0 引 言
煤层瓦斯(煤层气)是由煤层生成并以甲烷为主要成分的非常规天然气[1-2]。据国土资源部最新评估，我国埋深2 000 m以浅煤层瓦斯含量为30.05 × 1012 m3，居世界第三，仅次于俄罗斯和加拿大[3-5]。煤层瓦斯既是潜在的清洁能源，又是很强的温室效应气体，同时也是煤矿井下发生瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故的有害源。2020年全国共发生煤矿瓦斯事故7起，死亡30人，目前全国还有840处高瓦斯、719处煤与瓦斯突出煤矿[6]。中国正面临着瓦斯治理的严峻挑战和能源开发的重大机遇[7-8]。
瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理与利用的根本措施和主要途径，在我国煤矿瓦斯抽采工程中得到广泛应用[9-11]。我国煤矿瓦斯抽采理念的发展先后经历了“局部防突措施为主、先抽后采、抽采达标和区域防突措施先行”4个阶段[12-13]。瓦斯抽采中煤层参数尤其是煤层瓦斯压力的动态响应是煤层瓦斯抽采设计、煤与瓦斯突出防治及消突效果评价等的主要依据。实现煤层瓦斯抽采中瓦斯压力可视化对于精准抽采瓦斯及有效防突消突具有重要意义。近年来，随着大数据、人工智能、云计算等技术的快速发展，智慧煤矿逐步提上日程[14-15]。2020年2月，国家发展改革委、能源局、应急部、煤监局等8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确要求进一步加快推进我国煤矿智能化发展的进程。数据可视化是将多维数据以图形、图像方式显示，拓宽了传统图标的功能，提高了人们对数据的处理及解释能力，为更好地利用数据奠定了基础[16]，也是智慧矿山建设的基础和主要技术特征[17-18]。
目前对于瓦斯抽采中煤层参数的动态响应研究主要集中在数值模拟方面[19-20]，试验研究中数据可视化程度较低，且侧重单一抽采钻孔条件下开展[21-22]。为此，在室内开展了不同钻孔数量条件下顺层钻孔抽采瓦斯试验，通过在煤层内布设多个传感器以实时监测瓦斯抽采中煤层瓦斯压力、变形、温度等煤层参数，分析了煤层参数的动态响应及耦合演化规律，并利用MATLAB编程功能对瓦斯压力进行多维可视化处理，能更加精准掌握瓦斯压力空间演化规律，同时基于煤层瓦斯压力可视化研究了消突区域的动态演化，对实现煤层瓦斯高效精准抽采、加快煤矿智能化建设具有一定的借鉴和指导意义。
1 试验装置及试验方案
1.1 试验装置及传感器布设
多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统主要包括试件箱体、主体承载支架、伺服加载系统、抽采系统以及数据采集系统[23]，如图1a所示。试件箱体内部尺寸为1 050 mm × 400 mm × 400 mm(长×宽×高)，可在成型机上进行煤样成型、传感器布设和抽采钻孔的安装，同时在成型机两侧分别安装限位反力架，通过调节左右2排紧固螺杆以减少箱体变形，如图1b所示。试件箱侧壁设计有3排共54个采集通道，可安装抽采钻孔或传感器，4个抽采钻孔均安装在中间一排接口上，其余接口连接传感器。
为在瓦斯抽采过程中获得足够多的煤层参数以实现数据在面和体上可视化，首先制定传感器布设方案，如图1c所示：4个抽采钻孔编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，分别位于D1面(Z=141 mm)、D2面(Z=395 mm)、D3面(Z=645 mm)、D4面(Z=925 mm)。Z3面(y=250 mm)为钻孔抽采段的中垂面。传感器则主要布置在平行钻孔的D1～D4面及Z3面。其中瓦斯压力传感器共40个，编号P1～P40；温度传感器共14个，编号T1～T14。
图1 多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统
Fig.1 Multi-field coupling testing system for coal-bed methane exploitation
