文金浩 周 剛 萬純新 于巖斌

( 山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島266590)

隨著我國煤礦機(jī)械化、自動化開采程度的不斷提高及開采深度的逐步增加，采煤工作面粉塵災(zāi)害事故不斷發(fā)生。實踐證明，通過向煤層注水使煤體潤濕，可降低煤層開采時的粉塵產(chǎn)生量。由于埋藏深度較大，與淺埋煤層相比，深部煤層具有高地應(yīng)力、煤體較為堅硬、孔隙裂隙不發(fā)育、低滲透率等特點，因此在煤層注水時會遇到注水困難的問題［1-5］。且長期以來人們對煤層注水的認(rèn)識一直停留在定性認(rèn)識階段，對深部煤層注水模擬研究較少，缺乏對注水工藝的科學(xué)指導(dǎo)，從而影響煤層注水效果［6-9］。本研究在構(gòu)建滲流過程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對滕東生建煤礦3下105 綜放工作面鉆孔利用COMSOL Multiphysics 模擬軟件進(jìn)行了注水模擬，優(yōu)化了煤層注水工藝，提高了深井低孔隙率煤層的注水效果，進(jìn)而有效降低了工作面粉塵產(chǎn)生量，從而保證了礦井的安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 煤層注水滲流過程數(shù)學(xué)模型

由非飽和狀態(tài)到飽和狀態(tài)的滲流過程是典型的注水煤層浸潤過程。在此過程，滲流過程符合達(dá)西定律，水的流動需滿足質(zhì)量和能量守恒原理。統(tǒng)籌考慮非飽和域與飽和域，建立起非飽和－飽和流動的連續(xù)方程［4-5］。

煤層注水的滲流與耦合分析是基于固液耦合的基本理論來完成的，對應(yīng)力與滲流的力學(xué)耦合作用規(guī)律進(jìn)行研究，它包含2 層含義: 一是在注水應(yīng)力場作用下，注水煤層中的滲流規(guī)律;二是在滲流場作用下，注水煤體的應(yīng)力應(yīng)變和強(qiáng)度問題。

1.1 達(dá)西滲流規(guī)律

流體在多孔介質(zhì)內(nèi)以較低流速的滲流過程可以用Darcy 定律來描述［6］:

式中，snvn為單位面積上的自由液體體積速率，m3/s;k 為滲流系數(shù)矩陣; φ 為水頭，m; zc為參考點以上的高度坐標(biāo)，m; g 為重力加速度，m/s2; uw為壓強(qiáng)，Pa;ρw為流體密度，kg/m3。

1.2 滲流連續(xù)性方程

取一段單位長度鉆孔作為研究對象，則非飽和－飽和二維非穩(wěn)定流的連續(xù)方程為［6-7］

式中，Tx、Ty為X、Y 軸方向的導(dǎo)水滲透系數(shù); H 為含水煤層的壓力水頭，m; S 為煤體貯水系數(shù); W 為煤體毛細(xì)孔隙對水的吸收量的補(bǔ)充項。

1.3 應(yīng)力場方程

由幾何方程、應(yīng)力平衡方程、本構(gòu)關(guān)系與有效應(yīng)力原理等公式聯(lián)立，可得到由應(yīng)力和位移表示的應(yīng)力平衡微分方程［8-9］

式中，G 為剪切模量，Pa; v 為泊松比; uj.ij、ui，ij為位移，m; P 為空隙壓力，N。

2 煤層混合式注水滲流壓力場數(shù)值模擬

2.1 滕東生建煤礦3下105 綜放工作面概況

3下105 綜放工作面是生建煤礦第二個工作面，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，位于一采區(qū)中部，工作面開采標(biāo)高為－847.7 m ～－892.6 m，東部為3下107綜放面采空區(qū)，西部為未開采區(qū)，北鄰DF19 斷層，工作面傾向長121 m，走向長1 037 m，煤層厚度為2.7 m ～9.9 m，面積約為124 872 m2，平均厚度為5.8 m，煤層傾角為2° ～11°，平均傾角為4°。主采的3 層煤單位吸水量約為0.000 153 6 m/( MPa·s) ，孔隙率為2.48% ～3.26%，屬難注水煤層。

2.2 初始參數(shù)及邊界條件設(shè)定

根據(jù)生建煤礦3下105 綜放工作面的地質(zhì)情況及煤層相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)對模型的初始參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬初始參數(shù)設(shè)定Table 1 Initial parameters setting in numerical simulation

