CN111894658A - 液态co2相变驱置煤层ch4单孔压注量的确定方法 - Google Patents

液态co2相变驱置煤层ch4单孔压注量的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，包括：S1.采用分源法进行开采工作面相对瓦斯涌出量预测；S2.计算开采工作面绝对瓦斯涌出量
Figure DDA0002650173760000011
S3.确定开采煤层工作面风量Qv；S4.确定顺层钻孔液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量
Figure DDA0002650173760000012
S5.确定单孔液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure DDA0002650173760000013
S6.实验确定CO2驱替煤层CH4驱替置换比β；S7.根据经验公式确定压注孔周围煤层中CO2含量分布；S8.确定压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径l0；S9.确定顺层压注钻孔液态CO2压注量合理范围。该方法为液态CO2相变驱替驱替煤层CH4技术的推广应用提供了科学指导。

Description

液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯治理技术领域，具体涉及一种液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法。
背景技术
我国50％以上的煤层为高瓦斯煤层，70％的矿井为高瓦斯矿井，煤矿瓦斯灾害严重威胁着矿井的安全高效生产。除此之外，瓦斯对大气环境也有较大危害，其对臭氧层的破坏及产生的温室效应分别是CO2的7倍和21倍。与其灾害性相对，瓦斯又是一种清洁、高效、无污染的资源。我国埋深2000m以浅的煤层气储量达30.05×1012m3，可采资源量为12.50×1012m3。煤层瓦斯高效抽采，不仅可以实现矿井安全生产，保护大气环境，还有助于充分利用地下资源，提高矿井经济效益。然而由于我国煤层透率普遍偏低(一般仅为0.1～1.0×10-6μm2)以及缺乏有效的增产技术，煤矿井下瓦斯抽采很难达到预期效果。受注液态CO2增产油气启发，向煤层注液态CO2逐渐成为瓦斯(煤层气)促抽技术的研究热点。但与其在油气增产方面的成熟应用相比，压注液态CO2驱替煤层CH4技术在煤矿井下的应用目前仍处于试验探索阶段，可供参考的工程案例相对较少，相关标准及规范也还未形成。特别是关于单孔合理液态CO2压注量的确定，目前已成为困扰现场技术人员的首要难题。压注量过小难以有效驱替煤层CH4，进而无法提高煤层CH4抽采效率；而压注量过大则可能引起压注孔CO2喷出，甚至造成现场操作人员窒息。因此单孔合理液态CO2压注量的确定，已经成为制约液态CO2相变驱置煤层CH4技术能否进入工业应用的关键因素。鉴于此，本发明结合相似模拟实验和已开展的现场试验，建立了顺层钻孔液态CO2相变驱替煤层CH4单孔液态CO2压注量的科学确定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，在比较精准的控制液态CO2的合理压注量的同时可以节约压注成本、提高煤层CH4的抽采效率，为液态CO2相变驱替煤层CH4技术的推广应用提供科学指导。
本发明所采用的技术方案是，液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，包括步骤：
S1.采用分源法进行开采工作面相对瓦斯涌出量预测；
S2.计算开采工作面绝对瓦斯涌出量
Figure BDA0002650173740000025
S3.确定开采煤层工作面风量Qv；
S4.确定顺层钻孔液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量
Figure BDA0002650173740000026
S5.确定单孔液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure BDA0002650173740000027
S6.实验确定CO2驱替煤层CH4驱替置换比β；
S7.根据经验公式确定压注孔周围煤层中CO2含量分布；
S8.确定压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径l0；
S9.确定顺层压注孔液态CO2压注量合理范围。
本发明的特征还在于，
步骤S1的具体实施方法如下：
根据GB/T 23250-2009国家标准，取样测定开采煤层(即本煤层)和第i个邻近层原始瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000021
和
Figure BDA0002650173740000022
和残存瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000023
和
Figure BDA0002650173740000024
分别根据式(1)和式(2)计算本煤层和邻近层相对瓦斯涌出量，按照式(3)计算开采工作面相对瓦斯涌出量；
其中，式(1)具体如下：
Figure BDA0002650173740000031
式(1)中：qB——本煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；
k1——围岩瓦斯涌出系数，取1.2；
k2——工作面残煤瓦斯涌出系数，为回采率的倒数，取1.05；
k3——掘进工作面预排瓦斯影响系数，取0.89；
