華明國， 姚邦華， 李建偉

(1.潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100； 2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 焦作 454000； 3.山西晉煤晟泰能源有限公司， 山西 晉城 048000)

0 引言

水力沖孔依靠高壓水的沖擊能力, 在煤體中形成一個(gè)大尺寸的水力孔洞，造成孔周圍煤體充分卸壓，從而提高煤層瓦斯?jié)B透率，大幅度釋放瓦斯，以達(dá)到消突目的。近年來，水力沖孔技術(shù)在煤層增透方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究工作。理論研究方面，文獻(xiàn)[4-6]基于流變力學(xué)理論，分析了沖孔鉆孔周圍煤巖的蠕變-滲流行為，并得到了孔徑和滲透率的時(shí)空演化規(guī)律。文獻(xiàn)[7]通過理論分析，認(rèn)為沖孔將煤體沖出的必要條件是沖孔壓力需高于煤體單軸抗壓強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)研究方面，文獻(xiàn)[8-9]通過水力沖孔物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，考慮沖孔壓力、鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)、煤層強(qiáng)度等影響因素，開展了相應(yīng)的物理模擬研究。在數(shù)值模擬研究方面，文獻(xiàn)[10]利用FLAC3D對(duì)水力沖孔圍巖徑向應(yīng)力、應(yīng)變分布等特征進(jìn)行了分析?；谒_孔卸壓半徑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[11]利用 RFPA2D-Flow對(duì)沖孔圍巖應(yīng)力分布及透氣性系數(shù)變化等進(jìn)行了數(shù)值模擬。上述研究對(duì)于分析沖孔卸壓煤體變形、滲流規(guī)律、揭示增透機(jī)理具有重要意義。水力沖孔技術(shù)的核心問題是沖孔的有效影響半徑研究。通過數(shù)值模擬方法對(duì)水力沖孔有效影響半徑進(jìn)行研究具有重要意義。文獻(xiàn)[12]通過模擬不同出煤量的水力沖孔有效影響半徑變化，得出水力沖孔有效影響半徑隨沖出煤量和抽放時(shí)間的增加而增加的結(jié)論。文獻(xiàn)[13]模擬得出抽采有效影響半徑隨沖出煤量的增加而逐漸增大，且等量單孔擴(kuò)煤量增加到一定程度時(shí)，抽采有效影響半徑增加的幅度減小的結(jié)論。但是上述研究均沒有考慮煤層傾角對(duì)于水力沖孔卸壓有效半徑的影響，對(duì)于沖孔后煤層的傾向和走向不同卸壓范圍及程度等研究較少。鑒此，本文在巖石力學(xué)、滲流力學(xué)等理論的基礎(chǔ)上，建立了水力沖孔的煤體變形-滲流氣固耦合模型，利用多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟件COMSOL Multiphysics 對(duì)傾斜煤層水力沖孔有效影響半徑進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同方向上的鉆孔有效抽采半徑，研究結(jié)果對(duì)于優(yōu)化水力沖孔工藝參數(shù)、指導(dǎo)抽采鉆孔的準(zhǔn)確布置、提升礦井瓦斯治理效果具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 氣固耦合模型建立

瓦斯在煤層中的流動(dòng)過程中包括了煤的力學(xué)變形、流體流動(dòng)及吸附作用等多物理場(chǎng)耦合作用[14]。首先，瓦斯在煤層中吸附和流動(dòng)會(huì)改變煤層的應(yīng)力狀態(tài)，煤層會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形；煤層變形后孔隙率會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)改變煤層的滲透率，最終會(huì)影響瓦斯的吸附和流動(dòng)。因此，卸壓煤層變形和瓦斯流動(dòng)是一個(gè)典型的氣固耦合過程。本節(jié)基于巖石力學(xué)、滲流力學(xué)等理論，建立煤層的變形方程及瓦斯?jié)B流方程，為后續(xù)的數(shù)值模擬打下理論基礎(chǔ)。

1.1 煤的變形方程

用張量表示的煤體平衡微分方程為

(1)

式中：G為剪切模量；u為煤體位移；v為煤體泊松比；α為 Biot系數(shù)，α=1-K/Ks,K為煤的體積模量，Ks為煤體骨架的體積模量；p為瓦斯壓力；εL為Langmuir體積應(yīng)變；PL為Langmuir壓力常數(shù)；f為體積力。

1.2 瓦斯?jié)B流方程

瓦斯?jié)B流方程為

(2)

