張 靜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037001）

引言

煤層氣是一種綠色高效能源，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活中。但是，如果在煤礦開(kāi)采過(guò)程中控制不好，煤層瓦斯將是煤礦災(zāi)害的主要因素，如煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。地下瓦斯抽放是降低瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的最有效方法之一，煤層的滲透性是決定瓦斯抽放難度的重要因素，隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力增大，滲透率進(jìn)一步降低，瓦斯抽放難度加大礦井構(gòu)造煤由于其黏結(jié)性弱、強(qiáng)度低、滲透性差的特點(diǎn)，瓦斯抽放尤為困難，是造成突出事故最多的原因[1]。

為了降低應(yīng)力，提高單一構(gòu)造煤層的滲透性，在瓦斯抽放實(shí)踐中采用了水力開(kāi)縫、水力壓裂、高壓脈沖水射流和深孔爆破等技術(shù)。但這些措施對(duì)水壓要求較高，僅適用于硬度較低的煤層。硬煤層難以有效增加裂隙，軟構(gòu)造煤層形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)會(huì)迅速被充填，導(dǎo)致卸應(yīng)力和增透效果較差[2]。此外，深孔爆破技術(shù)復(fù)雜，具有誘發(fā)煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。對(duì)于具有構(gòu)造煤亞層的特殊厚煤層，如煤層，實(shí)現(xiàn)卸壓增透是目前急需解決的問(wèn)題。為提高煤層瓦斯抽放效果，研制了液壓沖洗瓦斯抽放技術(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，探討了煤巖水力沖刷后應(yīng)力釋放和滲透性增加的機(jī)理[3-4]。COMSOL Multiphysics 基于煤的損傷和瓦斯運(yùn)移模型，模擬了煤的滲透率變化和瓦斯抽放效果。隨后進(jìn)行了研究和驗(yàn)證[5]。

1 煤層特征及工程技術(shù)

1.1 煤層地質(zhì)構(gòu)造特征

焦作礦區(qū)位于太行山大背斜的東南翼，是雜巖構(gòu)造帶的聯(lián)合作用區(qū)域。在復(fù)雜的多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，該區(qū)形成了一系列的擠壓-扭轉(zhuǎn)斷裂。在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在壓扭斷層的擠壓、扭轉(zhuǎn)、滑動(dòng)作用下，煤層內(nèi)部發(fā)生沿層的韌性剪切，在煤層下部形成致密的層狀糜棱質(zhì)構(gòu)造煤亞層。構(gòu)造煤在焦作礦區(qū)廣泛分布，具有強(qiáng)度低、滲透性差的特點(diǎn)。

1.2 瓦斯治理難度分析

眾所周知，裂縫張開(kāi)度主要受有效應(yīng)力控制，有效應(yīng)力與地應(yīng)力密切相關(guān)，因此地應(yīng)力也會(huì)顯著影響煤層的原始滲透率。根據(jù)礦井地質(zhì)生產(chǎn)報(bào)告，固含山煤礦煤層的山礦在埋深250 m～564 m 處，垂直應(yīng)力從6.21 MPa 增大到18.85 MPa，最大水平應(yīng)力從10.22 MPa 增大到30.92 MPa，最小水平應(yīng)力從6.16 MPa 增大到23.48 MPa。根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力的變化趨勢(shì)，可以預(yù)測(cè)礦區(qū)的地應(yīng)力將進(jìn)一步增大。同時(shí)，在高地應(yīng)力環(huán)境下，煤層的滲透性會(huì)不斷降低。在高地應(yīng)力、高含氣量、低滲透性條件下，礦井“三量”開(kāi)采區(qū)的瓦斯抽放極為困難。煤層卸壓是提高煤層滲透性的重要途徑但煤層是唯一可采煤層，采用保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全卸壓。因此，在煤層開(kāi)采前鉆孔抽放瓦斯是唯一有效的方法。固含山煤礦采用了水力壓裂、水力切割等常規(guī)措施。但由于軟糜棱質(zhì)構(gòu)造煤亞層的存在，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較差。固含山煤礦瓦斯治理難點(diǎn)的關(guān)鍵是根據(jù)煤層的特點(diǎn)，有效地釋放應(yīng)力，提高透氣性。

1.3 水力沖洗抽放瓦斯技術(shù)研究

在井下抽放巷道跨層鉆孔中，針對(duì)煤層的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使用液壓沖洗瓦斯抽放技術(shù)，一套煤礦用履帶式快速鑿巖高壓液壓沖洗設(shè)備，如第130 頁(yè)圖1所示。當(dāng)鉆距煤層底板1 m 以上時(shí)，停止鉆孔，往復(fù)鉆進(jìn)，將鉆進(jìn)水壓提高到10 MPa～26 MPa，水流大于100 L/min，沖洗構(gòu)造軟煤亞層，直至構(gòu)造軟煤完全沖出，開(kāi)始有清水流出。然后將鉆孔水壓降低至2 MPa～4 MPa，繼續(xù)鉆進(jìn)，直至鉆頭超過(guò)煤層頂板0.1 m。將每個(gè)單孔密封連接為柱孔，然后將柱孔與高濃度瓦斯抽放主管道（HCGDMP）連接。在瓦斯抽放過(guò)程中，對(duì)單孔和柱孔的濃度和純流量等氣體參數(shù)進(jìn)行人工測(cè)量，并通過(guò)HCGDMP 中的氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

