基于煤體采動(dòng)裂隙場(chǎng)分區(qū)的瓦斯流動(dòng)數(shù)值分析

齊慶新,彭永偉,汪有剛,李宏艷,李春睿

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院科技發(fā)展部,北京 100013; 3.煤炭資源開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013; 4.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;5.山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西晉城 048021)

應(yīng)用基礎(chǔ)

基于煤體采動(dòng)裂隙場(chǎng)分區(qū)的瓦斯流動(dòng)數(shù)值分析

齊慶新1,2,3,彭永偉1,4,汪有剛1,5,李宏艷2,3,李春睿1,4

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院科技發(fā)展部,北京 100013; 3.煤炭資源開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013; 4.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;5.山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西晉城 048021)

提出了工作面前方煤體采動(dòng)裂隙分區(qū)的概念,將工作面前方煤體分為 9個(gè)不同的裂隙區(qū),每個(gè)區(qū)裂隙發(fā)育特征不相同。認(rèn)為工作面前方煤體存在反的“C”形裂隙發(fā)育帶,是瓦斯流動(dòng)活躍區(qū)域。利用數(shù)值模擬手段,對(duì)分區(qū)與不分區(qū)條件下的瓦斯壓力特征與抽放時(shí)瓦斯流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,裂隙分區(qū)條件下的瓦斯流動(dòng)與實(shí)際條件更為符合。

采動(dòng)裂隙場(chǎng);分區(qū);瓦斯流動(dòng);數(shù)值模擬

對(duì)于賦存于地下的煤體,在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史演變過(guò)程中,經(jīng)受了不同大小和不同方向的多期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的長(zhǎng)期作用,同時(shí)由于煤體本身結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性,導(dǎo)致了原生裂隙場(chǎng)結(jié)構(gòu)面分布的隨機(jī)性、形態(tài)多樣性、分布不均勻性和空間組合復(fù)雜性。而煤體采動(dòng)裂隙場(chǎng)的發(fā)育、演化就更為復(fù)雜和難以研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的研究取得一定進(jìn)展[1-7],對(duì)于裂隙的模擬也有一定的成果。但是對(duì)于采礦工程學(xué)科而言,煤體采動(dòng)裂隙 (場(chǎng))分布有何特征?以及此條件下煤體的瓦斯的流動(dòng)規(guī)律有什么特點(diǎn)?本文在這方面做了一些嘗試。

1 煤體采動(dòng)裂隙發(fā)育的分區(qū)性

在工作面形成 (掘進(jìn)及開(kāi)切眼)和回采過(guò)程中,工作面前方煤體,要受到采動(dòng)的影響,有時(shí)還要受到相鄰工作面的影響。一般情況下,可以認(rèn)為工作面前方煤體的受力是不均勻的,煤體內(nèi)的裂隙受采動(dòng)影響程度亦有不同。

煤體采動(dòng)裂隙場(chǎng)與煤體采動(dòng)應(yīng)力密切相關(guān),由采動(dòng)應(yīng)力的分區(qū)性,及綜合分析煤體的變形特征,可以推測(cè)出采動(dòng)裂隙場(chǎng)也具有分區(qū)性。據(jù)此,將工作面前方煤體裂隙分為 9個(gè)區(qū)域,各區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育特征如圖1所示。

沿工作面推進(jìn)方向:Ⅰ為采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū);Ⅱ?yàn)椴蓜?dòng)裂隙閉合區(qū);Ⅲ為原生裂隙區(qū);Ⅳ,Ⅶ為采動(dòng)裂隙密集區(qū);在整個(gè)工作面前方煤體存在一個(gè)反的“C”形裂隙發(fā)育帶,即Ⅰ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ,Ⅸ,Ⅷ區(qū)構(gòu)成。此帶為瓦斯流動(dòng)活躍區(qū)域。

圖 1 工作面前方煤體采動(dòng)裂隙場(chǎng)分區(qū)

Ⅰ,Ⅳ,Ⅶ區(qū)位于超前采動(dòng)應(yīng)力降低區(qū)內(nèi);Ⅱ,Ⅴ,Ⅷ區(qū)位于超前采動(dòng)應(yīng)力升高區(qū)內(nèi);Ⅲ區(qū)位于原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)。

上述煤體采動(dòng)裂隙場(chǎng)分區(qū)的提出,為進(jìn)一步深入煤體內(nèi)瓦斯流動(dòng)規(guī)律提供了研究思路。

2 分區(qū)條件下的瓦斯流動(dòng)特征

以某礦實(shí)際工作面為背景,分別以無(wú)采動(dòng)裂隙分區(qū)和有采動(dòng)裂隙分區(qū)對(duì)瓦斯流動(dòng)進(jìn)行模擬。采動(dòng)裂隙分區(qū)的原則以實(shí)測(cè)的支承壓力分布結(jié)合數(shù)值模擬確定,限于篇幅不在詳細(xì)論述。模型長(zhǎng)為 200m (工作面長(zhǎng)度),寬 220m,瓦斯密度 0.7174kg/m3,黏度系數(shù) 1.8e-5Pa·s,初始瓦斯壓力 4.02e5Pa。模型左部邊界為不透氣邊界,其余邊界為1.01325e5Pa的壓力邊界。無(wú)分區(qū)的煤體滲透率為實(shí)測(cè)值 15e-15m2。而采動(dòng)裂隙分區(qū)內(nèi)的滲透率按文獻(xiàn) [4]選取。模擬結(jié)果如圖 2、圖 3所示。無(wú)分區(qū)條件下的瓦斯壓力分布較均勻,滲流速度矢量的分布也呈均勻的散布態(tài)向煤壁涌出。采動(dòng)裂隙分區(qū)條件下的瓦斯壓力分布與瓦斯?jié)B流則呈現(xiàn)出區(qū)域性特征。在煤體四周存在一個(gè)反“C”形的瓦斯流動(dòng)活躍帶,這與實(shí)際情況更符合。

