基于煤体采动裂隙场分区的瓦斯流动数值分析

齐庆新,彭永伟,汪有刚,李宏艳,李春睿

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.煤炭科学研究总院科技发展部,北京 100013; 3.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室 (煤炭科学研究总院),北京 100013; 4.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;5.山西天地王坡煤业有限公司,山西晋城 048021)

应用基础

基于煤体采动裂隙场分区的瓦斯流动数值分析

齐庆新1,2,3,彭永伟1,4,汪有刚1,5,李宏艳2,3,李春睿1,4

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.煤炭科学研究总院科技发展部,北京 100013; 3.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室 (煤炭科学研究总院),北京 100013; 4.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;5.山西天地王坡煤业有限公司,山西晋城 048021)

提出了工作面前方煤体采动裂隙分区的概念,将工作面前方煤体分为 9个不同的裂隙区,每个区裂隙发育特征不相同。认为工作面前方煤体存在反的“C”形裂隙发育带,是瓦斯流动活跃区域。利用数值模拟手段,对分区与不分区条件下的瓦斯压力特征与抽放时瓦斯流动规律进行了研究,结果表明,裂隙分区条件下的瓦斯流动与实际条件更为符合。

采动裂隙场;分区;瓦斯流动;数值模拟

对于赋存于地下的煤体,在漫长的地质历史演变过程中,经受了不同大小和不同方向的多期构造应力场的长期作用,同时由于煤体本身结构的非均质性,导致了原生裂隙场结构面分布的随机性、形态多样性、分布不均匀性和空间组合复杂性。而煤体采动裂隙场的发育、演化就更为复杂和难以研究。目前国内外对岩体裂隙网络的研究取得一定进展[1-7],对于裂隙的模拟也有一定的成果。但是对于采矿工程学科而言,煤体采动裂隙 (场)分布有何特征?以及此条件下煤体的瓦斯的流动规律有什么特点?本文在这方面做了一些尝试。

1 煤体采动裂隙发育的分区性

在工作面形成 (掘进及开切眼)和回采过程中,工作面前方煤体,要受到采动的影响,有时还要受到相邻工作面的影响。一般情况下,可以认为工作面前方煤体的受力是不均匀的,煤体内的裂隙受采动影响程度亦有不同。

煤体采动裂隙场与煤体采动应力密切相关,由采动应力的分区性,及综合分析煤体的变形特征,可以推测出采动裂隙场也具有分区性。据此,将工作面前方煤体裂隙分为 9个区域,各区内裂隙发育特征如图1所示。

沿工作面推进方向:Ⅰ为采动裂隙发育区;Ⅱ为采动裂隙闭合区;Ⅲ为原生裂隙区;Ⅳ,Ⅶ为采动裂隙密集区;在整个工作面前方煤体存在一个反的“C”形裂隙发育带,即Ⅰ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ,Ⅸ,Ⅷ区构成。此带为瓦斯流动活跃区域。

图 1 工作面前方煤体采动裂隙场分区

Ⅰ,Ⅳ,Ⅶ区位于超前采动应力降低区内;Ⅱ,Ⅴ,Ⅷ区位于超前采动应力升高区内;Ⅲ区位于原岩应力区内。

上述煤体采动裂隙场分区的提出,为进一步深入煤体内瓦斯流动规律提供了研究思路。

2 分区条件下的瓦斯流动特征

以某矿实际工作面为背景,分别以无采动裂隙分区和有采动裂隙分区对瓦斯流动进行模拟。采动裂隙分区的原则以实测的支承压力分布结合数值模拟确定,限于篇幅不在详细论述。模型长为 200m (工作面长度),宽 220m,瓦斯密度 0.7174kg/m3,黏度系数 1.8e-5Pa·s,初始瓦斯压力 4.02e5Pa。模型左部边界为不透气边界,其余边界为1.01325e5Pa的压力边界。无分区的煤体渗透率为实测值 15e-15m2。而采动裂隙分区内的渗透率按文献 [4]选取。模拟结果如图 2、图 3所示。无分区条件下的瓦斯压力分布较均匀,渗流速度矢量的分布也呈均匀的散布态向煤壁涌出。采动裂隙分区条件下的瓦斯压力分布与瓦斯渗流则呈现出区域性特征。在煤体四周存在一个反“C”形的瓦斯流动活跃带,这与实际情况更符合。

