)力效應(yīng)影響程度越小，而基質(zhì)收縮效應(yīng)越明顯，因此對(duì)于低瓦斯壓力煤層，滲透率更易發(fā)生回升。

　　圖 5 進(jìn)一步繪制了不同吸附瓦斯壓力條件下抽采不同時(shí)刻中垂面相對(duì)滲透率分布圖。由圖 5(a)-(b)可知，相對(duì)滲透率等值線和瓦斯壓力等壓線分布形狀類(lèi)似，均以 4 個(gè)抽采鉆孔為中心呈現(xiàn)圓環(huán)形分布，不同的是越靠近抽采鉆孔瓦斯壓力越低，而滲透率反而越高。如抽采 10 min，Ⅰ 號(hào)鉆孔最內(nèi)側(cè)相對(duì)滲透率等值線為 1.005，第二圈等值線為 1。抽采 50 min，Ⅰ號(hào)鉆孔最內(nèi)側(cè)相對(duì)滲透率等值線為 1.015，第二圈等值線為 1.01，說(shuō)明滲透率隨著抽采的進(jìn)行逐漸增加，并始終保持靠近鉆孔區(qū)域滲透率較大，抽采之后短期內(nèi)滲透率即出現(xiàn)反彈，因此選取的 10 min 和 50 min 時(shí)刻均為滲透率回升階段。圖 5(c)-(d)繪制了吸附瓦斯壓力 1.0 MPa 條件下中垂面相對(duì)滲透率分布圖，分布特征和 0.5 MPa 條件下相似，但是其相對(duì)滲透率始終小于 1，表明煤層吸附瓦斯壓力越高，滲透率反彈越不明顯。

　　2.3 煤層溫度變化特征

　　圖 6(a)對(duì)比了吸附瓦斯壓力 0.5 MPa 條件下瓦斯抽采過(guò)程中垂直鉆孔的 7 個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度演化曲線，其中測(cè)點(diǎn) 1、7、12 和 14 分別位于 4 個(gè)抽采鉆孔附近，測(cè)點(diǎn) 2、11、13 則位于相鄰抽采鉆孔之間。由于瓦斯解吸是一個(gè)吸熱過(guò)程[19]，瓦斯抽采過(guò)程中煤體溫度逐漸下降。抽采鉆孔附近測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力梯度較大、瓦斯解吸速率較快導(dǎo)致煤層溫度下降速度較快，隨著瓦斯解吸、擴(kuò)散、滲流的不斷進(jìn)行，瓦斯壓力梯度減小使瓦斯解吸速率降低，煤層溫度下降速度變緩。而遠(yuǎn)離抽采鉆孔的測(cè)點(diǎn)溫度下降速度始終相對(duì)較慢。以測(cè)點(diǎn) 14 和測(cè)點(diǎn) 2 為例，抽采 1 h 后測(cè)點(diǎn) 14 溫度下降量為 7.2 ℃，占抽采 5 h 溫度下降總量 9.1 ℃的 79.1%，而測(cè)點(diǎn)2抽采1 h后溫度下降量為4.5 ℃，占抽采 5 h 溫度下降總量 8.3 ℃的 54.2%。圖 6(b)-(c)對(duì)比了不同吸附瓦斯壓力條件下同一測(cè)點(diǎn)溫度演化曲線，抽采結(jié)束后測(cè)點(diǎn) 1 溫度下降量分別為 8.3 ℃、10.4 ℃、13.0 ℃和 14.3 ℃，測(cè)點(diǎn) 2 溫度下降量分別為 8.3 ℃、11.1 ℃、12.9 ℃和 14.8 ℃，可見(jiàn)隨著煤層吸附瓦斯壓力的增加，無(wú)論溫度測(cè)點(diǎn)距離抽采鉆孔遠(yuǎn)近，同一測(cè)點(diǎn)溫度下降量均隨著吸附瓦斯壓力的增加而增大。

　　為定量分析瓦斯抽采結(jié)束后煤層溫度變化量與煤層吸附瓦斯壓力之間的關(guān)系，以抽采結(jié)束后垂直鉆孔的 7 個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn) 1、2、7、11、12、 13 和 14)溫度下降量平均值表征整個(gè)煤層溫度平均下降量，如圖 6(d)所示。計(jì)算得出 0.5 MPa、 1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 吸附瓦斯壓力條件下瓦斯抽采結(jié)束后煤層溫度平均下降量分別為 8.5 ℃、11.5 ℃、13.3 ℃和 14.8 ℃，同樣表現(xiàn)為吸附瓦斯壓力越大，抽采結(jié)束后煤層溫度平均下降量越大。進(jìn)一步擬合發(fā)現(xiàn)，隨著煤層吸附瓦斯壓力的增大，抽采結(jié)束后煤層溫度平均下降量呈對(duì)數(shù)形式增加。

