成莊礦水力沖孔提高抽采效果的數(shù)值模擬研究

李 峰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)胡底煤業(yè)，山西 晉城 048006）

隨著煤層開采深度的增加和采煤機(jī)械化程度的提高，瓦斯治理的難度越來(lái)越大，為了杜絕“瓦斯超限就是事故”情況的發(fā)生，在瓦斯抽采效果不理想的條件下，采取水力沖孔措施增大煤層的透氣性，從而提高瓦斯抽采效果。但通過(guò)水力化措施將高壓水注入煤體后，煤體內(nèi)的瓦斯運(yùn)移狀態(tài)及對(duì)煤體變形的影響情況成為了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中需要解決的理論性課題[1-4]。

1 水力沖孔煤體破壞機(jī)理

鉆孔在高壓水的作用下發(fā)生起裂后,水在注水壓力下進(jìn)入煤層之中,并在煤層中的層理面、切割裂隙以及原生裂隙等各級(jí)弱面內(nèi),通過(guò)對(duì)弱面面壁產(chǎn)生內(nèi)水壓力而產(chǎn)生空間上的膨脹，促使該級(jí)弱面發(fā)生繼續(xù)擴(kuò)展和延伸，并逐漸在煤巖中相互連通，形成貫通網(wǎng)絡(luò)，造成煤層的壓裂分解，最終導(dǎo)致在鉆孔周圍形成一個(gè)煤巖軟化帶，進(jìn)而使得在這個(gè)軟化帶中煤巖的裂隙導(dǎo)通，大大提高了煤巖透氣性[5-6]。本文通過(guò)對(duì)煤巖水力沖孔軟化前后的瓦斯抽放效果進(jìn)行對(duì)比研究，為探討瓦斯開發(fā)技術(shù)方案提供理論依據(jù)。

水力沖孔破壞主要表現(xiàn)在煤體壓裂和煤層軟化兩個(gè)方面。其中煤層軟化又包括吸附和浸潤(rùn)作用、楔入作用、水合作用以及溶解作用[7-10]。

2 瓦斯抽采數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

結(jié)合成莊礦4217/4222巷水力沖孔鉆孔的布置情況，確定了各有關(guān)參數(shù)的取值，如表1所示，水力沖孔鉆孔布置示意圖如圖1所示。

表1 水力沖孔鉆孔布置參數(shù)

圖1 水力沖孔鉆孔布置示意圖

1）水力沖孔注水參數(shù)以成莊礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其中封孔長(zhǎng)度選取為2.0 m，注水壓力選取12 MPa，掘進(jìn)巷道注入水量不少于1.2 m3/m，整個(gè)注水過(guò)程耗時(shí)約2.0 h，上覆巖層和下覆巖層厚度均取1.5 m。

2）邊界條件：5個(gè)孔長(zhǎng)度皆為13 m，并按照“以縫代孔”原則將瓦斯抽放孔簡(jiǎn)化為定壓力邊界，向5個(gè)孔同時(shí)注水。四周和上下面均為零通量不透水邊界；四周和下部都對(duì)法線方向的位移進(jìn)行約束，上部邊界作用有10 MPa的外部載荷，以模擬上覆巖層的自重。區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)按照由泊松效應(yīng)求得的自重應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

基于如上模型設(shè)置，可以建立如下頁(yè)圖2所示的三維有限元計(jì)算模型。劃分的有限元網(wǎng)格如下頁(yè)圖3所示，計(jì)算區(qū)域材料參數(shù)按照下頁(yè)表2選取。如圖2所示，L1為平行于孔2軸向的一條平行線，L2為垂直于L1的一條垂線。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

表2 模型相關(guān)參數(shù)

2.2 計(jì)算方案

利用圖2、圖3所示模型，將水力沖孔的巖石軟化結(jié)果導(dǎo)入瓦斯抽放模型中，以5個(gè)孔作為瓦斯抽放孔，同時(shí)進(jìn)行瓦斯抽放作業(yè)。瓦斯抽放孔按照“以縫代孔”原則簡(jiǎn)化為定壓力邊界（25 kPa）。

1）邊界條件：四周和上下面均為零通量不透氣邊界；四周和下部都對(duì)法線方向的位移進(jìn)行約束，上部自由且作用有10 MPa的外部載荷，同時(shí)模型具有自重載荷。

