基于裂隙流模型下大直徑鉆孔瓦斯治理數(shù)值分析

薛志鵬

(山西煤礦安全培訓(xùn)中心，山西 太原 030012)

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯、水、火、頂板、煤塵等五大災(zāi)害事故時(shí)常發(fā)生，其中瓦斯災(zāi)害最為突出。瓦斯屬于易爆氣體，達(dá)到濃度時(shí)極易誘發(fā)爆炸事故，嚴(yán)重威脅工人生命安全。瓦斯又是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的21倍，“先抽后采”不僅可以顯著降低瓦斯含量，保障礦井開(kāi)采施工安全，還有助于“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。

隨著煤層埋藏深度的增加，瓦斯抽采的難度也不斷增大，面臨的問(wèn)題接踵而至，其中“三低一強(qiáng)”的特性導(dǎo)致瓦斯采前抽采困難，瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴(yán)重[2]。如何提高煤層透氣性、提高瓦斯預(yù)抽效果，已成為瓦斯治理亟待解決的技術(shù)難題。為了解決瓦斯抽采難題，部分學(xué)者提出了大孔徑鉆孔對(duì)煤層瓦斯治理。王向東[3]分析了超大孔徑鉆孔在綜采工作面上隅角瓦斯治理中應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了大孔徑鉆孔施工參數(shù)。鄒煒[4]利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證方法得出大孔徑鉆孔能解決綜采工作面瓦斯涌出量大和瓦斯超限的問(wèn)題。郭思海等[5]通過(guò)SF6作為示蹤氣體研究了大孔徑鉆孔不同抽采時(shí)間下的瓦斯抽采半徑，并驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。張彥賓[6]提出了低位巷大孔徑穿層鉆孔治理采空區(qū)瓦斯的措施。吳世躍等[7]通過(guò)分析煤層中卸壓瓦斯移動(dòng)規(guī)律，研究了大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)。袁亮等[8]建立瓦斯高效抽采范圍的高位環(huán)形體理念，通過(guò)對(duì)圍巖采動(dòng)影響和瓦斯抽采數(shù)值模擬開(kāi)展了大直徑地面鉆井提高瓦斯抽采效果的理論與技術(shù)研究。大孔徑鉆孔在煤礦瓦斯治理中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的瓦斯治理效果。但是，裂隙流模型下施工大孔徑鉆孔后煤體周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)分布規(guī)律有待深入研究。

本文通過(guò)COMSOL數(shù)值模擬軟件研究大孔徑鉆孔下應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)分布規(guī)律，并將塑性區(qū)簡(jiǎn)化為裂隙區(qū)，在考慮裂隙流情況下研究大孔徑鉆孔瓦斯流動(dòng)規(guī)律，以期為煤礦瓦斯治理提供指導(dǎo)。

1 工程概況

山西某煤礦地質(zhì)儲(chǔ)量10.87億t，可采儲(chǔ)量5.86億t，礦井生產(chǎn)能力為500萬(wàn)t/a，平均埋深450 m，采煤方法為走向長(zhǎng)壁采煤法，采煤方式采用綜采一次采全高。礦井主要開(kāi)采15號(hào)煤層，煤層平均厚度為5.48 m，透氣性系數(shù)為0.011 7 mD，鉆孔百米流量衰減系數(shù)為0.041 7 d-1，屬于可以抽放煤層，屬Ⅱ-Ⅲ類(lèi)強(qiáng)烈破壞煤，瓦斯壓力最大1.1 MPa，煤層軟分層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.21，瓦斯放散初速度△P=9.10，突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)43.34，孔隙率為3.01。綜上所述，該煤礦具有突出危險(xiǎn)，需采用大孔徑瓦斯治理措施實(shí)現(xiàn)本煤層瓦斯預(yù)抽，以實(shí)現(xiàn)煤礦安全、高效開(kāi)采。

2 裂隙流下數(shù)值模擬分析

2.1 幾何模型及邊界條件

選取山西某煤礦作為模擬對(duì)象，利用二維模型進(jìn)行模擬。該模型由兩個(gè)組件建立，第一組件為固體力學(xué)模型，用以求解94 mm和400 mm鉆孔應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)分布規(guī)律；第二組件為裂隙流下的流固耦合模型，用以求解94 mm和400 mm鉆孔瓦斯流動(dòng)規(guī)律。模型具體設(shè)置如下：

1) 第一組件固體力學(xué)模型：長(zhǎng)和高分別設(shè)置為10 m和5.48 m。應(yīng)力邊界條件：煤層頂板施加12 MPa應(yīng)力邊界，底板施加固定約束邊界，兩邊施加輥支撐邊界。固體力學(xué)幾何模型如圖1(a)所示。