k4——不同通风方式的瓦斯涌出系数，U型通风方式取1.0，Y型通风方式取1.3～1.5；
k5——本煤层抽采瓦斯影响系数，取1.3；
mB——本煤层厚度，m；
MB——本煤层回采厚度，m；
Figure BDA0002650173740000032
——本煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Figure BDA0002650173740000033
——本煤层残存瓦斯含量，m3/t；
其中，式(2)具体如下：
Figure BDA0002650173740000034
式(2)中：qL——邻近煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；
k6——邻近煤层抽采瓦斯综合影响系数，取1.3；
ηi——第i个邻近煤层瓦斯排放率，％；
mi——第i个邻近煤层的煤层厚度，m；
Figure BDA0002650173740000035
——第i个邻近煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Figure BDA0002650173740000036
——第i个邻近煤层残存瓦斯含量，m3/t；
Figure BDA0002650173740000041
——第i个邻近煤层的瓦斯预抽率，％；
其中，式(3)具体如下：
qc＝qB+qL (3)
式(3)中：qc——开采煤层相对瓦斯涌出量，m3/t。
步骤S2中开采工作面绝对瓦斯涌出量
Figure BDA00026501737400000411
具体如下：
Figure BDA0002650173740000042
式(4)中：
Figure BDA0002650173740000043
——开采煤层工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；
T——工作面日产量，t/d。
步骤S4中，据《煤矿安全规程》第173条，采煤工作面回风巷风流中CH4浓度不能超过1.0％，因此按照式(5)确定顺层孔液态CO2压注并经过抽采后煤层CH4残存量
Figure BDA0002650173740000044
的表达式如下：
Figure BDA0002650173740000045
步骤S5中，液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure BDA0002650173740000046
为步骤S1中开采煤层相对瓦斯涌出量qc与步骤S4中液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量
Figure BDA0002650173740000047
之差，表示为：
Figure BDA0002650173740000048
煤层所压注液体为液态CO2。
步骤S6中，驱替置换比β反应了通过钻孔压入的CO2量与驱替产出的CH4量之间的量化表征关系，其值可根据三轴应力条件下，液态CO2驱替煤层CH4实验进行确定，该值可用式(7)表示：
Figure BDA0002650173740000049
式(7)中，β为驱替置换比，
Figure BDA00026501737400000410
为实验过程中向煤中注入的液态CO2体积，相应的
Figure BDA0002650173740000051
为实验过程中CH4的产出体积。
步骤S7中所述的经验公式为：
Figure BDA0002650173740000052
式中
Figure BDA0002650173740000053
为距压注孔l处的煤层中CO2含量，m3/t；
Figure BDA0002650173740000054
为钻孔液态CO2压注量，m3；
η为煤层中CO2含量分布影响系数，其取值范围0.2～0.3。
步骤S8中，确定压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径l0的确定方法为：以距离压注孔l处和l+1处煤层CO2含量
Figure BDA0002650173740000055
与
Figure BDA0002650173740000056
差值小于0.05m3/t作为液态CO2有效扩散半径l0的判断标准，即l0满足式(9)时，l0即为压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径。
Figure BDA0002650173740000057
步骤S9中，顺层压注钻孔液态CO2压注量合理范围的确定方法为：
(1)根据有效扩散半径l0处煤层中CO2储存体积和需要驱替置换煤层CH4含量，应满足式：
Figure BDA0002650173740000058
式中W为工作面宽度，m；H为煤层厚度，m；ρ为煤层密度，kg/m3；Δl为沿煤层走向方向的距离；
(2)据此，确定顺层钻孔单孔液态CO2压注量计算经验公式：
Figure BDA0002650173740000059
(3)依据权利要求7中所述的经验公式对煤层中CO2总含量进行积分，按照液态CO2气化后体积比1:585对液态CO2压注量进行修正，修正式如下：
Figure BDA0002650173740000061
式中ξ为修正系数，取值为0.25～0.3；
顺层钻孔单孔液态CO2合理压注量介于
Figure BDA0002650173740000062
与
Figure BDA0002650173740000063