3 瓦斯抽放分析

为进一步分析,模拟无分区与采动裂隙分区条件的瓦斯抽放。模拟参数为:沿工作面前方 10m处开始布置瓦斯抽放孔,由于模拟工作面为对称图形,仅模拟抽放孔沿一侧布置的情况。模拟的钻孔孔径为 94mm,孔深 90m,孔间距 10m,共 10个孔,抽放孔负压为 80kPa,其余参数同前。

图2 瓦斯压力分布

图3 瓦斯渗流速度矢量

图 4为无分区与采动裂隙分区条件下的瓦斯抽放压力分布云图。采动裂隙分区条件下的钻孔有效半径更大些,瓦斯流量也较无分区时大的多,图 5的采动裂隙分区条件的瓦斯压力分布等值线也更清晰的表明,采动裂隙分区条件的瓦斯抽放模拟更符合实际。

4 结论

提出了工作面前方煤体采动裂隙分区的概念,将工作面前方煤体分为 9个不同的裂隙区,每个区裂隙发育特征不相同。通过模拟表明工作面前方煤体存在反的“C”形裂隙发育带,是瓦斯流动活跃区域。利用数值模拟手段,对分区与不分区条件下瓦斯压力特征与抽放时瓦斯流动规律进行了研究,结果表明,裂隙分区条件下的瓦斯流动与实际条件更符合。本文的研究还处于初步阶段,不同分区条件下煤体采动裂隙的统计特征及其与渗透率、瓦斯涌出量之间的关系等是今后的重点研究方向。

图4 抽放条件下瓦斯分布

图 5 煤体采动裂隙分区条件下抽放瓦斯压力分布等值线

[1]周世宁 .瓦斯在煤层中流动的机理 [J].煤炭学报,1990, 15(1):61-67.

[2]孔祥言.高等渗流力学 [M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999.

[3]梁 冰,章梦涛,王泳嘉 .煤层瓦斯流与煤体变形的耦合数学模型及数值解法 [J].岩石力学与工程学报,1996,15 (2):135-142.

[4]彭永伟,齐庆新,李宏艳,邓志刚 .煤体采动裂隙场演化与瓦斯渗流耦合数值模拟 [J].辽宁工程技术大学学报,2009, 28(S):229-231.

[5]彭永伟 .高强度开采煤体采动裂隙场演化及其与瓦斯流动场耦合作用研究 [D].北京:煤炭科学研究总院,2008.

[6]齐庆新,李宏艳,邓志刚,等 .高强度采动含瓦斯煤体渗透率演化规律研究 [A].2007中国 (淮南)煤矿瓦斯治理技术国际会议论文集 [C].徐州:中国矿业大学出版社, 2007.

[7]胡千庭 .矿井瓦斯防治技术优选——煤与瓦斯突出和爆炸防治 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[责任编辑:王兴库]

Numerical Analysis ofM ethane Flow Based on D istricting Coal Body′s Crack Field Induced byM in ing

Q IQing-xin1,2,3,PENG Yong-wei1,4,WANG You-gang1,5,L IHong-yan2,3,L IChun-rui1,4

(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Department of Science&Technology,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.State KeyLaboratory of CoalMining&Environment Protection(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China; 4.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China; 5.Shanxi TiandiWangpo Coal Co.,Ltd,Jincheng 048021,China)

This paper put forward the concept of districting coal body ahead ofmining face into 9 subareaswhich had respective different crack development characteristic on the basis ofmining crack field.There was an inverse“C”shape crack zone ahead of mining face where methane was active.It researched methane pressure characteristic and methane flow rule in drainage under districting and non-districting condition.Results showed thatmethane flow under districting condition was fitter for actual situation.

mining cracked field;subarea;methane flow;numerical simulation

TD712.51

A

1006-6225(2010)05-0008-03

2010-07-27

“973”项目“采动应力裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应”(2005CB221503),“煤层群煤与瓦斯共采时空协同机制及技术优化方法”(2011CB201206)

齐庆新 (1964-)男,吉林长春人,满族,研究员、博士生导师,从事深部开采与冲击矿压、岩石力学等理论与技术研究。