碎軟低滲煤層水力沖孔影響范圍的數值模擬

李軍岐

(陜西陜煤韓城礦業有限公司，陜西 渭南 715400)

0 引言

我國大多煤礦深受瓦斯災害的困擾，煤與瓦斯突出和高瓦斯礦井更是占多數[1]。開采保護層和鉆孔瓦斯抽采是解決瓦斯災害治理的有效途徑，對于不具備開采保護層條件的煤層，通過鉆孔瓦斯抽采不僅可以有效地降低瓦斯含量，而且可以提高煤礦生產的安全性[2]；同時，瓦斯又可加以實現清潔能源高效利用[3]。但我國多數煤層碎軟、低滲、透氣性差、鉆孔有效抽采半徑小，常規鉆孔抽采效率低且預抽時間長，無法達到快速消除瓦斯災害的目的，嚴重影響礦井正常采掘接續[4-6]。水力沖孔是一種被證明有效的煤層卸壓增透技術，可有效消除煤體應力、釋放瓦斯、大幅度提高煤層透氣性，在碎軟低滲煤層中應用廣泛[7-12]。

水力沖孔工藝具有施工工序簡單、成本低廉、施工效率高等優勢。水力沖孔工藝技術的主要原理：通過噴嘴射出的高壓水射流對目標煤體進行沖孔、破碎，在高壓水射流沖擊作用下形成空洞，使鉆孔周圍煤體應力重新分布，孔洞附近煤體出現卸壓區，在卸壓區煤體孔隙和裂隙不斷擴展、破裂和貫通，大幅增加煤體透氣性，提高瓦斯抽采效果[13-15]。目前，水力沖孔技術雖在煤礦增透、消突中取得了良好的成績，但水力沖孔合理的鉆孔布置參數及破煤量還是以現場經驗為主，并且用現場實測法進行井下測定周期長，嚴重影響了水力沖孔施工效率，如何合理高效確定水力沖孔關鍵參數，對于水力沖孔工藝具有重要的意義。因此，基于COMSOL-Multiphysic數值模擬軟件，研究不同破煤量、不同抽采時間條件下的煤層瓦斯壓力分布規律特征，確定了水力沖孔有效影響半徑與沖出煤量、抽采時間的相關關系，并通過現場考察，以期為礦井水力沖孔的關鍵參數設計提供了重要的理論支撐。

1 工程概況

以某礦3號煤層為工程背景，模擬不同抽采時間條件下不同破煤量對有效影響范圍的影響。該礦屬于煤與瓦斯突出礦井，主采煤層為3號煤層，煤厚4.7～7.21 m，平均6.12 m；煤層沉積穩定，結構較簡單，屬貧瘦煤種；煤層原始瓦斯含量9.5～11.05 m3/t，瓦斯壓力1.28 MPa，瓦斯放散初速度指標Δp為10～11，透氣性系數在0.28 m2/(MPa2·d)；煤層頂板主要為淺灰色砂質泥巖，煤層底板主要為泥巖或砂巖。試驗區整體呈單斜構造，未發現陷落柱等，地質構造較簡單。

2 水力沖孔強化瓦斯抽采的數值模擬

水力沖孔是一種被證明有效的煤層卸壓增透技術，該技術在我國碎軟低透煤層瓦斯抽采過程中具有廣泛的應用，但大多以穿層鉆孔水力沖孔的方式為主。針對順層鉆孔采用水力沖孔措施，采用COMSOL-Multiphysics數值模擬軟件對不同破煤量、不同抽采時間的條件下水力沖孔后鉆孔周圍瓦斯壓力變化，研究抽采有效影響半徑變化規律。

2.1 模型基本假設條件

根據某礦地質條件及煤層的瓦斯賦存條件，通過COMSOL-Multiphysics模擬軟件建立順層鉆孔瓦斯流動的流固耦合模型。假設所研究煤層的滲透率遠遠大于頂底板巖層的滲透率，因此，將頂底板巖層可看成不透氣巖層，瓦斯僅僅在煤體內運移。將煤層各處滲透率均視為同一值，其破壞變形滿足Mohr-Coulomb準則；將煤層瓦斯參數理想化，瓦斯滲流按等溫過程來處理，并且完全服從理想氣體方程；此外，假設瓦斯吸附符合朗格繆爾理想方程，瓦斯解吸瞬間完成。

2.2 數值模型建立

數值模擬以該礦煤層實際賦存條件為基礎，模型尺寸為50 m×18 m。其中，煤層厚度為6 m，頂底板巖層厚度各為6 m，煤層頂部加載載荷為8 MPa，煤層頂底板為不透氣巖層，左右為滾支邊界，模型底部為固定約束，初始速度場和位移場為0，煤層瓦斯壓力為1.38 MPa，鉆孔抽采負壓25 kPa，煤層內布置φ113 mm水力沖孔鉆孔，所建立的瓦斯抽采模型如圖1所示，具體瓦斯抽采模擬參數見表1。

圖1 瓦斯抽采模型

表1 數值模擬參數

2.3 模型合理性研究

根據模擬φ113 mm未沖孔鉆孔可得，φ113 mm抽采180 d時，在距離鉆孔3.0 m處的瓦斯壓力降低到0.74 MPa，則經過該模型模擬得出的有效影響半徑為3.0 m，如圖2所示。與礦方資料報告的“φ113 mm順層鉆孔180 d，有效抽采半徑為2.9 m”對比可得，實際抽采情況與該模型模擬得出的結果基本相同，分析說明建立的該模型合理且參數適用。