之间。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法中，依据《煤矿安全规程》要求得出矿井相对瓦斯涌出量、绝对瓦斯涌出量推导计算开采煤层工作面最小风量、顺层钻孔液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量、单孔液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量等关键参数；实验室三轴实验确定了驱替置换比；根据经验公式确定了CO2有效扩散半径，最后得到顺层钻孔单孔液态CO2压注量计算经验公式，并为此经验公式提供修正公式，推导过程严谨可靠。
(2)本发明方法简单易行，在比较精准的控制液态CO2的合理压注量的同时可以节约压注成本、提高煤层CH4的抽采效率，并且弥补了当前液态CO2相变驱替煤层CH4技术理论研究的不足，为液态CO2相变驱置煤层CH4技术进入工业化应用奠定基础。
附图说明
图1为本发明一种液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法的流程图；
图2为本发明方法中工作面顺层钻孔压注液态CO2俯视图，其中，S为压注孔，S孔两侧为考察孔，从左至右依次为1#-12#，检测孔两两之间间距为5m；ls为压注孔孔深，l0为有效扩散半径，l为取样点与压注孔之间的距离，W为工作面宽度，Δl为有效扩散半径下，垂直于钻孔方向的单位长度；
图3为本发明方法中工作面顺层钻孔液态CO2压注正视图，其中，H为煤层回采厚度；
图4为本发明方法中在S孔压注不同液态CO2压注量分别为6m3、7m3、8m3、9m3、10m3、11m3、12m3时，取样测定煤中CO2含量，并通过负指数函数拟合建立煤中CO2含量沿走向分布的拟合关系：
Figure BDA0002650173740000071
Figure BDA0002650173740000072
Figure BDA0002650173740000073
图5为本发明方法中单孔压注量6m3时煤中CO2含量分布自然拟合曲线与按式(8)拟合曲线对比图；
图6为本发明方法中单孔压注量7m3时煤中CO2含量分布自然拟合曲线与按式(8)拟合曲线对比图；
图7为本发明方法中单孔压注量8m3时煤中CO2含量分布自然拟合曲线与按式(8)拟合曲线对比图；
图8为本发明方法中单孔压注量9m3时煤中CO2含量分布自然拟合曲线与按式(8)拟合曲线对比图；
图9为本发明方法中单孔压注量10m3时煤中CO2含量分布自然拟合曲线与按式(8)拟合曲线对比图；
图10为本发明方法中单孔压注量11m3时煤中CO2含量分布自然拟合曲线与按式(8)拟合曲线对比图；
图11为本发明方法中单孔压注量12m3时煤中CO2含量分布自然拟合曲线与按式(8)拟合曲线对比图；
图12为实施例3303工作面钻孔布置示意图；
图13为实施例式(9)中的
Figure BDA0002650173740000074
值随l的变化规律示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，如图1所示，包括步骤：
S1、采用分源法进行开采工作面相对瓦斯涌出量预测
根据GB/T 23250-2009国家标准，取样测定开采煤层(即本煤层)和第i个邻近层原始瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000081
和
Figure BDA0002650173740000082
和残存瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000083
和
Figure BDA0002650173740000084
分别根据式(1)和式(2)计算本煤层和邻近层相对瓦斯涌出量，按照式(3)计算开采工作面相对瓦斯涌出量，式(1)、式(2)及式(3)具体如下：
Figure BDA0002650173740000085
式(1)中：qB——本煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；
k1——围岩瓦斯涌出系数，取1.2；
k2——工作面残煤瓦斯涌出系数，为回采率的倒数，取1.05；
k3——掘进工作面预排瓦斯影响系数，取0.89；
k4——不同通风方式的瓦斯涌出系数，U型通风方式取1.0，Y型通风方式取1.3～1.5；
k5——本煤层抽采瓦斯影响系数，取1.3；
mB——本煤层厚度，m；
MB——本煤层回采厚度，m；
Figure BDA0002650173740000086
——本煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Figure BDA0002650173740000087
——本煤层残存瓦斯含量，m3/t。
Figure BDA0002650173740000088
式(2)中：qL——邻近煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；
k6——邻近煤层抽采瓦斯综合影响系数，取1.3；
ηi——第i个邻近煤层瓦斯排放率，％；
mi——第i个邻近煤层的煤层厚度，m；
Figure BDA0002650173740000091
——第i个邻近煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Figure BDA0002650173740000092
——第i个邻近煤层残存瓦斯含量，m3/t；
Figure BDA0002650173740000093
——第i个邻近煤层的瓦斯预抽率，％。
qc＝qB+qL (3)
式(3)中：qc——开采煤层相对瓦斯涌出量，m3/t。
S2、根据式(4)计算开采工作面绝对瓦斯涌出量
Figure BDA0002650173740000094
Figure BDA0002650173740000095