1.2 试验方案及试验步骤
开展了不同钻孔数量条件下顺层钻孔抽采瓦斯试验，其中吸附瓦斯压力为1.0 MPa，3个方向地应力均为4.0 MPa，试验气体为CO2。具体钻孔布置方案为：①Ⅱ号钻孔单独抽采，编号1；②Ⅱ、Ⅲ号钻孔同时抽采，编号2；③Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号钻孔同时抽采，编号3；④Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号钻孔同时抽采，编号4。
试验步骤包括：①型煤制备：煤样在7.5 MPa成型压力条件下保压1 h；②抽真空2 h以排除空气杂质；③吸附48 h保证煤样吸附平衡；④关闭进气阀门并打开对应钻孔出口开始抽采；⑤当抽采流量接近1.0 L/min时结束试验，并利用MATLAB软件对数据进行可视化处理。
2 试验结果及分析
2.1 瓦斯抽采中煤层参数动态响应
分别选取4次试验过程中瓦斯抽采量Q、体积应变εV、瓦斯压力P、煤层温度T以及瓦斯流量q等参数进行对比分析，同时以编号“1—4”区分不同试验，如图2所示。由图2a可知，随着钻孔数量的增加抽采相同时间对应抽采量也相应增加，其中抽采6 h后4组试验对应抽采量分别为1 901、2 219、2 362 和 2 450 L，钻孔数量由1个增加到2、3、4个时，抽采量分别增加了16.7%、24.3%、28.8%；而4组试验结束后，对应抽采时长分别约为12、8、7、6 h，对应累计抽采量分别为2 238、2 344、2 424、2 450 L。可见随着抽采钻孔数量的增加，相同时间内抽采量也随之增加，而对于钻孔数量较少试验，随着其长时间的持续抽采，对应抽采量也能逐渐接近多钻孔抽采结束时对应抽采量。即增加钻孔数量能有效增加瓦斯抽采量、减少抽采时间，从而显著提高瓦斯抽采效率；由图2b可知，不同试验对应P1均表现为前期下降较快，而后平稳下降的整体趋势，且钻孔数量越多下降越迅速，试验结束后对应瓦斯压力均接近大气压；吸附瓦斯解吸必然导致煤层温度下降，如图3c所示，抽采结束后T2分别下降11.3、10.6、10.7和11.0 ℃；瓦斯抽采过程中，瓦斯压力下降使得有效应力增加，导致煤体压缩和孔裂隙的收缩闭合，同时吸附瓦斯的解吸会引起基质收缩，另一方面瓦斯解吸引起温度的下降会进一步加剧煤骨架的变形，以上3个方面因素综合影响导致煤体的变形，如图2d所示，可知抽采钻孔数量越多，对应体积应变越大。
瓦斯抽采过程中，煤层参数的变化总是相互影响、相互耦合。图2e为4个钻孔同时抽采时，体积应变、瓦斯流量、瓦斯压力及煤层温度随抽采时间演化曲线，可见各参数之间具有较好的一致性，随着抽采的进行，体积应变逐渐增加，而瓦斯流量、瓦斯压力和煤层温度则不断下降，且都表现为前期变化较为明显后而平稳发展的趋势；图2f为4个钻孔同时抽采时，瓦斯压力和煤层温度与瓦斯流量演化曲线，可知抽采前期以游离瓦斯的排出为主，瓦斯压力和煤层温度变化不明显，随后吸附瓦斯开始解吸，煤层温度开始下降，且温度变化略微滞后于瓦斯压力。在瓦斯压力和煤层温度下降阶段，瓦斯压力与瓦斯流量近似呈线性相关，且钻孔数量越多，斜率越小，而煤层温度与瓦斯流量呈现明显的非线性关系且下降速率逐渐变大。对比不同曲线发现，随着抽采钻孔数量的增加，对应最大瓦斯流量也同步增加，同时瓦斯压力或煤层温度下降启动点对应瓦斯流量明显变大，即钻孔数量越多煤层瓦斯越早开始解吸，而不同试验煤层内游离瓦斯基本相同，表明增加钻孔数量能更快进入瓦斯解吸阶段，更有利于瓦斯抽采。
图2 不同数量钻孔抽采瓦斯过程中煤层参数对比
Fig.2 Comparison of different parameters during gas drainage with different borehole amounts
2.2 瓦斯抽采中煤层瓦斯压力可视化
