強(qiáng)沖擊傾向煤層注水效果模擬分析

詹召偉 沈建波 蔡可強(qiáng)

(1.山東濟(jì)寧運(yùn)河煤礦有限責(zé)任公司；2.山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦；3.濟(jì)寧市金橋煤礦)

中國是世界產(chǎn)煤大國，據(jù)統(tǒng)計，2015年在同比減產(chǎn)3.3%的情況下中國原煤產(chǎn)量依然達(dá)到了37.5億t。但與國際上其他產(chǎn)煤大國如美國、澳大利亞等相比，中國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重。尤其是近年來，隨著深部開采的進(jìn)展，中國煤礦沖擊地壓的發(fā)生強(qiáng)度和頻度都在增加。國內(nèi)外研究、實踐證明[1]，煤層注水可以從根本上改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)，降低煤體沖擊傾向性，是一種積極防治沖擊地壓的有效方法，而且能預(yù)防煤與瓦斯突出，減小工作面回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，降低空氣中粉塵含量。目前的注水系統(tǒng)一般采用靜壓注水或高壓注水。靜壓注水對于透氣性很好的煤層效果良好。高壓注水是通過煤層鉆孔注水壓裂改變煤體的裂隙結(jié)構(gòu)，使煤體脆性減弱，塑性增強(qiáng)，促使煤層大范圍卸壓，從而預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生或使其強(qiáng)度減弱。國內(nèi)外不少專家和學(xué)者對煤層注水技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了許多成果，使得煤層注水技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但目前煤層注水技術(shù)依然存在許多不足，尤其是對注水效果的驗證方面還無有效方法。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，選定深部強(qiáng)沖擊傾向性煤層工作面開展可注性實驗，對煤層沖擊傾向性、可注性、不同注水條件效果模擬等方面進(jìn)行研究，為深部煤層注水參數(shù)設(shè)計提供理論參考。

1 煤層概況

本次實驗煤層為3煤,埋深約963 m，煤層厚1.2～5.7 m，平均為4.3 m，采用《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》(MT/T 174—2000)取煤樣進(jìn)行實驗測定，得出該煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，測定結(jié)果見表1。

表1 煤樣沖擊傾向性各項指數(shù)測定結(jié)果

2 煤層可注性測定

煤層孔隙率測定方法主要有密度法、等溫吸附法、壓汞法及NMR旋轉(zhuǎn)-松弛法。本實驗測試依據(jù)《煤層注水可注性鑒定方法》 (MT/T 1023—2006)，采用密度法，通過測定煤的真、視密度計算煤的孔隙率，測試結(jié)果見表2。

結(jié)合表2測定結(jié)果，依據(jù)《煤層注水可注性鑒定方法》(MT/T 1023—2006)所述判定規(guī)則，模擬煤層所取煤樣同時滿足W≤4%，n≥4%，δ≥1%和f≥0.4，判定模擬煤層具有可注性。

3 煤層注水效果模擬分析

運(yùn)用FLAC3D軟件[2-4]模擬計算不同條件下煤層注水在煤層中的傳播情況。

3.1 模型的建立

采用流-固耦合滲透分析，主要涉及的參數(shù)包括滲透系數(shù)、密度、流體體積模量和孔隙率[5-6]，見表3。

表2 煤樣可注性測定結(jié)果

表3 流-固耦合滲透分析參數(shù)

煤層厚4 m，寬20 m，主要考慮鉆孔周圍的水體滲透情況，建立二維模型，見圖1。根據(jù)模型內(nèi)注水孔隙壓力變化范圍可以判斷出注水滲透半徑。

圖1 計算模型

3.2 不同孔徑下的滲透半徑

模擬注水壓力為15 MPa，埋深為900 m，孔徑分別為50,75和108 mm下煤體鉆孔周圍水分滲透情況[7]，模擬結(jié)果見圖2?？梢钥闯?當(dāng)孔徑為50 mm時，其滲透半徑為245 mm；當(dāng)孔徑為75 mm時，其滲透半徑為357.8 mm；當(dāng)孔徑為108 mm時，其滲透半徑為487.4 mm。由此可知，當(dāng)孔徑增大時，其滲透半徑也隨之增大。

圖2 滲透半徑隨孔徑變化曲線

3.3 不同埋深下的滲透半徑

模擬注水壓力為15 MPa，孔徑為75 mm，埋深分別為700，900和1 100 m下煤體鉆孔周圍水分滲透情況，模擬結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯?dāng)埋深為700 mm時，其滲透半徑為357.8 mm；當(dāng)埋深為900 mm時，其滲透半徑為355.6 mm；當(dāng)埋深為1 100 mm時，其滲透半徑為355.5 mm。由此可知，當(dāng)埋深增大，其滲透半徑相應(yīng)減小，但變化幅度不大，說明埋深對注水滲透半徑影響不大。

圖3 不同埋深下滲透范圍云圖

3.4 不同時間下的滲透半徑

模擬注水壓力為15 MPa，孔徑為75 mm，埋深為900 m，不同時步的煤體鉆孔周圍水分滲透情況，模擬結(jié)果見圖4?？梢钥闯?時步為3 000 step時，其滲透半徑為254 mm；時步為5 000 step時，其滲透半徑為332.4 mm；時步為10 000 step時，其滲透半徑為444.6 mm。由此可知，當(dāng)滲透時間增加時，其滲透半徑也隨之增大，說明增加鉆孔注水時間可增大其滲透范圍。

圖4 不同時步滲透范圍變化云圖

4 結(jié) 論

(1)強(qiáng)沖擊傾向性煤層注水技術(shù)是較為有效的一種卸壓解危方法，并可以降低工作面粉塵濃度，對于工作面安全及職工健康防護(hù)均具有重要意義。

(2)通過數(shù)值分析可知，鉆孔在一定注水壓力條件下，水體滲透范圍隨孔徑、注水時間的增加而增大，隨埋深增大而略有減小。

(3)任何技術(shù)都有適用性，煤層注水技術(shù)在強(qiáng)沖擊傾向性煤層中實際應(yīng)用的效果評判將是下一步研究重點。

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