式中：
Figure BDA0002650173740000096
——开采煤层工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；
T——工作面日产量，t/d。
S3、确定开采煤层工作面风量Qv
按照《煤矿安全规程》第138条要求确定开采工作面风量Qv。
S4、确定顺层钻孔液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量
Figure BDA0002650173740000097
据《煤矿安全规程》第173条，采煤工作面回风巷风流中CH4浓度不能超过1.0％，因此可按照式(5)确定顺层钻孔液态CO2压注并经过抽采后煤层CH4残存量
Figure BDA0002650173740000098
的表达式如下：
Figure BDA0002650173740000099
S5、确定单孔液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure BDA00026501737400000910
步骤S1中开采煤层相对瓦斯涌出量qc与液态CO2压注驱替并经抽采后煤层CH4残存量
Figure BDA00026501737400000911
之差，即为液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure BDA00026501737400000912
可表示为：
Figure BDA00026501737400000913
S6、实验确定CO2驱置煤层CH4驱替置换比
驱替置换比β反应了通过钻孔压入的CO2量与驱替产出的CH4量之间的量化表征关系，其值可根据三轴应力条件下，液态CO2驱替煤层CH4实验进行确定，该值可用式(7)表示
Figure BDA0002650173740000101
式中β为驱替置换比，
Figure BDA0002650173740000102
为实验过程中向煤中注入的液态CO2体积，相应的
Figure BDA0002650173740000103
为实验过程中CH4的产出体积。
S7、根据经验公式确定压注孔周围煤层中CO2含量分布；
在开采工作面进风顺槽选择多个区域布置压注孔S，孔深为ls，压入不同量的液态CO2。压注结束后，按照附图2和附图3所示，在压注孔S两侧每间隔5m分别施工压注孔一半孔深(ls/2)的1#～6#和7#～12#考察孔，取样测定煤中CO2含量，并通过负指数函数拟合建立煤中CO2含量沿煤层走向的分布，拟合结果如附图4所示。基于全国多个矿区所开展的工业试验：压注孔液态CO2压注量分别为6m3、7m3、8m3、9m3、10m3、11m3、12m3时，对应煤中CO2含量沿走向(图4中l轴)方向的分布关系式分别如下：
Figure BDA0002650173740000104
Figure BDA0002650173740000108
将以上各拟合关系式按照式(8)的形式进行修正：
Figure BDA0002650173740000105
式中
Figure BDA0002650173740000106
为距压注孔l处煤层中CO2含量，m3/t，
Figure BDA0002650173740000107
为钻孔液态CO2压注量，η为煤层中CO2含量分布影响系数。
借助式(8)，将单孔液态CO2注入量为6m3、7m3、8m3、9m3、10m3、11m3、12m3时压注孔周围煤层CO2含量分布拟合关系式修正为：
Figure BDA0002650173740000111
Figure BDA0002650173740000112
将上述各拟合关系曲线与自然拟合关系曲线进行对比，如图5～图11，由图5～图11可得两种拟合方式在一定范围内相差较小。
S8、确定压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径l0
以距离压注孔l和l+1处煤层CO2含量
Figure BDA0002650173740000113
与
Figure BDA0002650173740000114
差值小于0.05m3/t作为液态CO2有效扩散半径l0的判断标准；即l0满足式(9)时，l0即为压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径:
Figure BDA0002650173740000115
S9、确定顺层钻孔液态CO2压注量合理范围
根据有效扩散半径l0处煤层中CO2储存体积和需要驱替置换煤层CH4含量，应满足式(10)
Figure BDA0002650173740000116
式中W为工作面宽度，H为煤层厚度，ρ为煤层密度，Δl为沿煤层走向方向的距离。
据此，确定顺层钻孔单孔液态CO2压注量计算经验公式：
Figure BDA0002650173740000117
进一步，借助式(12)对(11)的计算结果进行修正：
Figure BDA0002650173740000118
式中ξ为修正系数，取值为0.12～0.16。
顺层钻孔液态CO2合理压注量应介于
Figure BDA0002650173740000121
与
Figure BDA0002650173740000122
之间。
实施例
韩城矿区桑树坪2号井某工作面主采3#煤层，煤层厚度5.0～7.0m，平均5.7m，煤层倾角6°，工作面可采走向长918m，倾向长153m。上覆2#煤层与3#煤层平均间距14.0m，煤厚0.6m；下伏11#煤层距3#煤层平均48.5m，煤厚4.0m。工作面上部2#和下部11#煤层均未开采。液态CO2压注驱替煤层CH4作业地点位于该工作面第一回风巷，如附图12所示。图中Y1为液态CO2压注孔，在压注孔左右两边每隔6m设置一个监测孔(监测孔C1、监测孔C2、监测孔C3、监测孔C4、监测孔C5、监测孔C6)。已知工作面部分参数如下表所示：
