强冲击倾向煤层注水效果模拟分析

2018-03-21詹召伟沈建波蔡可强

现代矿业 2018年2期

詹召伟沈建波蔡可强

(1.山东济宁运河煤矿有限责任公司；2.山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿；3.济宁市金桥煤矿)

中国是世界产煤大国，据统计，2015年在同比减产3.3%的情况下中国原煤产量依然达到了37.5亿t。但与国际上其他产煤大国如美国、澳大利亚等相比，中国煤矿地质条件复杂，冲击地压灾害严重。尤其是近年来，随着深部开采的进展，中国煤矿冲击地压的发生强度和频度都在增加。国内外研究、实践证明[1]，煤层注水可以从根本上改变煤体物理力学性质，降低煤体冲击倾向性，是一种积极防治冲击地压的有效方法，而且能预防煤与瓦斯突出，减小工作面回风流中的瓦斯浓度，降低空气中粉尘含量。目前的注水系统一般采用静压注水或高压注水。静压注水对于透气性很好的煤层效果良好。高压注水是通过煤层钻孔注水压裂改变煤体的裂隙结构，使煤体脆性减弱，塑性增强，促使煤层大范围卸压，从而预防冲击地压的发生或使其强度减弱。国内外不少专家和学者对煤层注水技术进行了广泛的研究，并取得了许多成果，使得煤层注水技术得到广泛应用，但目前煤层注水技术依然存在许多不足，尤其是对注水效果的验证方面还无有效方法。

本文在前人研究基础上，选定深部强冲击倾向性煤层工作面开展可注性实验，对煤层冲击倾向性、可注性、不同注水条件效果模拟等方面进行研究，为深部煤层注水参数设计提供理论参考。

1 煤层概况

本次实验煤层为3煤,埋深约963 m，煤层厚1.2～5.7 m，平均为4.3 m，采用《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》(MT/T 174—2000)取煤样进行实验测定，得出该煤层具有强冲击倾向性，测定结果见表1。

表1 煤样冲击倾向性各项指数测定结果

2 煤层可注性测定

煤层孔隙率测定方法主要有密度法、等温吸附法、压汞法及NMR旋转-松弛法。本实验测试依据《煤层注水可注性鉴定方法》 (MT/T 1023—2006)，采用密度法，通过测定煤的真、视密度计算煤的孔隙率，测试结果见表2。

结合表2测定结果，依据《煤层注水可注性鉴定方法》(MT/T 1023—2006)所述判定规则，模拟煤层所取煤样同时满足W≤4%，n≥4%，δ≥1%和f≥0.4，判定模拟煤层具有可注性。

3 煤层注水效果模拟分析

运用FLAC3D软件[2-4]模拟计算不同条件下煤层注水在煤层中的传播情况。

3.1 模型的建立

采用流-固耦合渗透分析，主要涉及的参数包括渗透系数、密度、流体体积模量和孔隙率[5-6]，见表3。

表2 煤样可注性测定结果

表3 流-固耦合渗透分析参数

煤层厚4 m，宽20 m，主要考虑钻孔周围的水体渗透情况，建立二维模型，见图1。根据模型内注水孔隙压力变化范围可以判断出注水渗透半径。

图1 计算模型

3.2 不同孔径下的渗透半径

模拟注水压力为15 MPa，埋深为900 m，孔径分别为50,75和108 mm下煤体钻孔周围水分渗透情况[7]，模拟结果见图2。可以看出,当孔径为50 mm时，其渗透半径为245 mm；当孔径为75 mm时，其渗透半径为357.8 mm；当孔径为108 mm时，其渗透半径为487.4 mm。由此可知，当孔径增大时，其渗透半径也随之增大。

图2 渗透半径随孔径变化曲线

3.3 不同埋深下的渗透半径

模拟注水压力为15 MPa，孔径为75 mm，埋深分别为700，900和1 100 m下煤体钻孔周围水分渗透情况，模拟结果见图3。可以看出，当埋深为700 mm时，其渗透半径为357.8 mm；当埋深为900 mm时，其渗透半径为355.6 mm；当埋深为1 100 mm时，其渗透半径为355.5 mm。由此可知，当埋深增大，其渗透半径相应减小，但变化幅度不大，说明埋深对注水渗透半径影响不大。

图3 不同埋深下渗透范围云图

3.4 不同时间下的渗透半径

模拟注水压力为15 MPa，孔径为75 mm，埋深为900 m，不同时步的煤体钻孔周围水分渗透情况，模拟结果见图4。可以看出,时步为3 000 step时，其渗透半径为254 mm；时步为5 000 step时，其渗透半径为332.4 mm；时步为10 000 step时，其渗透半径为444.6 mm。由此可知，当渗透时间增加时，其渗透半径也随之增大，说明增加钻孔注水时间可增大其渗透范围。