掘进头水力割缝强化瓦斯抽采数值模拟研究

2023-03-07闫志铭

山东煤炭科技 2023年1期

闫志铭

（华阳新材料科技集团有限公司，山西阳泉 045000）

煤炭在中国的能源结构中长期处于核心地位，煤矿生产安全也始终是倍受关注的问题。在多种井下事故中，煤与瓦斯突出是尤为严重的一种。突出的破坏性极大，可以在摧毁巷道、破坏井下设施设备的同时，造成不同程度的财产损失，甚至带来人员伤亡[1]，是威胁生产安全的重要因素。

多年以来，大量学者着眼于突出发生发展机理的研究，并提出了多项有效的防突方案。在煤与瓦斯突出的理论指导下，不同的防突消突技术被用于不同条件的矿区，例如水力压裂技术[2]、水力冲孔技术[3]、高压水射流技术[4]、注气抽采技术等[5-6]。

近年来，针对我国部分矿区煤层低渗难抽的特点，水力割缝技术被应用到煤层的卸压消突中，利用其可以增大裂隙空间、提高煤体渗透率、加速瓦斯解吸的特点，消除煤体应力集中，增大瓦斯抽采速率。

为了研究掘进头水力割缝技术的效果，本文应用COMSOL Multiphysics 仿真软件，分别模拟了3孔抽采、5 孔抽采、3 缝抽采和5 缝抽采四种技术方案，分析了各技术方案实施过程中煤层瓦斯压力和瓦斯抽采速度的变化规律，并对各技术方案的消突效果进行了分析和评价，为煤矿掘进头防突消突工作提供理论依据。

1 数值模拟设置

1.1 水力割缝增透原理

水力割缝技术的主要原理是：通过高压水射流切割作用在煤体中切割出具有一定长度和宽度的裂缝，裂缝周围煤体在自重和地应力作用下变形破坏，形成以割缝为中心的卸压区，卸除煤体周围的部分应力，重整煤体周围应力分布，加速煤体变形破坏，增加煤体裂隙分布，提高煤体透气性，加速瓦斯解吸，促使瓦斯流动速度加快，最终达到卸压增透的目的。

1.2 瓦斯流动控制方程

水力割缝后，煤体的变形与线性弹性变形相近，进而促使应力场、瓦斯压力发生变化，提高了煤体渗透率，提高了抽采量与抽采速度。假设煤体是弹性各向同性介质，研究煤层为恒温煤层，煤层瓦斯为理想气体，不考虑邻近煤岩层瓦斯的影响，则此时煤体形变为线性弹性形变，即遵守广义胡克定律：

式中：λ、μ为拉梅常数；e为体积变形；δ为Kronecher 符号。

此时，若将惯性力忽略，煤体总应力与体积应力之间的关系为：

式中：σij,j为总应力；fi为体积应力。

煤体变形的几何方程：

式中：εij为体积应变；ui,j和uj,i分别为位移矢量。

水力割缝可有效改变煤体裂隙孔隙结构，增大裂隙与孔隙体积，增加裂隙孔隙数量，进而随着裂隙场的扩展重布，应力场也发生了重新分布，进一步地增拓了瓦斯渗流的通道。此时的瓦斯流动符合达西渗流规律。由于煤体孔隙率变化不大，设定孔隙率为常数，因此瓦斯在煤体中遵守的质量守恒方程为：

式中：▽为哈密顿算子；ρ为瓦斯气体密度；ug为瓦斯气体流动速度；Qm为瓦斯气体流量。

不考虑重力的Darcy 速度流方程为：

式中：p为煤层瓦斯压力；μ为瓦斯气体粘度；k为煤层渗透率。

瓦斯在煤体中渗流的渗透率可由煤体有效体积应力的指数函数表示：

式中：k0为初始渗透率；A为体积应力影响系数；B为孔隙压影响系数；Θ 为有效体积应力。

由式（4）、（5）、（6）联立得出：

1.3 几何模型

煤层选用60 m×3 m×120 m 的长方体几何模型表示，压裂试验巷道置于长方体正中，选用几何尺寸为4 m×3 m×120 m 的长方体表示，模型网格划分如图1 所示。为了分析钻孔数量和割缝方式对瓦斯抽采的影响，共设置了四种模拟方案：3 钻孔抽采（如图2a）、5 钻孔抽采（如图2b）、3 钻孔割缝抽采（如图2c）和5 钻孔割缝抽采（如图2d）。四种模拟方案中钻孔直径相同，均为0.1 m。模拟参数值见表1。