2) 第二組件裂隙流下的流固耦合模型：長(zhǎng)和高分別設(shè)置為10 m和5.48 m。塑性區(qū)簡(jiǎn)化為45°裂隙，賦予裂隙長(zhǎng)度(94 mm鉆孔裂隙長(zhǎng)度0.3 m、400 mm鉆孔裂隙長(zhǎng)度1 m)、開(kāi)度和滲透率，以實(shí)現(xiàn)裂隙流模擬。應(yīng)力邊界條件：煤層頂板施加12 MPa應(yīng)力邊界，底板施加固定約束邊界，兩邊施加輥支撐邊界。滲流邊界條件：外邊界為零通量，鉆孔抽采負(fù)壓30 kPa，煤層初始瓦斯壓力1.1 MPa，模擬參數(shù)見(jiàn)表1。裂隙流下的流固耦合模型如圖1(b)所示。

圖1 幾何模型(藍(lán)線為模擬裂隙)

表1 模型參數(shù)值

2.2 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬分析

鉆孔直徑是煤層應(yīng)力分布的影響因素，在相同的地質(zhì)條件下，隨著鉆孔直徑的增大，煤層應(yīng)力狀態(tài)也在發(fā)生改變。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工考察，為防止施工大孔徑鉆孔導(dǎo)致的塌孔等問(wèn)題，在施工大孔徑鉆孔前一般先施工小孔徑鉆孔。本文選擇對(duì)比分析94 mm、400 mm下的模擬結(jié)果，研究鉆孔直徑對(duì)巷道應(yīng)力分布的影響。不同鉆孔直徑下的應(yīng)力分布結(jié)果如圖2所示。提取水平方向應(yīng)力數(shù)據(jù)，不同鉆孔直徑下的應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖2 不同鉆孔直徑下的應(yīng)力分布

圖3 不同鉆孔直徑下的應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比圖

由圖2可知，鉆孔成孔后應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律基本相同，在鉆孔的左右兩側(cè)形成應(yīng)力集中區(qū)，在鉆孔上下兩側(cè)形成應(yīng)力降低區(qū)，由此可得出，鉆孔左右受壓，上下受拉，呈“蝶狀”。隨著鉆孔直徑增大，應(yīng)力影響范圍增大。

由圖3可知，應(yīng)力分布均表現(xiàn)出三帶分布規(guī)律，當(dāng)鉆孔直徑為400 mm時(shí)，4.6～5.0 m范圍內(nèi)，水平方向應(yīng)力分布在0～6.63 MPa之間，應(yīng)力逐漸增加，但低于平穩(wěn)后的原始圍巖壓力，據(jù)此可判定4.6～5.0 m的范圍內(nèi)為泄壓帶；距離鉆孔3.4～4.6 m范圍內(nèi)，水平方向應(yīng)力分布在6.63～13.2 MPa之間，應(yīng)力先增加后減小，且高于平穩(wěn)后的原始圍巖應(yīng)力，據(jù)此可判定3.4～4.6 m的范圍為應(yīng)力集中帶；0～3.4 m的范圍應(yīng)力穩(wěn)定在7.87 MPa，據(jù)此可判定1.6～5.0 m的范圍為原始應(yīng)力帶。同理可知，鉆孔直徑為94 mm時(shí)，4.9～5.0 m為卸壓帶，4.5～4.9 m為應(yīng)力集中帶，0～4.5 m為原始應(yīng)力帶。通過(guò)以上分析，相比于94 mm鉆孔，卸壓帶范圍增加4倍，應(yīng)力集中帶范圍增加3倍，泄壓帶和應(yīng)力集中帶的范圍隨著鉆孔直徑的增加而增加。當(dāng)鉆孔周?chē)鷳?yīng)力大于煤體破壞強(qiáng)度時(shí)，煤體損傷發(fā)育裂隙，而發(fā)育裂隙的區(qū)域稱(chēng)之為塑性區(qū)。不同鉆孔直徑下煤體塑性區(qū)分布結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同鉆孔直徑下煤體塑性區(qū)分布圖

