E0103工作面CO₂預裂技術數值模擬研究

唐強

摘 要：本文研究礦井為煤與瓦斯突出煤礦，E0103工作面存在煤與瓦斯突出危險性。為提高該工作面煤與瓦斯抽采效率，該煤礦在巷道掘進過程中運用CO2預裂技術進行增透，然后進行抽采工作。本文對CO2釋放過程中煤巖滲透率分布情況進行數值模擬研究，建立含瓦斯煤流-固耦合模型及CO2與瓦斯解析置換方程，運用軟件COMSOL并結合MATLAB對預裂技術實施過程進行數值模擬，得出工作面使用預裂技術過程中不同時間段煤巖滲透率分布云圖。結果表明：模擬結果同現場深孔快速取樣的樣本分析結果基本一致。

關鍵詞：瓦斯突出;CO2預裂;流-固耦合;滲透率

中圖分類號：TD712.6文獻標識號：A文章編號：1003-5168（2021）11-0073-03

The Numerical Simulation Study of CO2 Pre-Splitting Technique

on E0103 Working Face

TANG Qiang

（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute， Chongqing 400037）

Abstract： This paper research mine was a coal and gas outburst mine， There is danger of coal and gas outburst in E0103 working face. The technology of CO2 pre-splitting antireflection was used in the process of the mine roadway drivage to improve the working face of coal and gas extraction efficiency， then begin extraction. This paper performed numerical simulations mainly for the CO2 release process of coal rock permeability distribution. We established a model of Flow - solid coupling model and CO2 and gas analytical displacement equation， using the software COMSOL combined with MATLAB to pre-splitting technology implementation process. We could get coal rock permeability distribution in the process of different period for working face with pre-splitting technique. Simulation results was basically identical with the field of deep hole fast sampling sample analysis results.

Keywords： gas outburst;CO2 pre-splitting;flow-solid coupling;permeability

近年來，煤礦形勢逐漸嚴峻，瓦斯突出事故頻發[1]。瓦斯抽采是防治瓦斯事故的關鍵措施，但是，部分礦井開采的煤層透氣性較差，導致瓦斯抽采效果不佳，瓦斯治理時間長[2]。為此，眾多學者對低透性煤層增透技術展開研究，主要技術措施包括深孔松動爆破、水力壓裂、水力割縫、CO2增透等，不同的增透技術有其自身的特點及應用范圍[3-4]。本次研究礦井為煤與瓦斯突出礦井，為節約成本，同時消除該礦E0103工作面煤與瓦斯突出危險，礦井在掘進過程中運用CO2增透技術增加煤層透氣性，以達到快速抽采達標的目的。本文以此為背景[5-7]，建立該煤礦含瓦斯煤流-固耦合模型，模擬出運用CO2增透技術及未使用CO2增透技術兩種情況下，不同時間段里煤層中瓦斯壓力分布云圖，并將模擬結果同深孔快速取樣分析結果進行對比，發現二者的結果基本一致，故可推斷本文所建模型合理。

1 煤礦概況

研究礦井地處云南，為煤與瓦斯突出礦井，E0103工作面可采長度約700 m，工作面長約130 m，煤厚2.52 m，傾角15°，夾矸層數0～3層，采用綜合機械化開采工藝采煤;5煤直接頂為泥質灰巖、裂隙不發育，上部為粉砂質泥巖和粉砂巖，直接底板為泥巖，底板下大概有三層煤線，煤線間夾泥巖。根據《地勘報告》，5煤瓦斯含量取7.9～15.45 m3/t，煤層硬度系數[f]為0.37，煤層透氣性系數為0.607～2.67 m2/（MPa2·d）。

2 CO2預裂過程數值模擬研究

鉆孔長度約為100 m，在鉆孔底部下放CO2爆破器主管，進行啟爆。CO2從泄能頭兩側的出氣孔急速沖出，時間約為40 ms，本文主要模擬這一時間段內CO2對煤巖的影響。實驗研究表明，CO2發爆器啟動之后，會在鉆孔內產生一個約20 MPa的瞬間壓力，該壓力會對含瓦斯煤層產生一種瞬態的能量，同時CO2會置換出含瓦斯煤中的瓦斯氣體。

