水力沖孔卸煤量對增透效果影響分析

候海兵，李亞西

(1.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室 省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003)

隨著煤田開采深度的不斷增加，地應力與瓦斯壓力不斷加大，瓦斯保存條件較好，煤層透氣性差，水力沖孔封孔聯(lián)抽措施成為降低煤層瓦斯、防治煤與瓦斯突出一種重要措施[1]。但沖孔鉆孔卸煤量的多少是影響施工工程量、增透效果以及頂板支護安全的重要因素，卸煤量過大，施工工程量較大，浪費人力物力，且頂板支護安全得不到保障，在回采時容易冒頂，造成安全隱患；卸煤量過小，工程量雖小，但增透效果不好。因此，確定合理卸煤量是確立布孔間距和提高瓦斯抽采效果以及保證煤礦安全生產(chǎn)的關鍵技術之一[1-3]。以鶴壁中泰礦業(yè)公司二1煤層實際賦存條件為依托展開研究，利用RFPA2D-Flow軟件，模擬水力沖孔不同卸煤量下的煤體卸壓范圍和瓦斯流量變化規(guī)律，對真實破壞過程進行有限元解算，根據(jù)結(jié)果確定出合理卸煤量，為礦井水力沖孔方案提供依據(jù)。

1 水力沖孔防突原理

水力沖孔是利用高壓水射流以巖體或煤柱為掩護屏障進行沖孔,此過程會沖出大量的煤與瓦斯,煤體形成孔徑較大的空洞，使得應力狀態(tài)重新分布，在孔洞周圍形成一定區(qū)域的卸壓帶，卸壓區(qū)域內(nèi)應力降低，煤體原生孔隙和裂隙不斷擴展、破裂和貫通，滲透率加大，煤層透氣性增大，原始瓦斯吸附解吸平衡被打破，大量吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，隨這些孔道流向鉆孔，抽采率顯著提高；煤的塑性增高和濕度增加，達到既消除突出的動力、又改變突出煤層物理性質(zhì)的目的，達到較好的防突效果[4-8]。

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬運用RFPA2D-Flow軟件，鉆孔周圍煤巖介質(zhì)離散化成由細觀基元體組成的數(shù)值模型，為求解每個基元體上的應力、應變變化狀態(tài)，假定離散化后的細觀基元體的力學性質(zhì)服從weibull分布，由此建立細觀與宏觀介質(zhì)力學性能的聯(lián)系[9]。

2.1 煤巖體損傷本構關系

σ=(1-D)Θ=(1-D)Eε

(1)

式中：σ為柯西應力，MPa；D為損傷變量；E為無損傷煤體的彈性模量，MPa；Θ為有效應力，MPa。

運用具有殘余強度的彈脆性本構模型，模擬煤巖體的破壞特性，把數(shù)值模型視為煤巖基元體層次上的剪切破壞與拉伸破壞。單軸拉伸和壓縮下微觀基元的損傷本構模型[10]如圖1所示。

圖1 基元體單軸應力狀態(tài)下的彈-脆性本構關系

1) 當基元體處于壓縮或剪切狀態(tài)時，基元體損傷變量D表示為：

(2)

式中：fcr為抗壓或剪切殘余強度，MPa；εc0為最大壓應變。

2) 當基元體處于拉伸狀態(tài)時，基元體損傷變量D表示為：

(3)

式中:fcr為拉伸損傷殘余強度，MPa；εt0為彈性極限拉應變；εtu為最大應變；E0為初始彈性模量，MPa。

2.2 滲透系數(shù)-損傷演化方程

由于鉆孔在高壓水射流的沖擊下周圍煤巖體發(fā)生損傷破壞，從而造成基元煤體的滲透性發(fā)生變化，建立滲透性系數(shù)與損傷之間的演化關系方程。其中，當基元體處于壓縮或剪切狀態(tài)時，遵循Mohr-Coulomb準則[12]。

(4)

式中：σ1、σ3分別為最大最小主應力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；fc為單軸抗壓強度，MPa。

當損傷變量D滿足公式(2)時，基元的滲透系數(shù)為[13]：

(5)

式中：ζ為透氣系數(shù)增大倍率；λ0為初始透氣系數(shù)；α為瓦斯壓力系數(shù)；β為應力影響(耦合)系數(shù)；p為瓦斯壓力，MPa。

當損傷變量D滿足公式(4)時，基元的滲透系數(shù)為[13]：

(6)

