低透氣性煤層水力沖孔和抽采鉆孔瓦斯治理模擬研究

李喜員，榮 海，范超軍

(1.中國平煤神馬集團 煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.平煤股份煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467000； 3.遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000)

煤炭是我國國民經濟發展的重要能源，在一次能源中占比50%以上。隨著煤炭開采向地層深部發展，煤層中的地應力、瓦斯壓力升高，瓦斯突出及復合災害也日益凸顯[1]。我國煤層的地質構造復雜，存在強烈的構造變形，大多數高瓦斯煤層滲透率低，在高瓦斯煤層中，低透氣性煤層占比約為90%[2]，因此，開展地應力—滲流耦合作用下低透氣性煤層水力沖孔與普通鉆孔相結合的瓦斯立體抽采規律的精細化模擬研究，具有重要的理論價值和實際意義[3-4]。

低透氣性煤層具有瓦斯含量高、抽采效率低、抽采難度大的特點。因此，學者們在增強瓦斯抽采方面進行了大量研究，包括增強鉆孔氣密性(合理封孔參數、兩堵一注、帶壓封孔)、鉆孔穩定性(改善孔內負壓、下篩管)等技術措施，并進行了相應的鉆孔布置方式優化[5-6]。同時，也對煤層滲透性進行了改造研究，包括保護層開采、預裂爆破、CO2爆破、水力割縫、水力沖孔等[7-11]，其中，預裂爆破、CO2爆破、水力壓裂的致裂范圍大，但是裂隙延展方向不確定，當松軟的煤層所受的應力釋放時，產生的裂隙一般會閉合；水力沖孔、水力割縫產生的裂隙能夠沿著指定方向擴展，裂隙網能夠較長時間保持穩定，一方面可解除煤層高應力，另一方面可增大抽采負壓與煤層的接觸面積，增大瓦斯抽采量[12-14]。由于現場試驗的復雜性和難以重復性，數值模擬成為研究瓦斯抽采的重要手段[15]。

筆者結合數值模擬和現場驗證的方法開展研究。首先構建了煤層應力—瓦斯滲流耦合數學模型，包括應力場方程和滲流場方程；然后在三維煤層模型的基礎上，利用建立的數學模型精細地模擬了低透氣性煤層水力沖孔與普通鉆孔相結合的瓦斯立體抽采規律，以優化瓦斯抽采設計；最后基于現場瓦斯抽采結果驗證抽采效果。

1 煤層瓦斯運移應力—滲流耦合數學方程

1.1 煤體受力變形方程

根據瓦斯抽采過程中瓦斯的賦存與運移規律，提出以下假設[11,15-16]：①將煤層及其頂底板劃分為若干細觀代表單元體(REV)，該單元體相對于宏觀為無限小，相對于微觀為無限大；②煤體是一種多孔彈性非均質連續介質；③孔隙中有吸附、游離瓦斯賦存和運移；④瓦斯首先從煤基質的孔隙壁解吸，然后通過孔隙滲流運移到抽采鉆孔中；⑤瓦斯為理想氣體，符合理想氣體狀態方程。

煤體為彈性多孔連續介質，其總應變(εij)是固體應力、瓦斯和水壓力及瓦斯解吸引起的應變之和[10]：

(1)

式中：εij為煤體的總應變；下標i和j表示張量的方向，即笛卡爾坐標系的x或y或z方向，下同；G為煤體切變模量，G=E/2(1+ν)，Pa；E為煤體彈性模量，Pa；ν為泊松比；K為煤體體積模量，K=E/3(1-2ν)，Pa；σij為煤體所受應力，Pa；σkk為煤體所受正應力的合力，Pa；δij為Kronecker符號，當i=j時，δij=1，而當i≠j時，δij=0；αf為Biot有效應力系數，αf=1-K/Ks；Ks為煤體骨架體積模量，Ks=Es/3(1-2ν)，Pa；Es為煤體骨架彈性模量，Pa；pg為瓦斯壓力，Pa；εs為吸附應變。

煤體的幾何關系和靜力平衡關系分別為[17]：

(2)

式中：ui,j為i方向上的位移對j方向求偏導；uj,i為j方向上的位移對i方向求偏導；σij,j為應力σij對j方向求偏導，Pa/m；Fi為i方向上的體積力，N/m3。

聯立式(1)和式(2)，可得考慮孔隙壓力和吸附作用的修正Navier方程，即應力場控制方程：

(3)

式中：ui,jj為i方向上的位移對j方向求二次偏導，m-1；uj,ji為j方向上的位移對j方向和i方向求偏導，m-1；pg,i為瓦斯壓力pg對i方向求偏導，Pa/m；εs,i為吸附應變εs對i方向求偏導。

1.2 瓦斯滲流方程

煤層瓦斯主要呈吸附態和游離態兩種，最開始處于吸附和解吸動態平衡狀態，當平衡狀態被打破時，吸附狀態的瓦斯由孔隙壁解吸，并擴散運移到孔隙空間中。考慮氣體滑脫效應，結合Darcy定律，孔隙中瓦斯質量守恒方程可表示為[15]：

(4)

