采動裂隙帶地面L型鉆孔遇巖層位數值模擬

張 博

(西山煤電(集團)有限責任公司, 山西 太原 030053)

煤礦開采深度的加深，開采強度的加大，使礦井工作面回采期間瓦斯超限問題越來越嚴重，僅2002—2012年，全國礦井瓦斯爆炸事故就發生了897起[1-3]. 采空區瓦斯是工作面瓦斯的重要來源，占50%～60%，因此采空區瓦斯治理是煤礦瓦斯治理的重點[4, 5]. 對于回采過程中采空區的瓦斯治理，許多學者進行了研究，袁亮等[6]基于采動覆巖破壞特征，進行了大直徑地面立井采空區瓦斯抽采試驗，鉆井總抽采瓦斯量達到361.7 m3，瓦斯治理效果明顯；凡永鵬等[7]采用數值模擬和工程實際相結合的方法分析了塔山礦不同采空區瓦斯治理方法的抽采效果，揭示了不同方式的優缺點；褚廷湘等[8]基于煤礦瓦斯與浮煤自燃耦合治理的思想，分析了“U+I”型工作面不同工況下，上隅角瓦斯和采空區自燃“三帶”分布情況；張玫潤等[9]分析了“一面四巷”情況下高抽巷處于不同位置處采空區瓦斯分布特征，揭示了不同層位高抽巷瓦斯治理效果。

西山煤電集團屯蘭礦2012年升級為突出礦井，回采期間瓦斯治理難度大，為有效解決工作面回采期間上隅角瓦斯超限問題，使用地面L型鉆孔代替高抽巷抽采瓦斯。以該礦12507工作面采空區瓦斯治理為工程背景，采用3DEC軟件分析采動覆巖“三帶”分布特征，使用COMSOL Multiphysics軟件研究不同層位采動裂隙帶L型鉆孔瓦斯抽采效果，為鉆孔合理層位的選擇提供理論依據。

1 工程概況

屯蘭礦12507工作面采用綜采一次采全高的方法進行2#、3#煤層回采，總厚度4.57 m. 工作面走向長度1 644 m，傾向長度220 m，采用U型通風，總風量為2 100 m3/min. 直接頂為黑色粉砂巖，具緩波狀層理；基本頂為粉砂巖夾細砂巖薄層長石、石英砂巖，具緩波狀層理；直接底為黑色炭質泥巖，含少量植物化石碎片，性脆；基本底為灰色細砂巖，含植物化石碎片。

2 12507工作面覆巖垮落特征

為分析12507工作面采動過程中覆巖垮落特征，根據工作面賦存條件，采用3DEC軟件建立工作面回采覆巖垮落數值模擬模型，模型尺寸x軸方向400 m，y軸方向400 m，z軸方向150 m. 煤層厚度4.57 m，頂板厚度123.78 m，底板厚度21.65 m，根據煤層埋深情況，模型z軸方向頂面需施加10 MPa的均布荷載。

不同推進距離采空區上覆巖層的垮落情況見圖1. 由圖1可以看出，隨著工作面的向前推進，采空區上覆巖層裂隙帶發育高度越高，當工作面推進距離分別為30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、180 m時，裂隙帶高度分別發育至距煤層頂板8 m、15 m、25 m、36 m、50 m、55 m，垮落帶高度為13 m左右。

根據覆巖“三帶”理論計算公式：

圖1 不同推進距離覆巖裂隙場演化特征圖

1) 垮落帶高度。

式中：

Hm—垮落帶高度，m；

M—開采煤層厚度，m，取4.57.

2) 裂隙帶高度。

理論計算結果與數值模擬結果差別不大，驗證了數值模擬結果的準確性。

3 地面L型鉆孔遇巖層位優選

為保證地面L型鉆孔能夠高效穩定的對回采期間工作面瓦斯進行治理，鉆孔水平段遇巖層位的設置很重要。若L型井距離煤層頂板太近，巖層穩定性差，鉆孔塌孔的危險性大；若L型井距離煤層頂板較遠，瓦斯抽采效應滯后，工作面瓦斯超限可能性大，回采期間的安全不能保證。為對地面L型鉆孔遇巖層位進行優選，基于COMSOL Multiphysics數值模擬軟件建立地面L型鉆孔瓦斯抽采模型，分析不同層位L型鉆孔的瓦斯抽采效果。