重点介绍瓦斯抽采中煤层瓦斯压力在面和体上的可视化。MATLAB软件是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，在数据可视化方面提供了强大的功能，它可以把数据用二维、三维乃至四维图形表现出来[24]。MATLAB以网格控制物体的形状，以网格节点的各类视觉属性值(如颜色、透明度等)控制该点的显示，最终形成对数据的多维描述，同时要求网格由大小相同的矩形组成，即网格节点在X、Y、Z三个方向有规律地分布[25]。为了实现数据可视化首先编写m文件(Script file)，限于篇幅作以下简要介绍：
以绘制Z3面瓦斯压力云图为例，由于数据采集通道有限，难以实现瓦斯压力传感器均匀布置在Z3面的X轴和Z轴上，因此首先使用meshgrid命令生成网格，而绘制云图需要大量数据，则需要调用griddata命令在28个原始瓦斯压力基础上进行插值，最后使用pcolor命令实现伪彩色图的绘制，即瓦斯压力云图，同时以colorbar上不同颜色表征瓦斯压力大小，如图3所示；瓦斯压力等压面和切片图的绘制方法类似，不同之处在于最后分别调用isosurface命令和slice命令进行等压面(图4)和切片图(图5)的绘制。
1)瓦斯压力云图：图3分别选取4次试验抽采30 min时刻Z3面瓦斯压力云图进行对比，瓦斯压力云图中横纵坐标分别对应煤层模型的Z轴和X轴，不同颜色代表不同瓦斯压力大小，同时在图中添加绿色圆圈表示钻孔投影。通过分析瓦斯压力云图得到以下规律：钻孔附近区域瓦斯压力明显低于远离钻孔区域瓦斯压力，且瓦斯压力分布近似以钻孔为中心呈现对称分布；当钻孔数量增加时，不仅钻孔附近瓦斯压力值更低，同时整个平面内瓦斯压力均发生显著下降；多钻孔同时抽采时，相邻钻孔由于发生叠加效应，使相邻钻孔之间区域瓦斯压力较单一钻孔抽采时下降更快。
2)瓦斯压力等压面：图3中瓦斯压力云图只能展示特定时刻瓦斯压力分布规律，为了分析瓦斯压力分布随着抽采时间的演化特征，以4个钻孔同时抽采为例，绘制瓦斯抽采过程中瓦斯压力等压面，如图4所示。图4a为抽采前30 min平行钻孔D1面瓦斯压力等压面，由左到向分别为P=0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1 MPa等压面，可知：平行钻孔的瓦斯压力等压面总是在(x=200，y=250)处开始出现，对应钻孔抽采段中部，表明此处瓦斯压力下降最快；随着抽采的进行，瓦斯压力等压面对应瓦斯压力值逐渐减小，且在抽采前期瓦斯压力等压面出现时间较短(如P=0.8、0.7、0.6、0.5、0.4 MPa等压面)，很快被较小瓦斯压力值对应等压面取代，而较小瓦斯压力值对应等压面持续时间较长(如P=0.3、0.2、0.1 MPa等压面)，表明瓦斯压力在抽采前期下降较快，而后缓慢下降；图4b为抽采前60 min垂直钻孔Z3面瓦斯压力等压面，由左到向分别为P=0.3、0.2、0.1 MPa等压面，可知：在抽采前期，瓦斯压力等压面近似呈圆锥面分布，且相互独立(如P=0.3 MPa等压面前期)，而随着抽采的进行，相邻等压面慢慢出现合并，并出现更低瓦斯压力对应的4个相互独立等压面(如P=0.2 MPa等压面前期)，随着合并的瓦斯压力等压面逐渐扩展到整个Z3面，后出现的4个相互独立等压面也开始出现新一轮的合并及扩展，此过程不断往复，直到抽采结束。
图3 不同钻孔数量抽采30 min Z3面瓦斯压力云图
Fig.3 Gas pressure cloud maps in Z3 plane at 30 min with different borehole amounts
图4 4个钻孔抽采时D1面和Z3面瓦斯压力等压面分布
Fig.4 Gas pressure isobaric surfaces of D1 plane and Z3 plane with four boreholes
3)瓦斯压力切片图：为了整体呈现瓦斯压力的空间分布规律，进一步绘制瓦斯压力切片图，其本质就是通过颜色映射P=f (X,Y,Z)函数关系，如图5所示，分别为4个钻孔抽采10、20和60 min时瓦斯压力空间分布，同时对平行和垂直钻孔的6个切片进行展示(X=200 mm，Y=250 mm，Z=141、395、645、925 mm)。由图可知：不同抽采时刻，瓦斯压力下降区域均近似呈现以钻孔为长轴的椭球状分布形态，越靠近钻孔区域其瓦斯压力梯度越大，同时由于钻孔叠加效应导致椭球区域之间产生联通。表明瓦斯抽采过程中瓦斯压力总是从钻孔处开始下降，而钻孔长度远大于钻孔直径，导致卸压区呈现以钻孔走向为长轴方向的椭球状分布，并逐渐向外扩展。