表1 模拟参数表

图1 几何模型网格划分图

图2 掘进巷迎头钻孔及割缝的数值模拟方案（m）

在各方案模拟过程中，将应力载荷均布于模型的上方（X 方向），以模拟真实煤层的地应力环境，上部载荷为10 MPa；将Y 轴轴向与Z 轴轴向的两侧边界设为固定位移边界；将钻孔与割缝位置设为自由位移边界。模型的外部边界为渗流等势边界。

2 模拟结果分析

2.1 抽采过程中瓦斯压力变化规律

3 孔模型与5 孔模型瓦斯抽采等值线图分别如图3（a）和图3（b）所示，3 缝与5 缝模型的抽采压力等值线图如图3（c）与图3（d）所示。可见，对掘进工作面进行钻孔瓦斯抽采，可有效降低邻近煤体的瓦斯压力，但在相同瓦斯压降下，3 孔模型与5 孔模型的瓦斯压降区域面积差异小，说明增加钻孔数量对增加试验面的抽采卸压效果有限。与5孔模型相比，割缝后环绕钻孔区域的瓦斯压力明显降低。由此可见，与普通钻孔抽采瓦斯相比，即使钻孔数较少，水力割缝仍能显著降低煤体瓦斯压力，取得较好的煤层突出消除效果。对比3 缝和5 缝的模拟结果，可见当瓦斯压降程度相当时，5 缝模型的瓦斯压降范围大于3 缝模型，说明5 缝模型的瓦斯抽采效果优于3 缝模型，5 缝压裂的突出消除作用更强。

掘进工作面单向沿巷水力割缝与钻场联合掘进工作面水力割缝条件下的煤层瓦斯压力分布等值线图（X=1.6 m，YZ 平面）如图4。结果表明，掘进面单向沿巷水力割缝后，仅在掘进面区域内形成了一个矩形的卸压区。而钻场联合掘进面进行割缝后的卸压区域为联合钻孔割缝所共同形成的梯形区域。这表明，联合割缝的作用范围更广，煤体在割缝后的卸压区域更大，对避免两帮瓦斯的涌入有较好的作用，可有效减少两帮瓦斯水平，对试验面煤体的卸压效果良好。

图4 不同割缝方式气体压力等值线图

2.2 瓦斯抽采速度变化

掘进面单向沿巷水力割缝与钻场联合掘进面水力割缝条件下的瓦斯抽采速度演变规律如图5 所示。在前0～50 d，联合水力割缝方案实施后煤体的瓦斯抽采速度由430 m3/d 降低至150 m3/d，而掘进面单向沿巷水力割缝煤体的抽采速度在50 m3/d 左右波动。

图5 两种方案的煤层瓦斯抽采速度比较

由上可知，在抽采前期，掘进面单向沿巷水力割缝煤体瓦斯抽采量增加速度较快，随着抽采的持续进行，掘进面邻近煤体的瓦斯含量逐渐降低，两侧煤帮的气体渗透流速缓慢，导致抽采总量增加速度明显减缓；而联合水力割缝后的煤体抽采瓦斯过程中，由于两侧煤帮梯形区域内的气体渗透流速较快，瓦斯持续不断涌入掘进面的抽采孔中，使得抽采总量的增速平稳。因此，与掘进面单向沿巷水力割缝相比，钻场联合掘进面水力割缝可以更有效地提高煤体瓦斯抽采率及抽采速度，降低工作面突出易发性，有效保障掘进面的稳定施工。

3 现场试验

试验工作面为华阳集团新元公司31011 回风巷掘进面，结合数值模拟的分析结果，确定了如图6所示的水力割缝方案。

图6 钻孔布置方案平面图（m）

现场抽采试验结果表明，新元煤矿31011 回风巷道掘进头水力割缝抽采孔在20 d 抽采周期内总流量的均值为0.998 m3/min，未割缝的普通孔在20 d的周期内总流量均值仅降低至0.148 9 m3/min。水力割缝抽采孔在20 d 抽采期内瓦斯抽采浓度平均值为40.18%，仅进行钻孔抽采的掘进段在20 d 工作周期内钻孔抽采浓度的均值仅有9.85%。水力割缝抽采孔的总流量平均值与瓦斯抽采浓度平均值均显著高于普通抽采孔。可见，对巷道掘进面煤体进行水力割缝，可以有效地对掘进头煤层进行消突，并可以有效提高巷道掘进速度。