本次模擬設(shè)置的邊界條件如下［6-8，10］。

(1) 注水過程中，忽略煤層傾角對注水滲流的影響，水的密度視作一個定值。

(2) 注水孔上下邊界、左右邊界設(shè)為恒壓透水邊界，其他邊界設(shè)置為不透水邊界，定壓處理。

(3) 模型四周法線方向的位移都被約束。

2.3 物理模型建立

鑒于3下105 綜放工作面已進(jìn)入正常生產(chǎn)且運(yùn)輸巷對注水工作影響較大，因此采用單向鉆孔布置。基于煤層注水滲流過程數(shù)學(xué)模型，建立了50 m、80 m 這2 種長度的單向注水鉆孔的物理模型，以2 個鉆孔為研究對象，模型如圖1 所示。

圖1 注水模型Fig.1 Water injection model

注水模型均取工作面長度120 m，煤厚6 m，注水鉆孔直徑0.065 m，封孔長度10 m，注水鉆孔開孔位置距底板1.5 m，鉆孔傾角取上傾4°。鉆孔長度為50 m 和80 m 時鉆孔間距均為20 m。

利用建立的物理模型對在低壓3 MPa、高壓20 MPa 注水壓力下的兩種不同長度鉆孔的滲流壓力場進(jìn)行模擬，進(jìn)而分析煤體中注水壓力的分布規(guī)律。

2.4 結(jié)果分析

對長度為50 m 的單向注水鉆孔進(jìn)行模擬，同時從鉆孔徑向設(shè)置截面，模擬結(jié)果如圖2 所示。

圖2 50 m 鉆孔煤層注水滲透壓力場模擬結(jié)果Fig.2 50 m borehole coal seam osmotic pressure field simulation results

從圖2 模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn): 注水壓力以鉆孔為中心，沿著鉆孔向兩側(cè)有規(guī)律的漸變衰減。其中，在鉆孔徑向方向，當(dāng)水壓為3 MPa 時，2 m 范圍內(nèi)壓力衰減到0.519 6 MPa，衰減了82.68%;水壓為20 MPa 時，4 m范圍內(nèi)壓力衰減到2.966 1 MPa，衰減了85.17%?？梢钥闯?，低水壓條件下，注水所影響的范圍小于高水壓條件下所影響的范圍。

對鉆孔長度為80 m 的單向注水鉆孔進(jìn)行模擬，同時從鉆孔徑向設(shè)置截面，模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 80 m 鉆孔煤層注水滲流壓力場模擬結(jié)果Fig.3 80 m borehole coal seam osmotic pressure field simulation results

從圖3 可以看出:80 m 鉆孔長度條件下煤層注水滲流壓力場同50 m 鉆孔長度條件下注水滲流壓力場類似。80 m 鉆孔長度條件下，水壓為3 MPa 時，鉆孔徑向方向3 m 范圍內(nèi)壓力衰減至0.644 1 MPa，衰減了78.53%，20 MPa 水壓下鉆孔徑向7.5 m 范圍內(nèi)壓力衰減至4.816 MPa，衰減了75.92%，相比50 m鉆孔條件下注水壓力作用范圍不僅擴(kuò)大了，而且水壓衰減程度也有一定的降低。

由以上模擬分析可知，在水壓作用范圍內(nèi)，相比50 m 鉆孔，80 m 鉆孔條件下的注水滲流壓力場分布與作用效果均有較大幅度的提高。對比80 m 鉆孔條件下不同水壓下作用時的滲流壓力場可知，高壓力條件下，水壓作用范圍明顯大于低壓條件下的作用范圍。

3 煤層混合式注水技術(shù)工藝

3.1 煤層混合式注水技術(shù)簡介

煤層混合式注水技術(shù)是根據(jù)采煤工作面煤層應(yīng)力分布狀態(tài)，將工作面開采影響范圍之外，未受采動影響的區(qū)域劃分為靜壓區(qū)，受采動影響的區(qū)域劃分為動壓區(qū)。靜壓區(qū)煤體基本保持原有的完整性，煤層裂隙孔隙處于壓密閉合狀態(tài)，對該區(qū)域采用動壓注水，即利用高壓水迫使原本壓實的裂隙孔隙再度張開，從而達(dá)到提高煤層滲透率，增加煤層注水量的目的。動壓區(qū)的煤體受集中應(yīng)力的作用發(fā)生破壞，煤層裂隙孔隙發(fā)育，有利于煤層低壓注水工作的開展，因此動壓區(qū)內(nèi)采用靜壓注水技術(shù)工藝［9，11］。