Figure BDA0002650173740000123
为确定韩城矿区桑树坪2号井某工作面液态CO2相变驱替煤层CH4单孔液态CO2压注量，根据以下步骤进行确定：
S1、采用分源法进行开采工作面相对瓦斯涌出量预测；
根据GB/T 23250-2009国家标准，取样测定开采煤层和第i个邻近层原始瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000124
和
Figure BDA0002650173740000125
和残存瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000126
和
Figure BDA0002650173740000127
(1)根据式(1)计算本煤层相对瓦斯涌出量
式(1)中
Figure BDA0002650173740000128
取9.40m3/t，
Figure BDA0002650173740000129
取1.37m3/t，开采煤层厚度5.7m和工作面采高取3.5m，围岩瓦斯涌出系数k1取1.2，工作面残煤瓦斯涌出系数k2取1.05，掘进工作面预排瓦斯影响系数k3取0.89，工作面采用U型通风，k4取1.0，本煤层抽采瓦斯影响系数k5取1.3，则本煤层相对瓦斯涌出量qB为：
Figure BDA0002650173740000131
(2)根据式(2)计算邻近层相对瓦斯涌出量
上邻近层2#煤层，邻近煤层抽采瓦斯综合影响系数k6取1.3，煤厚0.6m，原始瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000132
按照开采层取值9.4m3/t，残存瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000133
取1.37m3/t，2#煤层瓦斯预抽率
Figure BDA0002650173740000134
为0，参照《矿井瓦斯涌出量预测方法》2#煤层瓦斯排放率η2＝84％。根据式(2)计算2#煤层瓦斯涌出量为：
Figure BDA0002650173740000135
下邻近层11#煤层，邻近煤层抽采瓦斯综合影响系数k6取1.3，煤厚4.0m，原始瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000136
按照开采层取值9.4m3/t，残存瓦斯含量
Figure BDA0002650173740000137
取1.37m3/t，11#煤层瓦斯预抽率
Figure BDA0002650173740000138
为0，参照《矿井瓦斯涌出量预测方法》11#煤层瓦斯排放率η11＝5％。根据式(2)计算11#煤层瓦斯涌出量为：
Figure BDA0002650173740000139
(3)按照式(3)计算开采工作面相对瓦斯涌出量qc有：
qc＝qB+qL＝19.06+1.50+0.60＝21.16m3/t
S2.计算开采工作面绝对瓦斯涌出量
Figure BDA00026501737400001310
工作面日产量取2100t/d，对应绝对瓦斯涌出量，根据式(4)计算开采工作面绝对瓦斯涌出量
Figure BDA00026501737400001311
Figure BDA00026501737400001312
S3.确定开采煤层工作面风量Qv
按照《煤矿安全规程》第138条，确定开采工作面风量Qv应按人数、瓦斯涌出量等影响因素综合考虑，计算结果应取最大值，计算过程如下：
(1)按回采期间，预计最大绝对瓦斯涌出量计算:
Qv＝100·qc·k＝100×30.86×1.5＝4629m3/min
式中k—瓦斯涌出系数，取1.5。
(2)按采面最多人数计算:
Qv＝4·N＝4×25＝100m3/min
式中4—《煤矿安全规程》规定每人每分钟的供给风量4m3/(人·min)；
N—采煤工作面同时工作的最多人数，25人。
(3)按工作面适宜的气候条件计算：
Qv＝60％×70％×Vcf×Scf×Kch×Kcl＝60×70％×2.05×15.8×1.1×1.0＝1496m3/min
式中：70％—有效通风断面系数；
Vcf—按工作面温度18～20℃，风速取2.05m/s；
Scf—取工作面平均断面15.8㎡。按最小控顶有效断面15.1m2和最大控顶有效断面16.5m2的平均值计算；
Kch—采高调整系数，取1.1；
Kcl—采面长度调整系数，取1.0。
(4)按工作面风速验算:
Vmax＝4m/s，Vmin＝0.25m/s
Qmax＝60·Vmax·S＝60×4×15.8＝3792m3/min；
Qmin＝60·Vmin·S＝60×0.25×15.8＝237m3/min
对比(1)～(4)的计算结果，即使工作面风量Qv选择3792m3/min，仍不能单纯依靠通风来解决瓦斯问题，因此需要采用液态CO2相变驱置煤层CH4。此外，Qv的取值应介于Qmin与Qmax之间，所以Qv取2000m3/min，以后根据工作面瓦斯涌出量大小随时调整配风量，确保工作面瓦斯不超限及作业条件适合。
S4.确定顺层钻孔液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量
根据《煤矿安全规程》第173条，采煤工作面回风巷风流中CH4浓度不能超过1.0％，按照式(5)确定顺层钻孔液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量
Figure BDA0002650173740000151
则有：
