成庄矿水力冲孔提高抽采效果的数值模拟研究

2022-01-24李峰

山西冶金 2021年5期

李峰

（晋能控股煤业集团胡底煤业，山西晋城 048006）

随着煤层开采深度的增加和采煤机械化程度的提高，瓦斯治理的难度越来越大，为了杜绝“瓦斯超限就是事故”情况的发生，在瓦斯抽采效果不理想的条件下，采取水力冲孔措施增大煤层的透气性，从而提高瓦斯抽采效果。但通过水力化措施将高压水注入煤体后，煤体内的瓦斯运移状态及对煤体变形的影响情况成为了现场实践中需要解决的理论性课题[1-4]。

1 水力冲孔煤体破坏机理

钻孔在高压水的作用下发生起裂后,水在注水压力下进入煤层之中,并在煤层中的层理面、切割裂隙以及原生裂隙等各级弱面内,通过对弱面面壁产生内水压力而产生空间上的膨胀，促使该级弱面发生继续扩展和延伸，并逐渐在煤岩中相互连通，形成贯通网络，造成煤层的压裂分解，最终导致在钻孔周围形成一个煤岩软化带，进而使得在这个软化带中煤岩的裂隙导通，大大提高了煤岩透气性[5-6]。本文通过对煤岩水力冲孔软化前后的瓦斯抽放效果进行对比研究，为探讨瓦斯开发技术方案提供理论依据。

水力冲孔破坏主要表现在煤体压裂和煤层软化两个方面。其中煤层软化又包括吸附和浸润作用、楔入作用、水合作用以及溶解作用[7-10]。

2 瓦斯抽采数值模拟

2.1 模型的建立

结合成庄矿4217/4222巷水力冲孔钻孔的布置情况，确定了各有关参数的取值，如表1所示，水力冲孔钻孔布置示意图如图1所示。

表1 水力冲孔钻孔布置参数

图1 水力冲孔钻孔布置示意图

1）水力冲孔注水参数以成庄矿现场试验的现场数据为基础，其中封孔长度选取为2.0 m，注水压力选取12 MPa，掘进巷道注入水量不少于1.2 m3/m，整个注水过程耗时约2.0 h，上覆岩层和下覆岩层厚度均取1.5 m。

2）边界条件：5个孔长度皆为13 m，并按照“以缝代孔”原则将瓦斯抽放孔简化为定压力边界，向5个孔同时注水。四周和上下面均为零通量不透水边界；四周和下部都对法线方向的位移进行约束，上部边界作用有10 MPa的外部载荷，以模拟上覆岩层的自重。区域的应力场按照由泊松效应求得的自重应力进行计算。

基于如上模型设置，可以建立如下页图2所示的三维有限元计算模型。划分的有限元网格如下页图3所示，计算区域材料参数按照下页表2选取。如图2所示，L1为平行于孔2轴向的一条平行线，L2为垂直于L1的一条垂线。

图3 有限元网格模型

表2 模型相关参数

2.2 计算方案

利用图2、图3所示模型，将水力冲孔的岩石软化结果导入瓦斯抽放模型中，以5个孔作为瓦斯抽放孔，同时进行瓦斯抽放作业。瓦斯抽放孔按照“以缝代孔”原则简化为定压力边界（25 kPa）。

1）边界条件：四周和上下面均为零通量不透气边界；四周和下部都对法线方向的位移进行约束，上部自由且作用有10 MPa的外部载荷，同时模型具有自重载荷。

2）初始条件：内部有1 MPa的初始瓦斯压力，5个抽放孔的压力皆为0.25×105Pa。

3）模拟时间：模拟时间为10 d。

4）计算方案：模拟不同时间条件下，水力冲孔后的瓦斯运移规律。

5）计算参数：相关参数如表1所列。

2.3 模拟结果分析

图4—图9为有水力冲孔及无水力冲孔作用下瓦斯抽放过程中不同时刻的瓦斯压力分布图。由图表明，瓦斯抽放过程中，随着时间的推移，孔边瓦斯压力降低区范围逐渐扩大，当时间为864 000 s时，5个瓦斯抽放孔之间连成较大范围的低压瓦斯区域，并且通过对比有水力冲孔作业和无水力冲孔作业的瓦斯抽放压力，可以看出，有水力冲孔的低压力瓦斯区域远大于无水力冲孔情况下的低压瓦斯区域。对比图10、图11可以看出，图11的3个抽放孔周围瓦斯压力降低较快，并且范围远大于图10，钻孔与钻孔之间的叠加压力区降低极为明显，这说明水力冲孔不仅能软化煤岩，并且使软化带内煤岩的渗透性得到很大的提高，水力冲孔大大提高了瓦斯的抽放效果。瓦斯压力在煤体中的大幅降低也说明了水力冲孔作用对瓦斯抽放和瓦斯卸压都有很好的效果。