3.2 混合式注水工藝實施

由于數(shù)值模擬結(jié)果表示的是宏觀意義上的結(jié)論，和現(xiàn)場的實際情況會有一定的誤差。為達(dá)到較好的注水降塵效果，在現(xiàn)場選擇長度為80 m 的鉆孔，將鉆孔間距調(diào)整為15 m。其他注水鉆孔參數(shù)保持和模擬中的數(shù)值不變。采用ZL －500 型鉆機(jī)在軌道巷內(nèi)打注水孔。通過實測得3下105 工作面原始地應(yīng)力σ1為26.3 MPa、σ3為14.8 MPa，煤體抗拉強(qiáng)度σt為1.67 MPa，注水煤體產(chǎn)生裂隙的注水壓力為

P ≥3σ3－ σ1+ σt［12］，

即為19.77 MPa。因此，本次煤層注水高壓取20 MPa，低壓為3 MPa，采用固邦特高分子材料封孔，封孔長度為10 m。3下105 工作面注水系統(tǒng)的布置方式如圖4、圖5 所示。

圖4 靜壓注水系統(tǒng)Fig.4 Static water injection system

圖5 高壓混合式注水系統(tǒng)Fig.5 High-pressure hybrid water injection system

受工作面推進(jìn)長度所限，在停采線前300 m 處開始實施鉆孔，鉆孔由里向外依次編號。由礦壓觀測數(shù)據(jù)顯示，受工作面采動影響的范圍約為150m，而第一個鉆孔距離工作面遠(yuǎn)大于150 m，因此，鉆孔區(qū)域位于靜壓區(qū)。試驗初始階段使用2BZ －40/12 型注水泵對煤體實施高壓注水。鉆孔采取隨打隨注的方式，待第一個注水孔進(jìn)入動壓區(qū)后改為靜壓注水，其他鉆孔以此效法。待鉆孔超前工作面10 m 時停止注水，依靠毛細(xì)作用力，吸收注入的水分，使煤體潤濕。

4 注水后降塵效果考察

預(yù)濕煤體是煤層注水的主要目的之一，從而減少破煤時的粉塵產(chǎn)生量，按照《粉塵濃度與分散度測定方法》標(biāo)準(zhǔn)及《煤礦井下粉塵測試規(guī)范》對井下正常生產(chǎn)時主要作業(yè)地點的粉塵濃度進(jìn)行了測定。

為了直觀體現(xiàn)注水后的降塵效果，在3下105 工作面布置測塵點，分別測定注水前、注水后各主要生產(chǎn)工序的粉塵濃度，并通過2 種情況之間的相互比較得出相應(yīng)的降塵率。3下105 工作面煤層注水前后各工序的粉塵濃度數(shù)據(jù)見表2 所示。

由表2 可以看出，在應(yīng)用了優(yōu)化過的注水工藝后，3下105 工作面現(xiàn)場的粉塵濃度有了較為明顯的減少，采用設(shè)計的煤層注水措施后，工作面現(xiàn)場的全塵平均降塵率為65.9%，呼塵的平均降塵率為60.6%，較大程度地降低了工作面的粉塵濃度，注水工作取得了較好的防塵效果，可見，煤層注水對降塵有著積極的促進(jìn)作用。

表2 3下105 工作面各主要生產(chǎn)工序粉塵濃度記錄Table 2 Dust concentration record in main production process in 3 lower 105 working face

5 結(jié) 論

(1) 基于構(gòu)建的煤層注水滲流過程數(shù)學(xué)模型，對注水煤層進(jìn)行了滲流壓力場的數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以鉆孔為中心注水壓力不斷向外遞減，注水孔附近的壓力分布呈橢圓狀向周圍擴(kuò)展，并且在一定注水壓力下，隨著注水壓力的增大，滲流壓力場的影響范圍也隨之?dāng)U大。

(2) 傳統(tǒng)注水方式是將注水壓力設(shè)定在某一定值進(jìn)行煤層注水，對此，提出了在動壓區(qū)采用靜壓注水、靜壓區(qū)采用動壓注水的混合式注水方式，結(jié)合COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬結(jié)果以及3下105 綜放工作面煤層賦存特點，確定煤層鉆孔長度80 m，鉆孔間距15 m，注水高壓取20 MPa，注水低壓取3 MPa。

(3)3下105 工作面通過采用混合式煤層注水方式后，工作面現(xiàn)場的全塵平均降塵率為65.96%，呼塵平均降塵率為60.60%，較大程度地降低了工作面的粉塵濃度。

［1］ 李德文，郭勝均.中國煤礦粉塵防治的現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］. 金屬礦山，2009(1) :747-752.