Figure BDA0002650173740000152
S5.确定单孔液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure BDA0002650173740000153
根据式(6)确定单孔液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure BDA0002650173740000154
有：
Figure BDA00026501737400001511
S6.实验确定CO2驱替煤层CH4驱替置换比
定义CO2驱替煤层CH4实验过程中，储存在煤体中CO2体积
Figure BDA0002650173740000155
与产出的CH4体积
Figure BDA0002650173740000156
比为CO2驱替煤层CH4驱替置换比β，借助三轴应力条件下，注液压力在4～8MPa时CO2相变驱替煤层CH4实验确定β值为0.008～0.01；
S7.确定压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径l0
根据经验公式8和公式(9)，液态压注量在6～15m3之间时，煤层中CO2含量分布影响系数η取0.2～0.3，式(9)中
Figure BDA0002650173740000157
的变化规律如图13所示，根据图13分析
Figure BDA0002650173740000158
的值在l>18m时，满足
Figure BDA0002650173740000159
因此在本例中l0＝18m。
S9.确定顺层压注钻孔液态CO2压注量合理范围
l0＝18m，
Figure BDA00026501737400001512
β取0.009，η取0.25，按照式(11)计算：
Figure BDA00026501737400001510
进一步地，按照式(12)对计算结果进行修正，采煤工作面面长W＝150m，煤层密度ρ＝1.35m3/t，H＝3.5m，l0＝18m，ξ取0.14，η取0.25，将以上数据带入修正公式有：
Figure BDA0002650173740000161
合理压注范围为：6.05～8.03m3。
通过本实施例可以看出，在比较精准的控制液态CO2的合理压注量的同时可以节约压注成本、提高煤层CH4的抽采效率，并且弥补了当前液态CO2相变驱替煤层CH4技术理论研究的不足，为液态CO2相变驱置煤层CH4技术进入工业化应用奠定基础。

Claims (9)

1.液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于，包括步骤：
S1.采用分源法进行开采工作面相对瓦斯涌出量预测；
S2.计算开采工作面绝对瓦斯涌出量
Figure FDA0002650173730000011
S3.确定开采煤层工作面风量Qv；
S4.确定顺层钻孔液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量
Figure FDA0002650173730000012
S5.确定单孔液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure FDA0002650173730000013
S6.实验确定CO2驱替煤层CH4驱替置换比β；
S7.根据经验公式确定压注孔周围煤层中CO2含量分布；
S8.确定压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径l0；
S9.确定顺层压注钻孔液态CO2压注量合理范围。
2.根据权利要求1所述液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于，步骤S1的具体实施方法如下：
根据GB/T 23250-2009国家标准，取样测定开采煤层(即本煤层)和第i个邻近层原始瓦斯含量
Figure FDA0002650173730000014
和
Figure FDA0002650173730000015
和残存瓦斯含量
Figure FDA0002650173730000016
和
Figure FDA0002650173730000017
分别根据式(1)和式(2)计算本煤层和邻近层相对瓦斯涌出量，按照式(3)计算开采工作面相对瓦斯涌出量；
其中，式(1)具体如下：
Figure FDA0002650173730000018
式(1)中：qB——本煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；
k1——围岩瓦斯涌出系数，取1.2；
k2——工作面残煤瓦斯涌出系数，为回采率的倒数，取1.05；
k3——掘进工作面预排瓦斯影响系数，取0.89；
k4——不同通风方式的瓦斯涌出系数，U型通风方式取1.0，Y型通风方式取1.3～1.5；
k5——本煤层抽采瓦斯影响系数，取1.3；
mB——本煤层厚度，m；
MB——本煤层回采厚度，m；
Figure FDA0002650173730000021
——本煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Figure FDA0002650173730000022
——本煤层残存瓦斯含量，m3/t；
其中，式(2)具体如下：
Figure FDA0002650173730000023
式(2)中：qL——邻近煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；
k6——邻近煤层抽采瓦斯综合影响系数，取1.3；
ηi——第i个邻近煤层瓦斯排放率，％；
mi——第i个邻近煤层的煤层厚度，m；