2）初始條件：內(nèi)部有1 MPa的初始瓦斯壓力，5個(gè)抽放孔的壓力皆為0.25×105Pa。

3）模擬時(shí)間：模擬時(shí)間為10 d。

4）計(jì)算方案：模擬不同時(shí)間條件下，水力沖孔后的瓦斯運(yùn)移規(guī)律。

5）計(jì)算參數(shù)：相關(guān)參數(shù)如表1所列。

2.3 模擬結(jié)果分析

圖4—圖9為有水力沖孔及無(wú)水力沖孔作用下瓦斯抽放過(guò)程中不同時(shí)刻的瓦斯壓力分布圖。由圖表明，瓦斯抽放過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，孔邊瓦斯壓力降低區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，當(dāng)時(shí)間為864 000 s時(shí)，5個(gè)瓦斯抽放孔之間連成較大范圍的低壓瓦斯區(qū)域，并且通過(guò)對(duì)比有水力沖孔作業(yè)和無(wú)水力沖孔作業(yè)的瓦斯抽放壓力，可以看出，有水力沖孔的低壓力瓦斯區(qū)域遠(yuǎn)大于無(wú)水力沖孔情況下的低壓瓦斯區(qū)域。對(duì)比圖10、圖11可以看出，圖11的3個(gè)抽放孔周圍瓦斯壓力降低較快，并且范圍遠(yuǎn)大于圖10，鉆孔與鉆孔之間的疊加壓力區(qū)降低極為明顯，這說(shuō)明水力沖孔不僅能軟化煤巖，并且使軟化帶內(nèi)煤巖的滲透性得到很大的提高，水力沖孔大大提高了瓦斯的抽放效果。瓦斯壓力在煤體中的大幅降低也說(shuō)明了水力沖孔作用對(duì)瓦斯抽放和瓦斯卸壓都有很好的效果。

圖4 t=1 s時(shí)的瓦斯壓力（Pa）等表面圖

圖5 t=172 800 s（2 d）時(shí)的瓦斯壓力（Pa）等表面圖

圖6 t=345 600 s（4 d）時(shí)的瓦斯壓力（Pa）等表面圖

圖7 t=518 400 s（6 d）時(shí)的瓦斯壓力（Pa）等表面圖

圖9 t=864 000 s（10 d）時(shí)的瓦斯壓力等表面圖

圖10 L2切面位壓置力抽分采布情曲況線下隨時(shí)間變化瓦斯

圖11 切線位置抽采對(duì)情比況曲下線t=1 s時(shí)的瓦斯壓力

3 結(jié)論

通過(guò)建立水力沖孔的煤巖損傷模型及考慮煤巖吸附、解析的含瓦斯煤巖耦合作用模型，采用COMSOL-Multiphysics有限元軟件，研究了水力沖孔下的煤巖力學(xué)性能和水力沖孔后的瓦斯運(yùn)移規(guī)律。得到如下結(jié)論：

1）研究表明，對(duì)煤巖進(jìn)行水力沖孔作業(yè)，注水孔周圍孔隙水壓力將不斷變大，在經(jīng)過(guò)2 h的水力沖孔后，孔隙水壓力的影響半徑達(dá)到最大值，約為2 m，并且在研究中發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力的影響半徑變化規(guī)律是，注水前期變化大，注水時(shí)間越久，對(duì)半徑變化影響越小，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)趨于穩(wěn)定狀態(tài)；

圖8 t=691 200 s（8 d）時(shí)的瓦斯壓力等表面圖

2）在水力沖孔作業(yè)過(guò)程中，由于水壓較大，造成煤巖壓裂分解，最終導(dǎo)致在鉆孔周圍形成一個(gè)煤巖損傷帶，同時(shí)由于煤炭損傷帶的產(chǎn)生，在損傷帶內(nèi)煤巖孔隙變大，從而導(dǎo)致煤巖滲透性的提高；

3）水力沖孔有效地提高了瓦斯的抽放效果，對(duì)瓦斯抽放卸壓也有顯著作用，對(duì)于采取相應(yīng)的瓦斯開采、預(yù)防和控制措施等具有重要的理論和實(shí)踐意義。