2.1 模擬方程

通過現場實際考察可知，進行CO2預裂過程中，溫度對瓦斯解析的影響較小，故本文所建立的數學模型不考慮溫度對預裂過程的影響。在CO2釋放過程中，壓力逐漸衰減，而以往的模擬忽略了這一點，根據實驗研究得出壓力衰減方程[5]。泄能頭兩側的出氣孔噴出CO2壓力方程為：

[P=P0-tB] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[P]表示泄能頭兩側的出氣孔噴出CO2壓力;[P0]表示泄能頭兩側出氣孔噴出CO2初始壓力;[B]表示壓力衰減系數;[t]表示時間。

煤層內的瓦斯含量動態方程為[6-7]：

[MS=abcpρS1+bp] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[MS]表示瓦斯含量;[a]表示吸附常數;[b]表示吸附常數;[c]表示煤質校正參數，計算公式如式（3）所示;[p]表示瓦斯壓力;[ρS]表示煤的密度。

[c=ρs11+0.31M×100-A-M100] ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[M]表示煤的水分;[A]表示煤的灰分。

瓦斯運動方程[8-11]：

[V=-kμ1+mp?p] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：[V]表示瓦斯滲流速度;[k]表示滲透率;[μ]表示瓦斯黏度系數;[m]表示Klinkerberg系數。

[?Ms?t+??ρV=0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：[V]表示瓦斯滲流速度;[ρ]表示瓦斯密度。

2.2 模擬參數

將現場采集的煤樣帶到實驗室進行實驗參數測定，得到煤巖基本參數，具體見表1。

2.3 數值模擬

現有的基本設計圖如圖1所示。數值模擬所建立的幾何模型如圖2所示。

建立的幾何模型中，鉆孔長度為90 m，將建立的基本數學模型編譯成MATLAB（矩陣實驗室軟件）文件，鏈接到耦合模擬軟件COMSOL Multiphysics（康模數爾軟件）中，模擬時間為40 ms，步長為5 ms，現場進行測試得到頂板壓力為2.3 MPa，底板壓力為2 MPa，軸向壓力為0.8 MPa。根據實驗室測量的煤巖樣本基本參數級進行數值模擬，分別得出預裂之后10 ms、20 ms、30 ms和40 ms的滲透率如圖3至圖6所示。

由圖3至圖6可知，進行CO2預裂技術之后，鉆孔孔底滲透率逐漸增大，隨著時間的推移，滲透率增大，影響的范圍也逐漸增加。滲透率變化范圍較大的區域為鉆孔之間耦合區域，而鉆孔非耦合區域僅僅依靠孔底的CO2預裂仍舊無法到達致裂要求。

2.4 模擬結果分析

由模擬結果可知：進行CO2預裂之后，10 ms時滲透率的影響范圍約為5 m;20 ms時滲透率的影響范圍約為30 m;30 ms時滲透率的影響范圍約為40 m;40 ms時滲透率的影響范圍約為60 m;隨著時間的推移，滲透率的影響范圍會不斷增大，滲透率提高會提升瓦斯抽采效率。可見，影響煤層滲透率較大的區域為鉆孔耦合區域，而雖然非耦合區域的煤層滲透率發生了變化，但變化并不明顯，不能滿足預裂要求。通過深孔快速取樣對耦合區域和非耦合區域的煤樣進行滲透率參數檢測，檢測結果與數值模擬結果基本一致。因此，在實際施工過程中，需要對原方案進行優化，不僅要在孔底放置CO2預裂爆破裝置，還要在鉆孔中間段一定位置放置CO2預裂爆破裝置;同時，對于滲透率變化不大的非耦合區域，仍需要進行CO2預裂，消除低滲透率盲區。

3 結語

本文針對礦井高瓦斯低透氣性煤層的特點，建立含瓦斯煤層流-固耦合模型。針對現場工程實踐進行數值模擬，得出進行CO2預裂技術后不同時間段的煤層滲透率分布云圖。同時，進行深孔快速定點取樣，將樣本帶到實驗室中進行測定，測得的滲透率與數值模擬對比，二者結果基本一致。研究結果對推進山西省高瓦斯低透氣性煤層CO2預裂技術具有一定的指導意義和現實意義。在實際施工中，要不斷優化CO2預裂技術，以滿足低成本消除礦井煤與瓦斯突出危險的要求。

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