Li Dewen，Guo Shengjun.Situation and development direction of dust prevention and treatment for China coal mine［J］.Metal Mine，2009(1) :747-752.

［2］ 聶 文，栗才全，程衛(wèi)民，等. 高地壓低孔隙率煤層注水工藝設(shè)計［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(3) :59-62.

Nie Wen，Li Caiquan，Cheng Weimin，et al.Design of water injection technique for high ground pressure low cracking rate seam pressure［J］.Coal Science and Technology，2011，39(3) :59-62.

［3］ 章夢濤，宋維源，潘一山.煤層注水預(yù)防沖擊地壓的研究［J］. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13(10) :69-72.

Zhang Mengtao，Song Weiyuan，Pan yishan. Study on water pouring into coal seam to prevent rock-burst［J］.China Safety Science Journal，2003，13(10) :69-72.

［4］ 周 剛，于巖斌，文金浩.深井條帶面高壓逾裂煤層注水模擬與卸壓應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2015，42(2) :6-11.

Zhou Gang，Yu Yanbin，Wen Jinhao.Simulation of water infusion in deep strip working face by high-pressure gradual splitting and its application in stress relief［J］. Mining Safety and Environmental Protection，2015，42(2) :6-11.

［5］ 張永吉，李占德. 煤層注水技術(shù)［M］. 北京: 煤炭工業(yè)出版社，2001:14-21.

Zhang Yongji，Li Zhande.Coal Seam Injection Technology［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，2001:14-21.

［6］ 王志生.煤層注水滲流特性研究及數(shù)值模擬分析［D］. 淮南: 安徽理工大學(xué)，2011.

Wang Zhisheng. The Research on Seepage Characteristic of Water Infusion for Coal Seam and Numerical Simulation Analysis［D］.Huainan:Anhui University of Science and Technology，2011.

［7］ 黃新杰.煤層注水濕潤半徑的數(shù)值模擬研究［D］. 淮南: 安徽理工大學(xué)，2007.

Huang Xinjie.The Research of Coal Seam Water Infusion Numerical Simulation［D］.Huainan:Anhui University of Science and Technology，2007.

［8］ 組海軍.基于FLUENT 的煤層注水濕潤半徑模擬研究［J］.煤炭與化工，2014，37(1) :124-127.

Zu Haijun.Numerical simulation of coal seam water infusion wetness radius based on FLUENT［J］.Coal and Chemical Industry，2014，37(1) :124-127.

［9］ 程衛(wèi)民，劉向升，郭允相，等. 綜放工作面煤層混合式注水防塵技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(9) :38-42.

Cheng Weimin，Liu Xiangsheng，Guo Yunxiang，et al. Dust-proof technology with combined seam water injection for fully mechanized top coal caving mining face［J］.Coal Science and Technology，2008，36(9) :38-42.

［10］ 海國治，秦書玉，李宗翔. 煤層注水濕潤分布狀態(tài)的數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報，1997，22(5) :520-523.

Hai Guozhi，Qin Shuyu，Li Zongxiang.Numerical simulation of distribution of coal seam water wet［J］.Journal of China Coal Society，1997，22(5) :520-523.

［11］ 程衛(wèi)民，曹 森，周 剛，等.混合式注水防塵降溫技術(shù)［J］.煤礦安全，2008，44(1) :64-67.

Cheng Weimin，Cao Sen，Zhou Gang，et al.Dust control and cooling technology of hybrid water injection［J］. Safety in Coal Mines，2008，44(1) :64-67.

［12］ 杜春志.煤層水壓致裂理論及應(yīng)用研究［D］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)( 北京) ，2008.

Du Chunzhi.Study on Theory of Hydraulic Fracturing in Coal Bed and Its Application［D］. Beijing: China University of Mining and Technology，Beijing，2008.