3 瓦斯抽放分析

為進(jìn)一步分析,模擬無(wú)分區(qū)與采動(dòng)裂隙分區(qū)條件的瓦斯抽放。模擬參數(shù)為:沿工作面前方 10m處開(kāi)始布置瓦斯抽放孔,由于模擬工作面為對(duì)稱(chēng)圖形,僅模擬抽放孔沿一側(cè)布置的情況。模擬的鉆孔孔徑為 94mm,孔深 90m,孔間距 10m,共 10個(gè)孔,抽放孔負(fù)壓為 80kPa,其余參數(shù)同前。

圖2 瓦斯壓力分布

圖3 瓦斯?jié)B流速度矢量

圖 4為無(wú)分區(qū)與采動(dòng)裂隙分區(qū)條件下的瓦斯抽放壓力分布云圖。采動(dòng)裂隙分區(qū)條件下的鉆孔有效半徑更大些,瓦斯流量也較無(wú)分區(qū)時(shí)大的多,圖 5的采動(dòng)裂隙分區(qū)條件的瓦斯壓力分布等值線也更清晰的表明,采動(dòng)裂隙分區(qū)條件的瓦斯抽放模擬更符合實(shí)際。

4 結(jié)論

提出了工作面前方煤體采動(dòng)裂隙分區(qū)的概念,將工作面前方煤體分為 9個(gè)不同的裂隙區(qū),每個(gè)區(qū)裂隙發(fā)育特征不相同。通過(guò)模擬表明工作面前方煤體存在反的“C”形裂隙發(fā)育帶,是瓦斯流動(dòng)活躍區(qū)域。利用數(shù)值模擬手段,對(duì)分區(qū)與不分區(qū)條件下瓦斯壓力特征與抽放時(shí)瓦斯流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,裂隙分區(qū)條件下的瓦斯流動(dòng)與實(shí)際條件更符合。本文的研究還處于初步階段,不同分區(qū)條件下煤體采動(dòng)裂隙的統(tǒng)計(jì)特征及其與滲透率、瓦斯涌出量之間的關(guān)系等是今后的重點(diǎn)研究方向。

圖4 抽放條件下瓦斯分布

圖 5 煤體采動(dòng)裂隙分區(qū)條件下抽放瓦斯壓力分布等值線

[1]周世寧 .瓦斯在煤層中流動(dòng)的機(jī)理 [J].煤炭學(xué)報(bào),1990, 15(1):61-67.

[2]孔祥言.高等滲流力學(xué) [M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1999.

[3]梁 冰,章夢(mèng)濤,王泳嘉 .煤層瓦斯流與煤體變形的耦合數(shù)學(xué)模型及數(shù)值解法 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1996,15 (2):135-142.

[4]彭永偉,齊慶新,李宏艷,鄧志剛 .煤體采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化與瓦斯?jié)B流耦合數(shù)值模擬 [J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009, 28(S):229-231.

[5]彭永偉 .高強(qiáng)度開(kāi)采煤體采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化及其與瓦斯流動(dòng)場(chǎng)耦合作用研究 [D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2008.

[6]齊慶新,李宏艷,鄧志剛,等 .高強(qiáng)度采動(dòng)含瓦斯煤體滲透率演化規(guī)律研究 [A].2007中國(guó) (淮南)煤礦瓦斯治理技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集 [C].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2007.

[7]胡千庭 .礦井瓦斯防治技術(shù)優(yōu)選——煤與瓦斯突出和爆炸防治 [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[責(zé)任編輯:王興庫(kù)]

Numerical Analysis ofM ethane Flow Based on D istricting Coal Body′s Crack Field Induced byM in ing

Q IQing-xin1,2,3,PENG Yong-wei1,4,WANG You-gang1,5,L IHong-yan2,3,L IChun-rui1,4

(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Department of Science&Technology,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.State KeyLaboratory of CoalMining&Environment Protection(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China; 4.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China; 5.Shanxi TiandiWangpo Coal Co.,Ltd,Jincheng 048021,China)

This paper put forward the concept of districting coal body ahead ofmining face into 9 subareaswhich had respective different crack development characteristic on the basis ofmining crack field.There was an inverse“C”shape crack zone ahead of mining face where methane was active.It researched methane pressure characteristic and methane flow rule in drainage under districting and non-districting condition.Results showed thatmethane flow under districting condition was fitter for actual situation.

mining cracked field;subarea;methane flow;numerical simulation

TD712.51

A

1006-6225(2010)05-0008-03

2010-07-27

“973”項(xiàng)目“采動(dòng)應(yīng)力裂隙場(chǎng)時(shí)空演化與瓦斯流動(dòng)場(chǎng)耦合效應(yīng)”(2005CB221503),“煤層群煤與瓦斯共采時(shí)空協(xié)同機(jī)制及技術(shù)優(yōu)化方法”(2011CB201206)

齊慶新 (1964-)男,吉林長(zhǎng)春人,滿(mǎn)族,研究員、博士生導(dǎo)師,從事深部開(kāi)采與沖擊礦壓、巖石力學(xué)等理論與技術(shù)研究。