由圖4可知，塑性區(qū)分布均呈現(xiàn)蝶形分布，與應(yīng)力分布結(jié)果趨于一致。當(dāng)鉆孔直徑400 mm時(shí)，兩翼的塑性區(qū)長(zhǎng)度為1.0 m，兩側(cè)的塑性區(qū)長(zhǎng)度為0.6 m；當(dāng)鉆孔直徑94 mm時(shí)，兩翼的塑性區(qū)長(zhǎng)度為0.3 m，兩側(cè)的塑性區(qū)長(zhǎng)度為0.2 m。通過(guò)以上分析，相比于94 mm鉆孔，兩翼的塑性區(qū)增加3倍，兩側(cè)的塑性區(qū)增加3倍，塑性區(qū)的范圍隨著鉆孔直徑的增加而增加。

2.3 滲流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

由于94 mm、400 mm鉆孔塑性區(qū)長(zhǎng)度、寬度不同，進(jìn)而將引起塑性區(qū)裂隙開(kāi)度、長(zhǎng)度、滲透率差異，利用裂隙流下的流固耦合模型，將塑性區(qū)假設(shè)為裂隙(賦予開(kāi)度、長(zhǎng)度、滲透率)研究94 mm、400 mm鉆孔滲流場(chǎng)演化規(guī)律。設(shè)置P(0，1)點(diǎn)為探針，研究瓦斯壓力隨時(shí)間演化規(guī)律，設(shè)置截線y=1研究氣性系數(shù)隨距離的變化規(guī)律。不同鉆孔直徑下的瓦斯壓力演化結(jié)果如圖5所示，透氣性系數(shù)和瓦斯壓力演化規(guī)律如圖6所示。

圖5 不同鉆孔直徑下的瓦斯壓力演化圖

圖6 透氣性系數(shù)和瓦斯壓力演化規(guī)律曲線

由圖5可知，相同抽采負(fù)壓下，隨著鉆孔直徑的增大，瓦斯有效影響范圍增大，抽采10 d時(shí)，相比于94 mm鉆孔瓦斯有效影響半徑增加了2倍。這是由于裂隙與鉆孔貫通，裂隙長(zhǎng)度越長(zhǎng)，負(fù)壓影響范圍越大，進(jìn)而引起有效影響半徑增大。由圖中流速方向可知，裂隙流下的流固耦合模型瓦斯先運(yùn)移到裂隙，通過(guò)裂隙再運(yùn)移到鉆孔，裂隙長(zhǎng)度越長(zhǎng)，瓦斯抽采效果越顯著。

由圖6(a)可以看出，裂隙處的透氣性系數(shù)為1.25×10-17m2，裂隙處透氣性系數(shù)達(dá)到峰值，這是由于鉆孔直徑越大，塑性區(qū)發(fā)育范圍較大，進(jìn)而引起透氣性系數(shù)增大。

由圖6(b)可以看出，雖然鉆孔直徑不同，但P點(diǎn)的瓦斯壓力均表現(xiàn)出抽采初期下降迅速，后期下降緩慢的趨勢(shì)。當(dāng)鉆孔直徑為400 mm時(shí)，P的瓦斯壓力下降迅速，抽采40 d時(shí)，瓦斯壓力降低60%左右，鉆孔直徑為94 mm時(shí)，抽采40 d時(shí)，瓦斯壓力降低30%左右。當(dāng)抽采90 d時(shí)，400 mm鉆孔的P點(diǎn)瓦斯壓力為0.36 MPa，94 mm鉆孔的P點(diǎn)瓦斯壓力為0.62 MPa。鉆孔直徑越大，塑性區(qū)發(fā)育范圍越大，引起透氣性系數(shù)增大，加之裂隙流下負(fù)壓作用范圍增大，兩者共同作用下瓦斯壓力下降越迅速，瓦斯抽采效果越顯著，即大孔徑鉆孔能顯著提高瓦斯抽采效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬的方法研究了大孔徑鉆孔下的應(yīng)力場(chǎng)分布、塑性區(qū)分布、瓦斯?jié)B流規(guī)律。研究結(jié)果表明：

1) 通過(guò)對(duì)比分析不同鉆孔直徑下應(yīng)力分布，得出鉆孔左右受壓，上下受拉，應(yīng)力分布和塑性區(qū)均呈“蝶狀”分布，并且應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布隨著鉆孔直徑增大而增大。

2) 裂隙流下的瓦斯運(yùn)移方向呈現(xiàn)規(guī)律性，瓦斯先運(yùn)移到裂隙，再通過(guò)裂隙運(yùn)移到鉆孔，并且裂隙長(zhǎng)度越長(zhǎng)，瓦斯抽采效果越顯著。

3) 從透氣性系數(shù)和負(fù)壓作用范圍兩個(gè)方面闡述了提高瓦斯抽采效果的原因，驗(yàn)證了大孔徑鉆孔的可實(shí)施性。