古汉山矿二1煤层渗透性优势方位及对瓦斯抽采的影响

关金锋，王永周，马静驰，崔洪庆

（1.贵州工程应用技术学院 矿业工程学院，贵州 毕节 551700；2.河南焦煤能源有限公司 古汉山矿，河南 焦作 454003；3.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003）

煤层渗透性具有各项异性，渗透性优势方位决定着煤层优质瓦斯渗流通道，关系到井下煤层瓦斯抽采和地面煤层气井的生成效率。美国矿业局的资料显示，受煤层渗透性优势方位的影响，不同方向的煤层渗透率之比高达17∶1，煤层气抽采量相差3～10倍[1]。我国焦作韩王煤矿井下瓦斯抽采试验表明，同一煤层不同方向的瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采效率存在显著差异，垂直面割理方向钻孔瓦斯极限抽采量是平行面割理方向钻孔的2.6倍，抽放率高出4.3倍[2-3]。因此，在煤层气开发和瓦斯抽采过程中，对煤层渗透性优势方位的研究至关重要。通过对煤层裂隙发育规律统计、地应力对煤层裂隙控制作用分析，结合现场渗透性测试试验对古汉山矿二1煤层渗透性优势分布方位进行了研究，并探讨了煤层渗透性优势方位在储层改造、瓦斯抽采中的作用，以期提高矿井煤层瓦斯抽采效率。

1 古汉山矿二1煤层渗透性优势方位预测

1.1 煤层裂隙发育规律

对煤层渗透性产生影响的主要因素是煤层中的宏观裂隙，包括原生割理、次生节理[4]。煤层裂隙是导致煤层渗透性呈现各项异性的重要因素，裂隙规模、开闭程度控制着煤层渗透性优势方位[5-6]。古汉山矿可分为东、西两区，分属不同的瓦斯地质单元[7]，考虑到同一瓦斯地质单元内裂隙分布规律的一致性，确定矿井东区为一观测范围、西部为一观测范围，主要对正在进行的采掘工作面煤壁进行观测。

统计采掘工作面近300个煤层裂隙数据，绘制了矿井东区、西区煤层裂隙走向玫瑰花图（图1）。

图1 煤层裂隙走向玫瑰花图

从图1可以看出，东区煤层内主要发育走向为N50°E 1组裂隙，西区煤层内主要发育走向N30°E、N20°W、N60°W 3组裂隙，东区煤层裂隙优势发育方位比较明显，而西区煤层裂隙无优势发育方位。现场观测过程中也发现，西区煤层裂隙分布较为紊乱、规律性不强，而东区裂隙组分布比较固定。

1.2 煤层渗透性优势分布方位预测

古汉山为典型的大地动力场应力环境，地应力场最大主应力沿水平方向，为N60°E向[8]。煤层渗透性主要受裂隙与地应力之间组合型式影响[5]，对于西部瓦斯地质单元内煤层裂隙来说，走向N20°W、N60°W裂隙组受到相对挤压作用，地应力环境对这2组裂隙闭合有利，走向N30°E裂隙组受到相对拉张作用，应力环境对该组裂隙开启有利；对于东部瓦斯地质单元来说，走向为N50°E裂隙组受到相对拉张作用，地应力环境该组裂隙开启有利。应力对裂隙开闭作用如图2。

图2 应力对裂隙开闭作用

根据矿井地应力对煤层裂隙开启、闭合控制规律，可以预测古汉山矿东部瓦斯地质单元内煤层渗透性优势发育方位为N50°E（与裂隙发育方位一致），西部瓦斯地质单元内煤层渗透性优势发育方位为走向N30°E（与裂隙组发育方位一致）。

2 现场测试分析

2.1 测试方案

为了测试煤层渗透性各项异性分布规律，在16采区1604底抽巷2号钻场内进行煤层渗透率现场测试，在1604底抽巷4＃钻场、5＃钻场向煤层施工不同方向测试钻孔（图3），测试钻孔穿过底抽巷岩巷进入煤层当中，1＃钻孔方位角为 N55°W、2＃钻孔方位角为N35°E、3＃钻孔与煤层顶板近似垂直。

