礦井“三量”可采期瓦斯抽放效率的研究

張 靜

（晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦，山西 大同 037001）

引言

煤層氣是一種綠色高效能源，廣泛應用于工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活中。但是，如果在煤礦開采過程中控制不好，煤層瓦斯將是煤礦災害的主要因素，如煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸，嚴重威脅安全生產。地下瓦斯抽放是降低瓦斯災害風險的最有效方法之一，煤層的滲透性是決定瓦斯抽放難度的重要因素，隨著開采深度的增加，地應力增大，滲透率進一步降低，瓦斯抽放難度加大礦井構造煤由于其黏結性弱、強度低、滲透性差的特點，瓦斯抽放尤為困難，是造成突出事故最多的原因[1]。

為了降低應力，提高單一構造煤層的滲透性，在瓦斯抽放實踐中采用了水力開縫、水力壓裂、高壓脈沖水射流和深孔爆破等技術。但這些措施對水壓要求較高，僅適用于硬度較低的煤層。硬煤層難以有效增加裂隙，軟構造煤層形成的裂隙網絡會迅速被充填，導致卸應力和增透效果較差[2]。此外，深孔爆破技術復雜，具有誘發(fā)煤與瓦斯突出的危險性。對于具有構造煤亞層的特殊厚煤層，如煤層，實現卸壓增透是目前急需解決的問題。為提高煤層瓦斯抽放效果，研制了液壓沖洗瓦斯抽放技術。通過數值模擬和現場實驗，探討了煤巖水力沖刷后應力釋放和滲透性增加的機理[3-4]。COMSOL Multiphysics 基于煤的損傷和瓦斯運移模型，模擬了煤的滲透率變化和瓦斯抽放效果。隨后進行了研究和驗證[5]。

1 煤層特征及工程技術

1.1 煤層地質構造特征

焦作礦區(qū)位于太行山大背斜的東南翼，是雜巖構造帶的聯合作用區(qū)域。在復雜的多期地質構造運動作用下，該區(qū)形成了一系列的擠壓-扭轉斷裂。在復雜的地質構造運動過程中，在壓扭斷層的擠壓、扭轉、滑動作用下，煤層內部發(fā)生沿層的韌性剪切，在煤層下部形成致密的層狀糜棱質構造煤亞層。構造煤在焦作礦區(qū)廣泛分布，具有強度低、滲透性差的特點。

1.2 瓦斯治理難度分析

眾所周知，裂縫張開度主要受有效應力控制，有效應力與地應力密切相關，因此地應力也會顯著影響煤層的原始滲透率。根據礦井地質生產報告，固含山煤礦煤層的山礦在埋深250 m～564 m 處，垂直應力從6.21 MPa 增大到18.85 MPa，最大水平應力從10.22 MPa 增大到30.92 MPa，最小水平應力從6.16 MPa 增大到23.48 MPa。根據實測地應力的變化趨勢，可以預測礦區(qū)的地應力將進一步增大。同時，在高地應力環(huán)境下，煤層的滲透性會不斷降低。在高地應力、高含氣量、低滲透性條件下，礦井“三量”開采區(qū)的瓦斯抽放極為困難。煤層卸壓是提高煤層滲透性的重要途徑但煤層是唯一可采煤層，采用保護層開采技術無法實現全卸壓。因此，在煤層開采前鉆孔抽放瓦斯是唯一有效的方法。固含山煤礦采用了水力壓裂、水力切割等常規(guī)措施。但由于軟糜棱質構造煤亞層的存在，現場應用效果較差。固含山煤礦瓦斯治理難點的關鍵是根據煤層的特點，有效地釋放應力，提高透氣性。

1.3 水力沖洗抽放瓦斯技術研究

在井下抽放巷道跨層鉆孔中，針對煤層的特殊結構特點使用液壓沖洗瓦斯抽放技術，一套煤礦用履帶式快速鑿巖高壓液壓沖洗設備，如第130 頁圖1所示。當鉆距煤層底板1 m 以上時，停止鉆孔，往復鉆進，將鉆進水壓提高到10 MPa～26 MPa，水流大于100 L/min，沖洗構造軟煤亞層，直至構造軟煤完全沖出，開始有清水流出。然后將鉆孔水壓降低至2 MPa～4 MPa，繼續(xù)鉆進，直至鉆頭超過煤層頂板0.1 m。將每個單孔密封連接為柱孔，然后將柱孔與高濃度瓦斯抽放主管道（HCGDMP）連接。在瓦斯抽放過程中，對單孔和柱孔的濃度和純流量等氣體參數進行人工測量，并通過HCGDMP 中的氣體監(jiān)測設備進行測量。

