強沖擊傾向煤層注水效果模擬分析

2018-03-21 05:48:58詹召偉沈建波蔡可強

現代礦業 2018年2期

詹召偉沈建波蔡可強

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

中國是世界產煤大國，據統計，2015年在同比減產3.3%的情況下中國原煤產量依然達到了37.5億t。但與國際上其他產煤大國如美國、澳大利亞等相比，中國煤礦地質條件復雜，沖擊地壓災害嚴重。尤其是近年來，隨著深部開采的進展，中國煤礦沖擊地壓的發生強度和頻度都在增加。國內外研究、實踐證明[1]，煤層注水可以從根本上改變煤體物理力學性質，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，而且能預防煤與瓦斯突出，減小工作面回風流中的瓦斯濃度，降低空氣中粉塵含量。目前的注水系統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構，使煤體脆性減弱，塑性增強，促使煤層大范圍卸壓，從而預防沖擊地壓的發生或使其強度減弱。國內外不少專家和學者對煤層注水技術進行了廣泛的研究，并取得了許多成果，使得煤層注水技術得到廣泛應用，但目前煤層注水技術依然存在許多不足，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上，選定深部強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行研究，為深部煤層注水參數設計提供理論參考。

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的測定方法》(MT/T 174—2000)取煤樣進行實驗測定，得出該煤層具有強沖擊傾向性，測定結果見表1。

表1 煤樣沖擊傾向性各項指數測定結果

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-松弛法。本實驗測試依據《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，測試結果見表2。

結合表2測定結果，依據《煤層注水可注性鑒定方法》(MT/T 1023—2006)所述判定規則，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，主要涉及的參數包括滲透系數、密度、流體體積模量和孔隙率[5-6]，見表3。

表2 煤樣可注性測定結果

表3 流-固耦合滲透分析參數

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。根據模型內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]，模擬結果見圖2。可以看出,當孔徑為50 mm時，其滲透半徑為245 mm；當孔徑為75 mm時，其滲透半徑為357.8 mm；當孔徑為108 mm時，其滲透半徑為487.4 mm。由此可知，當孔徑增大時，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，模擬結果見圖3。可以看出，當埋深為700 mm時，其滲透半徑為357.8 mm；當埋深為900 mm時，其滲透半徑為355.6 mm；當埋深為1 100 mm時，其滲透半徑為355.5 mm。由此可知，當埋深增大，其滲透半徑相應減小，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，模擬結果見圖4。可以看出,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。