3.1 采動瓦斯運移數學模型

3.1.1氣體運移方程

巷道與工作面內的氣體流動可以等效為流體在管道內的流動，對于管道內的流體流動，無論是層流還是湍流納維葉-斯托克斯方程均能很好地描述。因此，采用納維葉-斯托克斯方程對工作面及巷道內氣體流動狀態進行描述：

-·η[μ+(μ)T]+ρμ·μ+p=0

式中：

η—氣體流動黏性系數，kg/(m·s)；

μ—流體流動速度，m/s；

ρ、p—流體密度、壓力，kg/m3、Pa.

3.1.2采空區流動方程

煤層回采后上覆頂板破碎充滿整個采空區，矸石間存在著大量的空隙，形成一種多孔介質結構。選用Brinkman方程對采空區內氣體流動進行描述：

式中：

ε—孔隙率；

k—滲透率，m2.

3.1.3瓦斯擴散方程

采空區內瓦斯遵守彌散定律和擴散定律，但上述方程均不能反應瓦斯的擴散遷移。因此，采用流體對流-擴散方程進行補充描述：

式中：

θs—氣體體積分數；

c—氣體濃度，mol/m3；

DL—氣體壓力擴散張量，m2/d；

SC—氣體源項。

3.2 物理模型建立

根據12507工作面實際情況，進行采動裂隙帶L型井鉆孔瓦斯抽采物理模型建立，見圖2. 模型采空區尺寸為300 m×220 m×60 m，工作面尺寸為5 m×220 m×3.5 m，兩巷道尺寸為20 m×4.5 m×3.5 m. L型鉆孔d0.171 4 m，為分析不同層位L型鉆孔的抽采效果，鉆孔位置分別設置于距煤層頂板23 m、33 m、43 m以及53 m.

圖2 采動裂隙帶L型井抽采物理模型圖

3.3 數值模擬結果分析

不同層位L型井瓦斯抽采效果見圖3，由圖3可知，在進風壓力的作用下，大量氣體由進風巷側進入采空區，采空區前端瓦斯被稀釋，由于回風側為負壓，漏入的空氣較少，該處瓦斯濃度相對較大。不同層位的采動裂隙帶L型鉆孔對采空區瓦斯濃度的影響不同，L型鉆孔距離煤層頂板越近，引起的采空區漏風越嚴重，采空區整體平均瓦斯濃度越低。

不同層位L型鉆孔瓦斯抽采Z=2 m剖面瓦斯分布圖見圖4，由圖4可知，采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板為23 m時，由于抽采負壓的作用，工作面漏風量大，回風巷上隅角處流體處于渦流狀態，該處的瓦斯不能有效由回風巷流出，此時上隅角濃度達到15%. 采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板為33 m時，在瓦斯抽采負壓作用下，上隅角瓦斯濃度為5%. 采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板為55 m時，雖然瓦斯有上浮效應，但由于距離回風巷距離較遠，L型鉆孔對上隅角處的瓦斯治理效果也不夠理想，上隅角瓦斯濃度達到8%. 當采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板為43 m時，上隅角瓦斯濃度僅為0.6%，瓦斯治理效果較好。因此，屯蘭礦采動裂隙帶L型鉆孔應布置在距離煤層頂板43 m左右位置處。

圖3 不同層位L型鉆孔瓦斯抽采效果圖

圖4 不同層位L型鉆孔瓦斯抽采Z=2 m剖面瓦斯分布圖

4 結 論

1) 采用3DEC軟件對屯蘭礦12507工作面采動覆巖“三帶”進行研究，得出采空區上覆巖層垮落帶高度13 m，裂隙帶高度55 m.

2) 采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板越近，由工作面漏入采空區的風量越多，采空區總體瓦斯濃度相對越低。

3) 采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板23 m時，大的漏風量引起的上隅角瓦斯積聚現象明顯，上隅角濃度達到15%；當采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板53 m時，鉆孔對上隅角瓦斯的控制能力相對較差;采動裂隙帶L型鉆孔層位設置在距離煤層頂板43 m處，此時上隅角瓦斯濃度僅為0.6%.