圖2 原始鉆孔瓦斯壓力影響曲線

2.4 模擬結果

在破煤量分別為0.5 t/m、0.8 t/m、1.0 t/m和1.2 t/m的情況下，水力沖孔形成的孔洞等效半徑分別為0.69 m、0.86 m、0.96 m和1.10 m。為了考察沖出煤量對鉆孔周圍產生的卸壓增透效果，對0.5 t/m、0.8 t/m、1.0 t/m和1.2 t/m這4種沖出煤量的沖孔鉆孔進行模擬，得出結果如圖3所示。

圖3 不同破煤量下的瓦斯壓力變化趨勢

通過破煤量分別為0.5 t/m、0.8 t/m、1.0 t/m、1.2 t/m下的瓦斯壓力影響曲線可知，當單孔破煤量為0.5 t/m時，即水力沖孔等效孔徑約為0.69 m，此時鉆孔在10 d、60 d、120 d及180 d時的抽采有效影響范圍為0.23 m、2.58 m、3.24 m和4.82 m。當單孔破煤量為0.8 t/m時，即水力沖孔等效孔徑約為0.86 m，此時在10 d、60 d、120 d及180 d抽采時長下的有效影響范圍為0.28 m、2.87 m、3.74 m和5.23 m。當單孔的破煤量增大至1.0 t/m，即水力沖孔等效孔徑約為0.96 m，鉆孔在抽采時長為10 d、60 d、120 d及180 d的抽采有效影響范圍為0.33 m、2.93 m、3.81 m和5.37 m。當單孔的破煤量增大至1.2 t/m，即水力沖孔等效孔徑約為1.10 m，鉆孔在抽采時長為10 d、60 d、120 d及180 d的抽采有效影響范圍為0.38 m、3.12 m、3.92 m和5.41 m。

進一步研究分析可知，在相同的抽采時間條件下，經水力沖孔措施的鉆孔抽采有效影響范圍比原始鉆孔有效影響范圍更大，并且隨著破煤量增加，鉆孔瓦斯抽采的有效影響范圍增大，但增長的速度逐漸減緩。由此說明水力沖孔作用下煤體中產生了較大的空洞，使鉆孔周圍煤體應力重新分布，孔洞附近煤體出現卸壓區，在卸壓區煤體孔隙和裂隙不斷擴展、破裂和貫通，從而大幅增加煤體透氣性，極大提高了瓦斯抽采效率。由圖3可以看出，4條曲線的間距越來越小，即瓦斯壓力隨抽采時間的延長而減小，最終趨近于煤層原始瓦斯壓力。

3 水力沖孔效果考察

為驗證模擬結果合理性，擬采用流量法在現場進行試驗測定其鉆孔的有效影響范圍。流量法測定有效影響范圍的原理是在水力沖孔施工后沖孔影響范圍內的煤體打破原有應力和瓦斯的平衡狀態，使得鉆孔附近煤體卸壓形成孔洞，導致煤體裂隙得到擴展，瓦斯運移的通道貫通，大量瓦斯通過孔洞、裂隙得以釋放，瓦斯從瓦斯壓力高的區域向低的區域移動，煤層透氣性系大大提高，鉆孔瓦斯濃度將大幅增大，瓦斯抽采量將顯著上升。因此，通過對比分析水力沖孔前后鉆孔瓦斯抽采濃度來判斷水力沖孔的影響范圍。

現場試驗順層鉆孔水力沖孔破煤量為1.0 t/m，沖孔孔徑為0.96 m時，現場實測水力沖孔瓦斯抽采的有效影響范圍。先后施工1#、2#考察孔和水力沖孔鉆孔。1#考察孔距水力沖孔鉆孔3 m，2#考察孔距水力沖孔鉆孔4.5 m，現場具體鉆孔施工布置方式如圖4所示。

圖4 鉆孔施工布置示意

按照上述方案分析前60 d的1#、2#考察孔的瓦斯濃度的變化趨勢，如圖5所示。距離水力沖孔鉆孔3 m的1#考察孔在抽采時間為60 d內，濃度快速上升后逐漸穩定在62%左右。距離水力沖孔鉆孔4.5 m的2#考察孔抽采瓦斯濃度穩定在21%左右，無明顯增長趨勢。根據現場測定的結果，抽采60 d時，順層鉆孔水力沖孔破煤量為1.0 t/m，沖孔孔徑為0.96 m時，水力沖孔鉆孔的瓦斯抽采有效影響半徑為3 m。綜合分析模擬結果與現場試驗結果，兩者瓦斯抽采有效影響范圍的數值基本一致，并且經水力沖孔改造后鉆孔的平均瓦斯濃度是普通鉆孔的3倍，煤體透氣性大幅增加，極大提高了瓦斯抽采效率。

圖5 鉆孔瓦斯濃度變化

4 結論

(1)在相同的抽采時間條件下，經水力沖孔措施的鉆孔抽采有效影響范圍比原始鉆孔有效影響范圍更大，并且隨著破煤量增加，鉆孔瓦斯抽采的有效影響范圍增大，但增長的速度逐漸減緩。60 d抽采時長下單孔破煤量為0.5 t/m、0.8 t/m、1.0 t/m、1.2 t/m時對應的有效影響范圍分別為2.58 m、2.87 m、2.93 m、3.12 m。

(2)通過現場實測的方法測定瓦斯抽采有效影響半徑與模擬結果基本一致，說明了該模型可以較好的反映沖孔前后真實的瓦斯抽采情況。

(3)通過數值模擬水力沖孔影響范圍確定后，對于鉆孔布孔參數具有指導意義，并且經水力沖孔改造后鉆孔的平均瓦斯濃度是普通鉆孔的3倍，水力沖孔措施可大幅增加煤體透氣性，極大提高了煤層瓦斯抽采效率。