水力沖孔增透關(guān)鍵參數(shù)模擬及應(yīng)用研究

付京斌

摘? ?要：本文針對(duì)不同煤體強(qiáng)度特征，如何選用沖孔孔徑和抽采半徑開展了一些研究，確定了水力沖孔治理低透氣性煤層瓦斯的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵參數(shù)，提高了瓦斯治理效果。依據(jù)煤體堅(jiān)固性系數(shù)f值，模擬分析了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)孔徑的水力參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn);依據(jù)煤層瓦斯壓力和水力沖孔孔徑模擬分析了瓦斯抽采半徑范圍。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性，為水力沖孔增透技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了支撐，提高了施工效率。

關(guān)鍵詞：水力沖孔? 高壓水射流? 關(guān)鍵參數(shù)? 透氣性? 抽采半徑

為了消除低透氣性煤層開采過(guò)程中的瓦斯災(zāi)害，我國(guó)煤炭企業(yè)采取了多種技術(shù)措施：水力切縫強(qiáng)化抽采技術(shù)、深孔控制爆破技術(shù)、旋轉(zhuǎn)水力擴(kuò)孔技術(shù)、密集長(zhǎng)鉆孔技術(shù)等[1-6]。上述技術(shù)措施能夠消除低透氣性煤層的瓦斯危害，但是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝要求高，影響部分技術(shù)的普遍推廣應(yīng)用。高壓水射流沖孔（水力沖孔）促進(jìn)了瓦斯的有效釋放，瓦斯壓力大幅度降低，使得氣體分子在煤體壁面上的滑流現(xiàn)象減弱，從而使煤體滲透率提高，達(dá)到卸壓增透、提高抽采半徑的目的。

但是針對(duì)不同煤體強(qiáng)度特征，如何選用沖孔孔徑和抽采半徑是鉆沖一體化水力沖孔增透裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵。因此，論文通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，確定水力沖孔治理低透氣性煤層瓦斯的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵參數(shù)，提高該裝置的適用性。

1? 水射流有效沖擊速度及沖孔孔徑模擬

1.1 水射流破煤原理

高壓水射流高速?zèng)_擊煤體，通過(guò)射流的動(dòng)能的改變使煤體破碎。根據(jù)巖石堅(jiān)固性系數(shù)（普氏系數(shù)）f表征的是巖石抵抗破碎的相對(duì)值。因?yàn)閹r石的抗壓能力最強(qiáng)，故把巖石單軸抗壓強(qiáng)度極限的1/10作為巖石的堅(jiān)固性系數(shù)。得出不同堅(jiān)固系數(shù)，煤體破碎所需的流體射速之間的關(guān)系，如圖1所示。

1.2 沖孔孔徑數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬模型尺寸為2m×0.5m，區(qū)域內(nèi)為空氣，在20℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，其密度為675.845kg/m?，動(dòng)力粘度為1.81×10-5Pa·s，共劃分4664個(gè)單元。在空氣區(qū)域左側(cè)中部為1個(gè)射流出口，其密度為1000kg/m?，動(dòng)力粘度為1.005×10-3Pa·s，選定水射流的出口射速分別設(shè)為100～300m/s。

由水射流出口射速可以得出，在不同射速的流體流動(dòng)狀態(tài)及流型基本相同。在固定的槍嘴參數(shù)下，隨著射速的增加，對(duì)相同參數(shù)煤層作用的有效距離及范圍逐漸擴(kuò)大，鉆孔擴(kuò)大倍數(shù)也就越大，水力沖孔的卸壓增透效果也隨之更加明顯。通過(guò)不同的射流速度與煤體參數(shù)可計(jì)算水射流沖孔孔徑，如表1所示。

2? 水力沖孔影響范圍數(shù)值模擬

采用COMSOL-Multiphysics模擬軟件對(duì)不同沖煤量鉆孔瓦斯壓力隨抽采時(shí)間的變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬過(guò)程中，依據(jù)2#煤層情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[10-11]。

在數(shù)值模擬過(guò)程中，礦井資料可知原始瓦斯壓力在0.8MPa左右，所以當(dāng)瓦斯壓力下降到原始?jí)毫?0%及其以下的時(shí)候所對(duì)應(yīng)的距離可以認(rèn)為是水力沖孔的影響范圍。

通過(guò)模擬可以得出結(jié)論：在沖孔過(guò)程中，原始瓦斯壓力在0.8MPa左右時(shí)，經(jīng)一定時(shí)間瓦斯抽采后，在距鉆孔7m的地方，煤體中的瓦斯壓力下降至0.56MPa以下，認(rèn)為其特定時(shí)間的有效抽采半徑為7m。

礦井原始瓦斯壓力在0.8MPa，所以當(dāng)瓦斯壓力下降到原始?jí)毫?0%及其以下的時(shí)候所對(duì)應(yīng)的距離可以認(rèn)為是水力沖孔的影響范圍。當(dāng)煤層瓦斯壓力越大時(shí)，煤層瓦斯有效抽放半徑越小;當(dāng)煤層瓦斯壓力一定時(shí)，有效抽放半徑隨水力沖孔孔徑增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。不同孔徑和瓦斯壓力時(shí)，瓦斯抽采半徑變化規(guī)律如表2所示。

3? 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

依據(jù)峰峰集團(tuán)羊東礦2#煤瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)包括：煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力、煤體堅(jiān)固性系數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬確定裝置的射速，水壓、流量和沖孔半徑等等。具體參數(shù)見表3。

穿層鉆孔共布置7個(gè)鉆孔平行布置。1#孔進(jìn)行水力沖孔，2#-7#為考察測(cè)壓孔，與抽采孔的間距在其間距7～12m。根據(jù)各測(cè)壓孔瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化情況，測(cè)定鉆孔壓力變化。

考察孔徑的鉆孔壓力可以得出如下規(guī)律：各鉆孔瓦斯壓力在鉆孔開始抽采后，先是呈跳躍式變化，但總體呈下降趨勢(shì);觀測(cè)孔與抽采孔的距離越大，下降至有效抽采線所需抽采時(shí)間就越長(zhǎng)，超出抽采有效影響范圍之外后鉆孔瓦斯壓力無(wú)變化。鉆孔有效抽采半徑測(cè)定結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比見表4。

因此，依據(jù)模擬分析結(jié)果，能夠指導(dǎo)鉆沖一體化水力沖孔裝置的參數(shù)的選取和瓦斯抽采半徑的確定，提高了低透氣性煤層瓦斯治理效果，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

4? 結(jié)論

論文通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，確定了水力沖孔治理低透氣性煤層瓦斯的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵參數(shù)，提高了瓦斯治理效果。論文主要成果：

（1）確定沖孔孔徑的參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)煤體堅(jiān)固性系數(shù)f值，可以通過(guò)調(diào)節(jié)出水口水壓來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)孔徑，為現(xiàn)場(chǎng)水力參數(shù)調(diào)節(jié)提供了參考;

（2）確定抽采半徑的參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)煤層瓦斯壓力，可以通過(guò)調(diào)節(jié)水力沖孔孔徑達(dá)到目標(biāo)抽采半徑，為水力沖孔防突技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了支撐，提高了施工效率。

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