式(1)和式(2)即為煤層抽采的煤層變形-瓦斯?jié)B流方程。可見，方程中不但包含了煤層變形、瓦斯?jié)B流，而且考慮了瓦斯的吸附解吸等的影響。

2 礦井煤層瓦斯概況

研究礦井為山西潞安集團(tuán)某礦。該礦主要含煤地層為山西組和太原組。其中山西組含煤4層，主采3號(hào)煤層位于本組中下部，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖。底板為泥巖、粉砂巖。煤層厚度為5～7.3 m，平均厚度為6 m。煤層普氏系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果為0.41～0.51，平均原始瓦斯含量為8.5 m3/t，瓦斯壓力為0.12～0.66 MPa；鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.08～0.25 d-1，透氣性系數(shù)為0.5～1.7 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數(shù)屬可以抽放和難抽煤層。一般采用普通順層鉆孔對(duì)回采工作面進(jìn)行預(yù)抽，鉆孔施工工程量較大，流量衰減快，抽采效率低，導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間較長。為增加煤層透氣性，提高鉆孔抽采流量，快速降低煤體瓦斯含量，部分區(qū)域采用水力沖孔等方式進(jìn)行煤層增透。

根據(jù)礦井相關(guān)測(cè)試資料，研究區(qū)域工作面煤層傾角為20°左右，屬于中傾斜煤層。瓦斯含量為9.5 m3/t，其中可解吸瓦斯含量為7.0 m3/t，殘存瓦斯含量WCC(即常壓不可解吸瓦斯含量)為2.5 m3/t。由于回采工作面設(shè)計(jì)日產(chǎn)量大于10 000 t，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》(安監(jiān)總煤裝〔2011〕163號(hào))及AQ 1027—2006《煤礦瓦斯抽采規(guī)范》中的相關(guān)要求，該工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)的可解吸瓦斯含量Wj應(yīng)不大于4.0 m3/t，根據(jù)此含量值進(jìn)行計(jì)算，即將抽采后的可解吸瓦斯含量降低到4.0 m3/t時(shí)的抽采率為

(3)

綜上，該礦抽采達(dá)標(biāo)時(shí)的煤層可解吸瓦斯含量應(yīng)由9.5 m3/t降至4.0 m3/t以下，則抽采達(dá)標(biāo)時(shí)3號(hào)煤層殘余瓦斯含量WCY=Wj+WCC，經(jīng)計(jì)算，WCY≤6.5 m3/t。利用間接法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的殘余瓦斯壓力PCY=0.28 MPa，也即抽采達(dá)標(biāo)的臨界瓦斯壓力為0.28 MPa。

3 數(shù)值計(jì)算模型建立

基于包含煤層變形、氣體擴(kuò)散滲流、氣體吸附及氣體滲流的變形-滲流耦合模型，根據(jù)研究對(duì)象所處地質(zhì)條件，利用多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟件COMSOL Multiphysics建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。模型尺寸為80 m×40 m×50 m，煤層埋深H為400 m，厚度為1.8 m，傾角為20°。巷道位于模型中部靠左，抽采鉆孔從巷道向右上方打孔，鉆孔孔深為28 m，鉆孔與水平方向夾角為20°。模型應(yīng)力邊界條件：上邊界為應(yīng)力邊界，應(yīng)力為10 MPa，左右兩邊約束水平方向位移，前后面約束與其垂直方向的位移，下邊界約束垂直方向位移。瓦斯?jié)B流邊界條件：巷道周邊邊界壓力為大氣壓，抽采鉆孔未封孔段壓力為抽采負(fù)壓，其余邊界均為無滲流邊界。初始煤層瓦斯壓力為0.56 MPa左右。煤層主要參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical calculation model

表1 煤層主要參數(shù)
Table 1 Main parametersof coal seam

主要參數(shù)取值楊氏模量E/GPa1.00泊松比 ν0.25煤體密度ρc/( kg·m-3)1 450吸附瓦斯密度ρg /( kg·m-3)0.58瓦斯的動(dòng)力黏度系數(shù)μ/(10-5 Pa·s)1.12煤體初始孔隙率φ00.04煤體初始滲透率 k0/10-15m20.05煤體瓦斯壓力/MPa0.43大氣壓 pa/MPa0.10

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

沖孔后煤層瓦斯壓力三維分布云圖如圖2所示，沖孔后不同時(shí)刻煤層瓦斯壓力分布云圖如圖3所示。從圖2和圖3可看出，在鉆孔抽采作用下，隨著抽采時(shí)間(t)的增加，抽采影響范圍越來越大，且由于沖孔對(duì)煤層的卸壓作用，使得煤層滲透性大大增加，鉆孔周邊影響范圍呈橢圓形分布。從圖3還可看出，瓦斯抽采時(shí)間為30 d和90 d時(shí)的抽采影響范圍相差不大，表明瓦斯抽采前期影響半徑擴(kuò)展速度快，后期擴(kuò)展速度下降。

圖2 沖孔煤層瓦斯壓力三維分布云圖Fig.2 3D distribution cloud map of coal seam gas pressure after punching