Figure FDA0002650173730000024
——第i个邻近煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Figure FDA0002650173730000025
——第i个邻近煤层残存瓦斯含量，m3/t；
Figure FDA0002650173730000026
——第i个邻近煤层的瓦斯预抽率，％；
其中，式(3)具体如下：
qc＝qB+qL (3)
式(3)中：qc——开采煤层相对瓦斯涌出量，m3/t。
3.根据权利要求2所述液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于，步骤S2中开采工作面绝对瓦斯涌出量
Figure FDA0002650173730000027
具体如下：
Figure FDA0002650173730000028
式(4)中：
Figure FDA0002650173730000031
——开采煤层工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；
T——工作面日产量，t/d。
4.根据权利要求3所述液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于，步骤S4中，据《煤矿安全规程》第173条，采煤工作面回风巷风流中CH4浓度不能超过1.0％，因此按照式(5)确定顺层钻孔液态CO2压注并经过抽采后煤层CH4残存量
Figure FDA0002650173730000032
的表达式如下：
Figure FDA0002650173730000033
5.根据权利要求4所述液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于，步骤S5中，液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量
Figure FDA0002650173730000034
为步骤S1中S1中开采煤层相对瓦斯涌出量qc与液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量
Figure FDA0002650173730000035
之差，表示为：
Figure FDA0002650173730000036
煤层所压注液态为液态CO2。
6.根据权利要求5所述液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于，步骤S6中，驱替置换比β反应了通过钻孔压入的CO2量与驱替产出的CH4量之间的量化表征关系，其值可根据三轴应力条件下，液态CO2驱替煤层CH4实验进行确定，该值可用式(7)表示：
Figure FDA0002650173730000037
式(7)中，β为驱替置换比，
Figure FDA0002650173730000038
为实验过程中向煤中注入的液态CO2的体积，相应的
Figure FDA0002650173730000039
为实验过程中CH4的产出体积。
7.根据权利要求6所述液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于，步骤S7中所述的经验公式为：
Figure FDA0002650173730000041
式中
Figure FDA0002650173730000042
为距压注孔l处的煤层中CO2含量，m3/t；
Figure FDA0002650173730000043
为钻孔液态CO2压注量，m3；
η为煤层中CO2含量分布影响系数，其取值范围0.2～0.3。
8.根据权利要求7所述液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于：步骤S8中，确定压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径l0的确定方法为：以距离压注孔l处和l+1处煤层CO2含量
Figure FDA0002650173730000044
与
Figure FDA0002650173730000045
差值小于0.05m3/t作为液态CO2有效扩散半径l0的判断标准，即l0满足式(9)时，l0即为压注孔周围煤层中CO2有效扩散半径。
Figure FDA0002650173730000046
9.根据权利要求8所述液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，其特征在于：步骤S9中，顺层压注钻孔液态CO2压注量合理范围的确定方法为：
(1)根据有效扩散半径l0处煤层中CO2储存体积和需要驱替置换煤层CH4含量，应满足式：
Figure FDA0002650173730000047
式中W为工作面宽度，m；H为煤层厚度，m；ρ为煤层密度，kg/m3；
Δl为沿煤层走向方向的距离；
(2)据此，确定顺层钻孔单孔液态CO2压注量计算经验公式：
Figure FDA0002650173730000048
(3)依据权利要求7中所述的经验公式对煤层中CO2总含量进行积分，按照液态CO2气化后体积比1:585对液态CO2压注量进行修正，修正式如下：
Figure FDA0002650173730000051
式中ξ为修正系数，取值为0.12～0.16；
顺层钻孔单孔液态CO2合理压注量介于
Figure FDA0002650173730000052
与
Figure FDA0002650173730000053
之间。
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