李 峰

（晉能控股煤業(yè)集團胡底煤業(yè)，山西 晉城 048006）

隨著煤層開采深度的增加和采煤機械化程度的提高，瓦斯治理的難度越來越大，為了杜絕“瓦斯超限就是事故”情況的發(fā)生，在瓦斯抽采效果不理想的條件下，采取水力沖孔措施增大煤層的透氣性，從而提高瓦斯抽采效果。但通過水力化措施將高壓水注入煤體后，煤體內(nèi)的瓦斯運移狀態(tài)及對煤體變形的影響情況成為了現(xiàn)場實踐中需要解決的理論性課題[1-4]。

1 水力沖孔煤體破壞機理

鉆孔在高壓水的作用下發(fā)生起裂后,水在注水壓力下進入煤層之中,并在煤層中的層理面、切割裂隙以及原生裂隙等各級弱面內(nèi),通過對弱面面壁產(chǎn)生內(nèi)水壓力而產(chǎn)生空間上的膨脹，促使該級弱面發(fā)生繼續(xù)擴展和延伸，并逐漸在煤巖中相互連通，形成貫通網(wǎng)絡(luò)，造成煤層的壓裂分解，最終導致在鉆孔周圍形成一個煤巖軟化帶，進而使得在這個軟化帶中煤巖的裂隙導通，大大提高了煤巖透氣性[5-6]。本文通過對煤巖水力沖孔軟化前后的瓦斯抽放效果進行對比研究，為探討瓦斯開發(fā)技術(shù)方案提供理論依據(jù)。

水力沖孔破壞主要表現(xiàn)在煤體壓裂和煤層軟化兩個方面。其中煤層軟化又包括吸附和浸潤作用、楔入作用、水合作用以及溶解作用[7-10]。

2 瓦斯抽采數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

結(jié)合成莊礦4217/4222巷水力沖孔鉆孔的布置情況，確定了各有關(guān)參數(shù)的取值，如表1所示，水力沖孔鉆孔布置示意圖如圖1所示。

表1 水力沖孔鉆孔布置參數(shù)

圖1 水力沖孔鉆孔布置示意圖

1）水力沖孔注水參數(shù)以成莊礦現(xiàn)場試驗的現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其中封孔長度選取為2.0 m，注水壓力選取12 MPa，掘進巷道注入水量不少于1.2 m3/m，整個注水過程耗時約2.0 h，上覆巖層和下覆巖層厚度均取1.5 m。

2）邊界條件：5個孔長度皆為13 m，并按照“以縫代孔”原則將瓦斯抽放孔簡化為定壓力邊界，向5個孔同時注水。四周和上下面均為零通量不透水邊界；四周和下部都對法線方向的位移進行約束，上部邊界作用有10 MPa的外部載荷，以模擬上覆巖層的自重。區(qū)域的應力場按照由泊松效應求得的自重應力進行計算。

基于如上模型設(shè)置，可以建立如下頁圖2所示的三維有限元計算模型。劃分的有限元網(wǎng)格如下頁圖3所示，計算區(qū)域材料參數(shù)按照下頁表2選取。如圖2所示，L1為平行于孔2軸向的一條平行線，L2為垂直于L1的一條垂線。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

表2 模型相關(guān)參數(shù)

2.2 計算方案

利用圖2、圖3所示模型，將水力沖孔的巖石軟化結(jié)果導入瓦斯抽放模型中，以5個孔作為瓦斯抽放孔，同時進行瓦斯抽放作業(yè)。瓦斯抽放孔按照“以縫代孔”原則簡化為定壓力邊界（25 kPa）。

1）邊界條件：四周和上下面均為零通量不透氣邊界；四周和下部都對法線方向的位移進行約束，上部自由且作用有10 MPa的外部載荷，同時模型具有自重載荷。

2）初始條件：內(nèi)部有1 MPa的初始瓦斯壓力，5個抽放孔的壓力皆為0.25×105Pa。

3）模擬時間：模擬時間為10 d。

4）計算方案：模擬不同時間條件下，水力沖孔后的瓦斯運移規(guī)律。

5）計算參數(shù)：相關(guān)參數(shù)如表1所列。

2.3 模擬結(jié)果分析

圖4—圖9為有水力沖孔及無水力沖孔作用下瓦斯抽放過程中不同時刻的瓦斯壓力分布圖。由圖表明，瓦斯抽放過程中，隨著時間的推移，孔邊瓦斯壓力降低區(qū)范圍逐漸擴大，當時間為864 000 s時，5個瓦斯抽放孔之間連成較大范圍的低壓瓦斯區(qū)域，并且通過對比有水力沖孔作業(yè)和無水力沖孔作業(yè)的瓦斯抽放壓力，可以看出，有水力沖孔的低壓力瓦斯區(qū)域遠大于無水力沖孔情況下的低壓瓦斯區(qū)域。對比圖10、圖11可以看出，圖11的3個抽放孔周圍瓦斯壓力降低較快，并且范圍遠大于圖10，鉆孔與鉆孔之間的疊加壓力區(qū)降低極為明顯，這說明水力沖孔不僅能軟化煤巖，并且使軟化帶內(nèi)煤巖的滲透性得到很大的提高，水力沖孔大大提高了瓦斯的抽放效果。瓦斯壓力在煤體中的大幅降低也說明了水力沖孔作用對瓦斯抽放和瓦斯卸壓都有很好的效果。

圖4 t=1 s時的瓦斯壓力（Pa）等表面圖

圖5 t=172 800 s（2 d）時的瓦斯壓力（Pa）等表面圖

圖6 t=345 600 s（4 d）時的瓦斯壓力（Pa）等表面圖

圖7 t=518 400 s（6 d）時的瓦斯壓力（Pa）等表面圖

圖9 t=864 000 s（10 d）時的瓦斯壓力等表面圖

圖10 L2切面位壓置力抽分采布情曲況線下隨時間變化瓦斯

圖11 切線位置抽采對情比況曲下線t=1 s時的瓦斯壓力

3 結(jié)論

通過建立水力沖孔的煤巖損傷模型及考慮煤巖吸附、解析的含瓦斯煤巖耦合作用模型，采用COMSOL-Multiphysics有限元軟件，研究了水力沖孔下的煤巖力學性能和水力沖孔后的瓦斯運移規(guī)律。得到如下結(jié)論：

1）研究表明，對煤巖進行水力沖孔作業(yè)，注水孔周圍孔隙水壓力將不斷變大，在經(jīng)過2 h的水力沖孔后，孔隙水壓力的影響半徑達到最大值，約為2 m，并且在研究中發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力的影響半徑變化規(guī)律是，注水前期變化大，注水時間越久，對半徑變化影響越小，當達到一定值時趨于穩(wěn)定狀態(tài)；

圖8 t=691 200 s（8 d）時的瓦斯壓力等表面圖

2）在水力沖孔作業(yè)過程中，由于水壓較大，造成煤巖壓裂分解，最終導致在鉆孔周圍形成一個煤巖損傷帶，同時由于煤炭損傷帶的產(chǎn)生，在損傷帶內(nèi)煤巖孔隙變大，從而導致煤巖滲透性的提高；

3）水力沖孔有效地提高了瓦斯的抽放效果，對瓦斯抽放卸壓也有顯著作用，對于采取相應的瓦斯開采、預防和控制措施等具有重要的理論和實踐意義。