(a) t=30 d

(b) t=60 d

(c) t=90 d

不同時(shí)刻、不同方向上煤層瓦斯壓力分布曲線如圖4所示。

(a) 煤層傾向

(b) 煤層走向

從圖4可看出，在沖孔作用下，隨著抽采時(shí)間的增加，抽采影響范圍急劇擴(kuò)大。在上部方向，當(dāng)抽采時(shí)間為30 d時(shí)，有效影響半徑約為4 m左右；連續(xù)抽采90 d后，有效影響半徑擴(kuò)大到近6 m。在下部方向，當(dāng)抽采時(shí)間為30 d時(shí)，有效影響半徑約為3 m左右；連續(xù)抽采90 d后，有效影響半徑擴(kuò)大到4 m。在煤層走向(水平方向)，當(dāng)抽采時(shí)間為30 d時(shí)，水平有效影響半徑約為3.5 m左右；連續(xù)抽采90 d后，有效影響半徑擴(kuò)大到5 m。

對(duì)于該傾斜煤層，煤層傾向上下方向以及水平方向的有效影響半徑是不同的，這是因?yàn)槊簩觾A角較大，水力沖孔鉆孔沖出煤體量在各個(gè)方向上有一定差別，在沖孔上部，由于傾斜煤層重力作用，沖出煤量較多，卸壓范圍較大；在沖孔下部，煤體不容易被沖出，卸壓范圍也較?。幻簩幼呦?水平方向)沖出的煤量適中，卸壓范圍也介于傾向上部和下部卸壓范圍之間。

5 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

在煤層底抽巷布置1組10個(gè)觀測(cè)孔，1個(gè)水力沖孔抽采孔，所有鉆孔穿層進(jìn)入煤層，觀測(cè)鉆孔孔徑為94 mm，抽采鉆孔孔徑也為94 mm，各鉆孔的設(shè)計(jì)如圖5所示。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)觀測(cè)鉆孔分別距C號(hào)水力沖孔增透抽采鉆孔3、4、5、6 m，且分別交叉布置在水力沖孔增透抽采鉆孔兩側(cè)。5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)觀測(cè)孔分別距C號(hào)水力沖孔抽采鉆孔7、6、5 m且位于水力沖孔增透抽采鉆孔的上部；8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)觀測(cè)孔分別距C號(hào)水力沖孔抽采孔3、4、5 m并且位于水力沖孔增透抽采鉆孔的下部。

在實(shí)施水力沖孔措施過程中，沖孔水壓為8 MPa，見煤段每米煤孔沖出煤量不少于1 t，抽采鉆孔直徑不小于94 mm，孔口負(fù)壓不低于13 kPa。實(shí)施水力沖孔并完成沖孔卸壓半徑的考察后，對(duì)水力沖孔鉆孔進(jìn)行密封并合茬抽放，隨著抽采時(shí)間的推移，每班(天)讀取并記錄各觀測(cè)孔的壓力表或“U”型壓差計(jì)的相對(duì)壓力讀數(shù)變化情況。

水力沖孔后鉆孔抽采過程中各觀測(cè)孔壓力變化情況見表2，從表2可看出，該礦水力沖孔上方有效影響半徑為6 m左右，下方有效影響半徑為4 m左右，橫向有效影響半徑為5 m左右?，F(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，表明了模擬結(jié)果的正確性。同時(shí)，由沖孔有效影響半徑的考察結(jié)果可對(duì)水力沖孔鉆孔布置進(jìn)行指導(dǎo)，鉆場(chǎng)橫向鉆孔布置間距為3.5 m左右，縱向鉆孔布置間距為4.0 m左右。

表2 水力沖孔鉆孔抽采過程中各觀測(cè)孔壓力變化Table 2 Pressure change of each observation hole during hydraulic punching and borehole extraction

6 結(jié)論

建立了含瓦斯煤體變形-瓦斯?jié)B流的氣固耦合模型，并將該理論模型數(shù)值化，以某煤礦3號(hào)煤層為研究對(duì)象，對(duì)煤層沖孔后的卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了沖孔后的瓦斯抽采影響半徑，得到如下結(jié)論：

(1) 在沖孔鉆孔抽采作用下，隨著抽采時(shí)間的增加，抽采影響范圍越來越大，但擴(kuò)展速度隨時(shí)間下降；由于沖孔對(duì)煤層的卸壓作用，使得煤層滲透性大大增加，鉆孔周邊影響范圍呈近似橢圓形分布。

(2) 在沖孔作用下，連續(xù)抽采90 d后，在上部方向，有效影響半徑為6 m左右；在下部方向，有效影響半徑為4 m左右；在水平方向，有效影響半徑為5 m左右。因此，該煤層水力沖孔鉆場(chǎng)橫向鉆孔布置間距為3.5 m左右，縱向鉆孔布置間距為4.0 m左右。