图5 4个钻孔抽采不同时刻瓦斯压力切片
Fig.5 Gas pressure slice maps at different time with four boreholes
2.3 基于瓦斯压力可视化的消突区域动态演化
煤层瓦斯抽采的重要作用是消除煤与瓦斯突出危险性，根据《防治煤与瓦斯突出细则》，煤层残余瓦斯压力小于0.74 MPa的区域为消突区域[13]。试验中瓦斯压力相似常数为5[26]，因此煤层瓦斯压力下降至0.148 MPa即实现消突。通过MATLAB软件在瓦斯压力云图的基础上进一步提取不同时刻临界瓦斯压力等压线即可得到消突区域动态演化。以4个钻孔同时抽采为例，绘制抽采过程中Z3面不同时刻0.148 MPa等压线，则等压线内部为消突区域，如图6所示。抽采20 min时，消突区域分别以4个钻孔为中心近似呈现圆形分布，且相互独立；而随着抽采的不断进行，至抽采40 min时，所有消突区域均逐渐扩大；抽采60 min时，中部相邻的两个消突区域发生融合，形成新的消突区域；抽采80 min时，4个消突区域均发生融合，且新的消突区域基本覆盖了整个Z3面，表明此时基本实现了煤层的整体消突。
图6 4个钻孔抽采不同时刻Z3面消突区域演化
Fig.6 Dynamic evolution of outburst elimination zones in Z3 plane with four boreholes
综上，增加钻孔数量不仅能增加瓦斯流通通道从而提高瓦斯抽采效率，同时由于相邻钻孔之间的叠加效应使得相邻钻孔之间区域卸压更加明显，更快实现消突。而煤层瓦斯抽采过程中瓦斯压力数据的可视化，尤其是瓦斯压力切片图可视化，能直观展示煤层瓦斯压力三维空间分布及其演化特征，这是常规曲线图难以提供的隐藏信息。该方法为现场地质数据可视化提供一定借鉴意义，在地质参数监测、地质灾害预警、煤矿生产指导等方面具有一定的应用前景。
目前煤层瓦斯压力测定方法主要是通过巷道向煤层打钻孔，钻孔长度一般为十几米至数十米，煤层瓦斯压力可视化区域有限；同时由于测压点位置距巷道等采动影响区距离短，可能受采动影响使得围岩裂隙发育，钻孔密封难度大，从而影响瓦斯压力测定结果的准确性。如何准确获取远距离煤层瓦斯压力数据是实现大范围煤层瓦斯压力可视化的重要前提。随着我国煤矿井下定向钻探技术的快速发展，已实现顺煤层定向钻孔深度从1 000 m跨越到3 000 m，然而随钻测量系统智能化发展仍有待攻克[27]。因此，进一步发展定向钻孔随钻智能测量系统，尤其是随钻测压技术，充分发挥定向钻探钻孔距离远、钻孔轨迹可控等优势，弥补传统瓦斯压力测量距离短、准确性差等不足，将是实现大范围煤层瓦斯压力可视化以及煤层突出危险性远距离预测，从而保障煤矿安全高效生产的重要一环。
3 结 论
1)煤层瓦斯抽采过程中，煤层体积应变、瓦斯流速、瓦斯压力及煤层温度等参数具有明显的耦合特性，均表现出前期变化明显而后平稳发展的整体趋势，其中煤层温度变化略微滞后于瓦斯压力变化，瓦斯压力与瓦斯流量近似呈现线性相关，而煤层温度与瓦斯流量呈现非线性关系。
2)利用试验装置多通道数据采集优势，提出了瓦斯抽采中煤层瓦斯压力可视化方案，并基于MATLAB实现了抽采中瓦斯压力云图、瓦斯压力等压面以及瓦斯压力切片图的可视化；煤层瓦斯抽采过程中瓦斯压力下降区域近似呈现以钻孔走向为长轴方向的椭球形态，且从钻孔附近逐渐向外扩展。
3)基于煤层瓦斯压力可视化分析了煤层消突区域的动态演化，相邻消突区域随着抽采的进行不断扩大并逐渐融合，从而形成新的消突区域，最终实现了煤层的整体消突，并进一步提出了远距离、大范围煤层瓦斯压力可视化的应用前景和发展方向。
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