　　2.4 瓦斯抽采流量和累積抽采量動(dòng)態(tài)演化

　　圖 7 為不同瓦斯壓力條件下瓦斯抽采流量 q 和累積抽采量 Q 對(duì)比，在抽采初期，瓦斯抽采流量迅速達(dá)到峰值后開(kāi)始快速下降，抽采中后期平穩(wěn)降低，與此同時(shí)，累積抽采量先快速上升，而后緩慢增加;0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.0 MPa 吸附瓦斯壓力條件下抽采流量峰值分別為 103.61 L/min、177.57 L/min、342.09 L/min 和 419.40 L/min，抽采結(jié)束后分別下降至 0.93 L/min、1.23 L/min、1.25 L/min 和 1.40 L/min，即煤層吸附瓦斯壓力越大，抽采流量越大;同樣，累計(jì)抽采量也隨著吸附瓦斯壓力的增加而增大，抽采結(jié)束后對(duì)應(yīng)累積抽采量分別為 1536.55 L、 2385.62 L、2918.47 L 和 3393.61 L，如圖 7(b) 所示。一方面，當(dāng)煤層吸附瓦斯壓力由 2.0 MPa 分別降至 1.5 MPa、1.0 MPa 和 0.5 MPa 時(shí)，累積抽采量分別減少了 475 L、1008 L 和 1857 L;另一方面當(dāng)煤層瓦斯壓力分別以 0.5 MPa 梯度遞增時(shí)，累積抽采量在前者基礎(chǔ)上分別增加了 55.3%、22.3%和 16.3%。綜合可得，煤層吸附瓦斯壓力越高，累積抽采量越大，但是累積抽采量的增加速率隨著煤層瓦斯壓力的增加而減小。通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，煤層吸附瓦斯量 Q0 和累積抽采量 Q 與煤層吸附瓦斯壓力的關(guān)系均符合 Langmuir 吸附方程，如圖 7(c)所示。因此，可根據(jù)低瓦斯煤層累積抽采量分析高瓦斯煤層累積抽采量，即基于淺部低瓦斯煤層抽采效果預(yù)測(cè)深部高瓦斯煤層抽采效果。

　　綜上可知，煤層吸附瓦斯壓力對(duì)于瓦斯抽采的影響主要表現(xiàn)為：隨著煤層瓦斯壓力的增大，煤層吸附瓦斯量增加，抽采鉆孔內(nèi)外壓力梯度增大，然而受煤基質(zhì)收縮效應(yīng)影響，煤體滲透率恢復(fù)速度減緩，抽采結(jié)束后煤層溫度下降量呈對(duì)數(shù)式增長(zhǎng)，瓦斯累積抽采量呈 Langmuir 式增加，即累積抽采量的增加速度逐漸降低。

　　3 結(jié) 論

　　(1)煤層瓦斯抽采中，解吸氣體通過(guò)煤層孔裂隙運(yùn)移至抽采鉆孔并排出，氣體總是沿著距鉆孔較近路徑方向運(yùn)移，運(yùn)移路徑一旦形成，則基本保持不變，但是隨著煤層瓦斯壓力下降，瓦斯壓力梯度減小，運(yùn)移速度下降。同時(shí)，瓦斯壓力等壓線近似以鉆孔為中心呈現(xiàn)圓環(huán)形分布，且由于疊加效應(yīng)多個(gè)鉆孔抽采時(shí)相鄰等壓線會(huì)相互融合，加速了瓦斯壓力的下降。

　　(2)煤層滲透率受有效應(yīng)力效應(yīng)和基質(zhì)收縮效應(yīng)共同影響，在不同階段其主導(dǎo)地位不同。當(dāng)吸附瓦斯壓力小于 1.0 MPa 時(shí)，煤層滲透率整體持續(xù)上升，最終大于初始滲透率。當(dāng)吸附瓦斯壓力大于或等于 1.0 MPa 時(shí)，煤層滲透率先下降后上升，最終小于初始滲透率;表明，煤層吸附瓦斯壓力越低，有效應(yīng)力效應(yīng)影響程度越小，而基質(zhì)收縮效應(yīng)越明顯，對(duì)于低瓦斯壓力煤層，滲透率更易發(fā)生回升。

　　(3)隨著煤層吸附瓦斯壓力的增加，煤層吸附瓦斯量增多，抽采鉆孔內(nèi)外壓力梯度增大，然而受煤基質(zhì)收縮效應(yīng)影響，煤體滲透率恢復(fù)速度減緩，抽采結(jié)束后煤層溫度下降量呈對(duì)數(shù)式增長(zhǎng)，瓦斯累積抽采量呈 Langmuir 式增加，即累積抽采流的增加速率隨著煤層瓦斯壓力的增加而減小。基于上述規(guī)律，可根據(jù)淺部低瓦斯煤層抽采效果預(yù)測(cè)深部高瓦斯煤層抽采效果。