式中：ζ'為單元破壞時透氣系數(shù)的增大系數(shù)。

2.3 建立模型

由于高壓水在鉆孔周圍沖刷煤巖體時會形成不規(guī)則的孔洞，為了方便處理與計算，假設鉆孔周圍煤體被沖出的孔洞為規(guī)則的圓形。將煤層頂?shù)装褰砸暈椴煌笟馔咚沽髁繛榱愕睦硐霠顟B(tài)，根據(jù)現(xiàn)場煤層的實際賦存狀態(tài)，采用二維建模，由于計算機性能局限，為了簡化模擬，建立三層數(shù)值模型，煤層位于第二層，根據(jù)以往資料，未沖孔鉆孔遠小于沖孔鉆孔的卸壓半徑，建立模型時，未沖孔鉆孔建立邊長為15 m×20 m的數(shù)值模型，劃分30 000單元；沖孔鉆孔，建立邊長為15 m×30 m的數(shù)值模型，劃分45 000單元；模型上下巖層3.5 m，煤厚8 m，每個單元代表0.1 m×0.1 m區(qū)域，瓦斯壓力為1.6 MPa。把未沖孔鉆孔卸煤量作為零來算，沖孔鉆孔根據(jù)等效孔徑計算，卸出煤量0 t/m、0.5 t/m、0.9 t/m、1.3 t/m的等效孔徑分別為0.1 m(鉆桿直徑0.094 m按0.1 m處理)0.6 m、0.9 m和1.1 m。在模型x方向加載圍壓7.5 MPa，y方向上加載垂壓15 MPa，模擬不同卸煤量下煤層卸壓半徑和瓦斯流量變化規(guī)律。

煤巖體力學參數(shù)如表1所示，RFPA2D-Flow 模擬軟件主要通過考慮材料破壞后單元弱化描述基元的損傷且破壞單元的力學特性變化是不可逆的。該次模擬分析不考慮煤層頂?shù)装宓膽ψ兓?，只考慮煤層沖孔鉆孔孔洞周圍的應力與瓦斯流量變化。

表1 煤巖層參數(shù)

數(shù)值模型考慮上覆巖層的自重問題，所以模型的第一步是計算上覆巖層的自重，孔洞開挖從第二步開始。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為了對模擬結(jié)果進行定量分析，對模型的剖面畫一條通過孔洞圓心的直線進行取值，繪制曲線圖分析。剖面數(shù)據(jù)提取如圖2中A-A所示，不同孔徑的模擬結(jié)果定量分析均采取以上數(shù)據(jù)提取方式，煤體應力和瓦斯流量變化如圖3、圖4所示。

圖2 模型剖面數(shù)據(jù)提取示意

圖3 不同孔徑下煤體應力

圖4 不同孔徑下瓦斯流量

由圖3和圖4可知，在釆取水力沖孔技術措施后，孔洞周圍的煤體受到高壓水射流作用而破碎，使得周圍煤體發(fā)生卸壓，所受應力減小，由于孔洞周圍的煤體破壞以及跨落排出，孔洞的應力已經(jīng)下降到0。隨著應力向深部的轉(zhuǎn)移，應力不斷增大，并出現(xiàn)應力集中區(qū)，同時煤體的瓦斯流量則隨著應力的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢。

在一定條件下，通過改變孔徑的大小來模擬分析不同卸煤量鉆孔周圍煤體的應力和瓦斯流量的變化關系。由模擬結(jié)果定量分析數(shù)據(jù)可得出不同孔徑下最大主應力、瓦斯流量以及卸壓半徑，如表2所示，散點折線如圖5、圖6所示,孔徑與卸壓半徑關系如7圖所示。

表2 不同孔徑下最大主應力、瓦斯流量以及卸壓半徑

圖5 最大主應力與孔徑大小的關系

圖6 最大流量與孔徑大小關系

圖7 孔徑與卸壓半徑的關系

隨著孔徑的增大，卸煤量自然相對增大，最大主應力呈線性增長，從23.7 MPa增大到26.5 MPa；卸壓半徑也越來越大，從0.7 m增加到6.2 m，但增加的速度越來越小，呈對數(shù)增長；孔徑0.6 m到0.9 m擴孔增長率5%，卸壓半徑增長率34%；孔徑從0.9 m到1.1 m擴孔增長率22%，卸壓半徑增長率13%.隨著擴孔的增加，擴孔增長率與卸壓半徑增長率越來越小，但最大主應力則是越來越大，綜合考慮經(jīng)濟與頂板安全問題，擴孔孔徑選擇0.9 m、平均卸煤量0.9 t/m為宜。對于最大瓦斯流量值，水平方向雖呈現(xiàn)增長趨勢，但垂直方向無規(guī)律性，即整體無規(guī)律性，瓦斯流量的增值變化范圍隨著卸壓半徑的增加而增大，表明在卸壓范圍內(nèi)孔裂隙發(fā)育，煤層透氣性較好。由表2可知，無論是卸壓半徑，還是瓦斯流量變化范圍，沖孔鉆孔的數(shù)值均遠大于未沖孔鉆孔。

綜上所述可知：水力沖孔措施的實施，使煤層應力得以重新分布，為裂隙的產(chǎn)生和擴展提供了條件，增加了透氣性，起到了較好的卸壓增透效果。

3 結(jié) 語

1) 隨孔徑(卸煤量)的增大煤體卸壓半徑增大，瓦斯流量大小雖無此規(guī)律，但瓦斯流量變化范圍與卸壓半徑具有一致性，表明卸壓半徑內(nèi)煤層透氣性較好，增透效果顯著。

2) 孔徑的增大伴隨著最大主應力也增大，而且卸壓半徑增加的百分比在呈對數(shù)減小，最終確定孔徑在0.9 m時的平均卸煤量0.9 t/m為合理卸煤量。