圖1 履帶式快速鑿巖高壓液壓沖洗設備

2 數值模擬及結果分析

2.1 數值模擬方法

本文利用COMSOL Multiphysics5.1 數值模擬程序的優(yōu)勢進行了數值模擬。分析了煤體的應力變化和塑性損傷破壞。將相關應力應變數據代入COMSOL Multiphysics 中，分析滲透率演化和瓦斯抽放。水力沖洗后，用鉆孔觀察器檢查鉆孔的形狀。在COMSOL Multiphysics 中建立二維模型。采用“達西定律模塊”和“PDE 模塊”進行數值模擬分析。根據地質生產報告和實驗室測量結果，模型所需參數，如表1 所示。

表1 瓦斯含量和瓦斯壓力的測量

2.2 數值模擬結果分析

煤的應力演化如圖2 所示，與普通鉆孔相比，構造煤中鉆孔經過水力沖刷后，會引起更大范圍的應力擾動。最大主應力σ1（鉆孔水平切向方向）、最小主應力σ3（鉆孔水平徑向方向）和中間主應力σ2（鉆孔垂直方向）均得到充分釋放。圖2 還統(tǒng)計了Z=1.5 m和Z=3 m 處的應力分布。σ3在遠離井眼處開始減小，在井眼附近達到接近0 MPa。σ1和σ2在達到峰值后，在井口附近先增加后迅速下降，接近0 MPa，其中 σ1的變化過程明顯大于 σ2。根據Mohr-Coulomb 破壞準則，當差應力σ1～σ3達到屈服強度峰值時，煤體開始發(fā)生塑性損傷。

圖2 鉆孔周圍煤Z=1.5 m 和Z=3 m 處的應力狀態(tài)和應力分布

水力沖刷后，煤體內發(fā)生塑性損傷，導致滲透性大幅度增加。第131 頁圖3 為鉆孔周圍煤層透氣性分布。從普通鉆孔前方0.5 m 開始，煤體透氣性開始較初始透氣性增加10 倍以上。然而，從水力沖井前方4 m 處開始，煤體滲透率開始較初始滲透率增加10倍～121 倍。水力沖洗鉆孔周圍煤層透氣性明顯增大，是普通鉆孔的8 倍。普通鉆孔周圍氣體壓力下降幅度較小，而水力沖洗鉆孔周圍氣體壓力下降幅度較大。水力沖洗鉆孔周圍瓦斯壓降范圍從上到下逐漸增大，在煤層中部達到最大。經過水力沖洗后，鉆孔的有效排水半徑提高了2.4 倍～3.3 倍。

圖3 煤的滲透性分布在普通鉆孔和水力沖洗鉆孔周圍

數值模擬結果表明，在σ1—σ3差應力達到峰值后，井壁周圍的煤體將發(fā)生破壞。但最大主應力σ1和中間主應力σ2在峰值出現前會先持續(xù)增加。因此，可以預測在水平應力σ1和垂直應力σ2的作用下，井壁附近受損煤將發(fā)生遷移。在垂直方向，正常的煤會塌陷到洞的底部。在水平方向上，正常煤和構造煤會遷移到鉆孔中心，然后擠壓篩管。因此，煤層的變形在垂直方向上總體是壓縮的，在水平方向上是擴展的。研究了水力沖刷后煤的運移和變形情況。安裝了煤層相對變形測量裝置，對煤層垂直變形進行了測量。通過觀察篩管的壓縮變形，研究了煤的水平變形。水力沖刷后，煤層在垂直方向上連續(xù)發(fā)生相對壓縮變形。第77 天，煤的相對壓縮變形達到2.46%。篩管初始直徑為0.05 m，遠小于鉆孔直徑（即正常煤區(qū)直徑為0.1 m，構造煤區(qū)直徑為1.5 m）。第100 天，篩管變形壓縮。煤巷掘進前，篩管被抽出，已嚴重變形破壞，主要是由于圍巖煤的水平遷移變形。

水力沖井鉆孔前，在16032 欠定位抽放巷道測得煤層的原始滲透率為0.027 m2/MPa2d。在水力沖洗和瓦斯抽放一年后，在同一位置附近再次測量煤層滲透率，滲透率增加到2.35 m2/MPa2d，煤層透氣性提高了87 倍。

3 結論

本文對礦井“三量”可采區(qū)煤層采用全流程水力沖洗瓦斯抽放技術，通過數值模擬研究，揭示了應力釋放和滲透率增加的機理。更多的構造煤涌出形成大孔，促進了煤層的應力釋放和透氣性增加。具有構造煤亞層的厚煤層經過水力沖洗后瓦斯抽放效率明顯提高。數值模擬結果表明，水力沖刷顯著擴大了應力消除和塑性損傷的范圍，相應地也顯著擴大了滲透性增加面積的范圍。與普通鉆孔相比，水力沖洗鉆孔的有效排水半徑提高了2.4 倍～3.3 倍。