图3 1604底抽巷渗透率测试孔布置示意图

为达到快速测定目的，采用注入压降法进行煤层渗透性测试：①钻孔完孔后采用膨胀水泥封孔，在煤层内形成密闭气室；②将高压氮气注入密闭气室，注入压力等于或略高于煤层原始瓦斯压力，待钻孔周围煤层瓦斯压力稳定之后停止注气；③停止注气之后钻孔即进入压力恢复阶段，压力恢复过程可通过压力表读数显示；④将记录的气体注入与压力降低时的压力表数据，通过代入相关分析软件处理即可得到煤层的渗透率数值。注入压降法进行煤层渗透性测试基本原理参考文献[9]。

2.2 测试结果分析

对现场瓦斯压力监测数据进行处理发现，4＃钻场中的3＃测试钻孔数据变化很小，为无效数据，分析其原因可能是由于测试钻孔倾角比较大，钻孔密封效果不理想导致，其它测试钻孔数据处理良好，煤层渗透率现场测试结果见表1。

表1 煤层渗透率现场测试结果 10－3μm2

由表1可以看出，无论是4＃钻场、5＃钻场中煤层表现出明显的渗透性各向异性，1＃测试钻孔渗透率数值均高于其它方向施工的测试钻孔，5＃钻场内1＃测试钻孔的渗透率大小是3＃测试钻孔的2倍，煤层渗透性优势方位渗透率平均值为 0.01×10－3μm2。

说明1＃钻孔测试数据反映出煤层优势渗流方向，根据钻孔周围瓦斯径向流动运移规律，说明二1煤层渗透率优势分布方位应为垂直于1＃测试钻孔方向，即沿N35°E方向。

3 煤层渗透性优势分布方位对瓦斯抽采的影响

现场测试结果与理论预测方向基本一致，说明煤层渗透率优势分布方位明显受N30°E的裂隙组控制明显，通过裂隙分布方位对渗透性优势分布方位的预测结果是可靠的，可以对现场瓦斯抽采工程提供地质基础指导。

水力压裂是煤层改造增产最常用的技术手段，其形成的人工压裂缝沿最大主应力方向延伸，沿最小主应力方向张开[10]。古汉山矿二1煤层渗透性优势分布方位与最大主应力方向基本一致，水力压裂将进一步导致该方向煤层裂隙增多，导致煤层渗透性优势方位的渗透率继续增大，煤层渗透性各项异性分布将更加明显。对西区煤层来说，煤层各个方位均有丰富裂隙分布，但由于地应力、充填物作用，裂隙面多闭合紧密，可以采取储层酸化[11]等措施打通闭合裂隙，促使各个方向裂隙联通形成网络，从整体上提高煤层渗透性。

鉴于古汉山煤层渗透性优势方位分布特征，可以指导瓦斯抽采钻孔的施工角度，以获得最优瓦斯抽采效果。对于矿井东区煤层，瓦斯抽采钻孔设计应尽量与N50°E向垂直；对于矿井西区煤层，瓦斯抽采钻孔设计应尽量与N35°E向垂直。

4 结论

1）古汉山矿东区煤层主要发育有走向为N50°E 1组裂隙，西区煤层主要发育有走向N30°E、N20°W、N60°W 3组裂隙，结合地应力对裂隙的开闭控制特征，可以预测东区煤层渗透性优势发育方位为N50°E、西区煤层渗透性优势发育方位为走向N30°E。

2）对煤层西区渗透率现场测试表明，沿N55°W施工的测试钻孔渗透率明显高于其它方位，煤层渗透性优势分布方位为N35°E向，渗透性优势方位渗透率平均值为 0.01×10－3μm2，现场测试结果和理论预测基本吻合。

3）基于煤层渗透性优势分布方位，分析了水力压裂、酸化措施改造煤层对渗透率的影响，指出水力压裂措施将导致煤层渗透性优势方位的渗透性进一步增强，而酸化煤层措施有利于西区煤层渗透性整体提高，矿井东区瓦斯抽采钻孔应与N50°E向垂直、西区瓦斯抽采的钻孔应与N35°E向垂直。