圖1 履帶式快速鑿巖高壓液壓沖洗設(shè)備

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬方法

本文利用COMSOL Multiphysics5.1 數(shù)值模擬程序的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了煤體的應(yīng)力變化和塑性損傷破壞。將相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)代入COMSOL Multiphysics 中，分析滲透率演化和瓦斯抽放。水力沖洗后，用鉆孔觀察器檢查鉆孔的形狀。在COMSOL Multiphysics 中建立二維模型。采用“達(dá)西定律模塊”和“PDE 模塊”進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)地質(zhì)生產(chǎn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果，模型所需參數(shù)，如表1 所示。

表1 瓦斯含量和瓦斯壓力的測(cè)量

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤的應(yīng)力演化如圖2 所示，與普通鉆孔相比，構(gòu)造煤中鉆孔經(jīng)過(guò)水力沖刷后，會(huì)引起更大范圍的應(yīng)力擾動(dòng)。最大主應(yīng)力σ1（鉆孔水平切向方向）、最小主應(yīng)力σ3（鉆孔水平徑向方向）和中間主應(yīng)力σ2（鉆孔垂直方向）均得到充分釋放。圖2 還統(tǒng)計(jì)了Z=1.5 m和Z=3 m 處的應(yīng)力分布。σ3在遠(yuǎn)離井眼處開(kāi)始減小，在井眼附近達(dá)到接近0 MPa。σ1和σ2在達(dá)到峰值后，在井口附近先增加后迅速下降，接近0 MPa，其中 σ1的變化過(guò)程明顯大于 σ2。根據(jù)Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，當(dāng)差應(yīng)力σ1～σ3達(dá)到屈服強(qiáng)度峰值時(shí)，煤體開(kāi)始發(fā)生塑性損傷。

圖2 鉆孔周圍煤Z=1.5 m 和Z=3 m 處的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布

水力沖刷后，煤體內(nèi)發(fā)生塑性損傷，導(dǎo)致滲透性大幅度增加。第131 頁(yè)圖3 為鉆孔周圍煤層透氣性分布。從普通鉆孔前方0.5 m 開(kāi)始，煤體透氣性開(kāi)始較初始透氣性增加10 倍以上。然而，從水力沖井前方4 m 處開(kāi)始，煤體滲透率開(kāi)始較初始滲透率增加10倍～121 倍。水力沖洗鉆孔周圍煤層透氣性明顯增大，是普通鉆孔的8 倍。普通鉆孔周圍氣體壓力下降幅度較小，而水力沖洗鉆孔周圍氣體壓力下降幅度較大。水力沖洗鉆孔周圍瓦斯壓降范圍從上到下逐漸增大，在煤層中部達(dá)到最大。經(jīng)過(guò)水力沖洗后，鉆孔的有效排水半徑提高了2.4 倍～3.3 倍。

圖3 煤的滲透性分布在普通鉆孔和水力沖洗鉆孔周圍

數(shù)值模擬結(jié)果表明，在σ1—σ3差應(yīng)力達(dá)到峰值后，井壁周圍的煤體將發(fā)生破壞。但最大主應(yīng)力σ1和中間主應(yīng)力σ2在峰值出現(xiàn)前會(huì)先持續(xù)增加。因此，可以預(yù)測(cè)在水平應(yīng)力σ1和垂直應(yīng)力σ2的作用下，井壁附近受損煤將發(fā)生遷移。在垂直方向，正常的煤會(huì)塌陷到洞的底部。在水平方向上，正常煤和構(gòu)造煤會(huì)遷移到鉆孔中心，然后擠壓篩管。因此，煤層的變形在垂直方向上總體是壓縮的，在水平方向上是擴(kuò)展的。研究了水力沖刷后煤的運(yùn)移和變形情況。安裝了煤層相對(duì)變形測(cè)量裝置，對(duì)煤層垂直變形進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)觀察篩管的壓縮變形，研究了煤的水平變形。水力沖刷后，煤層在垂直方向上連續(xù)發(fā)生相對(duì)壓縮變形。第77 天，煤的相對(duì)壓縮變形達(dá)到2.46%。篩管初始直徑為0.05 m，遠(yuǎn)小于鉆孔直徑（即正常煤區(qū)直徑為0.1 m，構(gòu)造煤區(qū)直徑為1.5 m）。第100 天，篩管變形壓縮。煤巷掘進(jìn)前，篩管被抽出，已嚴(yán)重變形破壞，主要是由于圍巖煤的水平遷移變形。

水力沖井鉆孔前，在16032 欠定位抽放巷道測(cè)得煤層的原始滲透率為0.027 m2/MPa2d。在水力沖洗和瓦斯抽放一年后，在同一位置附近再次測(cè)量煤層滲透率，滲透率增加到2.35 m2/MPa2d，煤層透氣性提高了87 倍。

3 結(jié)論

本文對(duì)礦井“三量”可采區(qū)煤層采用全流程水力沖洗瓦斯抽放技術(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬研究，揭示了應(yīng)力釋放和滲透率增加的機(jī)理。更多的構(gòu)造煤涌出形成大孔，促進(jìn)了煤層的應(yīng)力釋放和透氣性增加。具有構(gòu)造煤亞層的厚煤層經(jīng)過(guò)水力沖洗后瓦斯抽放效率明顯提高。數(shù)值模擬結(jié)果表明，水力沖刷顯著擴(kuò)大了應(yīng)力消除和塑性損傷的范圍，相應(yīng)地也顯著擴(kuò)大了滲透性增加面積的范圍。與普通鉆孔相比，水力沖洗鉆孔的有效排水半徑提高了2.4 倍～3.3 倍。