式中：φ為孔隙率；ρc為煤體密度，kg/m3；ρgs為標況下瓦斯密度，kg/m3；Mg為瓦斯摩爾質量，kg/mol；R為摩爾氣體常量，J/(mol·K)；T為煤層溫度，K；VL為Langmuir體積常數，m3/kg；pL為Langmuir壓力常數，Pa；k為煤層滲透率，m2；μg為瓦斯動力黏度，Pa·s。

孔隙率、滲透率與煤層的應力狀態、力學性質密切相關，煤層孔隙率模型可表示為[18-20]：

φ=αf-(αf-φ0)exp(S0-S)

(5)

式中：S為應變量，S=εV+pg/K-εs，S0=εV0+pg0/K-εs0;εV為體積應變;下標“0”表示各對應物理量的初始值。

采用立方定律描述滲透率與孔隙率間的關系，煤層滲透率動態演化方程為[21]：

(6)

式中k0為煤層初始滲透率，m2。

將式(3)、(4)和(6)聯立，得到煤層應力—滲流耦合模型，可采用有限元軟件求數值解，研究低透氣性煤層水力沖孔與普通鉆孔相結合的瓦斯立體抽采規律，進而優化抽采方案。

2 工程概況

2.1 礦井與工作面概況

平頂山煤業集團十礦(簡稱為平煤十礦，下同)位于平頂山市東北部，距市區中心約6 km，行政區劃屬平頂山市衛東區，設計產量180萬t/a。井田總體為一走向北西西、傾向北北東的單斜構造，平煤十礦向斜和郭莊背斜構成井田的基本構造格局，主體地質構造為復式李口向斜。井田南北傾向長約6.0 km，東西走向寬2.0～4.7 km。井田內主要可采煤層和局部可采煤層有8層，主采丁、戊、己和庚4組煤層。

2.2 工作面瓦斯防治概況

己15-16-24100工作面位于平煤十礦-320 m水平己四采區西翼第四區段，工作面東靠己四軌道下山，西距26勘探線820 m，南鄰己15-24080采空區，上覆己15-24080機巷高抽巷，機巷底板以下15～17 m為己15-16-24100機巷底板巷，北部未開采。工作面有效走向長808.6 m，傾斜寬136.1 m，開切眼斜長137 m。己15-16-24100工作面所采煤層為己15-16煤層，機、風兩巷均沿己15煤層頂板掘進，工作面采用單一走向長壁后退式采煤法，綜合機械化采煤工藝。工作面埋深844～897 m，平均煤厚為3.7 m，煤層平均瓦斯壓力為1.25 MPa，平均瓦斯含量為8.09 m3/t，透氣性系數為1.86 m2/(MPa2·d)，為突出危險煤層。己15-16煤層下方有己17煤層及己18煤層，煤厚分別為2.0～2.5 m和0.3～0.6 m。為了消除在己15-16-24100工作面準備和回采過程中的突出危險性，需要對工作面煤層瓦斯進行預抽采。

3 低透氣性煤層瓦斯立體抽采精細化模擬

3.1 瓦斯立體抽采方案與求解條件

步驟1：己15-16-24100風巷順層鉆孔瓦斯抽采防突措施模擬。在己15-24080采煤工作面機巷下幫施工順層鉆孔，孔徑94 mm，孔深100 m，鉆孔間距 2 m，抽采時間270 d。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 己15-16-24100風巷瓦斯抽采順層鉆孔布置平面圖(步驟1)

步驟2：己15-16-24100機巷穿層鉆孔瓦斯抽采防突措施模擬。機巷與機巷底板巷的平距為幫對幫外錯2 m，己16-17煤層下界與機巷底板巷的垂距為12～14 m，底板巷與煤巷施工方位角相同，在己15-24100機巷底板巷內向煤巷掘進工作面煤體超前打鉆卸壓和抽采。在機巷底板巷從采煤工作面終采線開始，向機巷掘進區域煤層施工穿層鉆孔，鉆孔控制上覆機巷兩幫各22 m，每組鉆孔間隔4 m，每組鉆孔10個，鉆孔終孔點穿過己15煤層0.5 m，鉆孔孔徑94 mm。鉆孔施工完畢后，進行聯網抽采，抽采時間90 d。鉆孔布置如圖2所示。

圖2 機巷底板巷普通瓦斯抽采鉆孔布置平面圖(步驟2)

步驟3：己15-16-24100機巷底板巷水力沖孔防突措施模擬。在該區域施工水力沖孔，每組沖孔間隔 8 m，每組沖孔3個，沖孔半徑約0.5 m，沖孔后抽采時間32 d。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 機巷底板巷水力沖孔布置平面圖(步驟3)

步驟4：己15-24100工作面開切眼穿層鉆孔瓦斯抽采防突措施模擬。鉆孔見煤點控制上覆開切眼對應己15-16煤層兩幫各27 m，每組鉆孔間隔4 m，每組鉆孔13個，鉆孔終孔點應穿過己15煤層0.5 m，鉆孔孔徑94 mm。在開切眼底板巷132 m范圍實施，鉆孔施工完畢并進行聯網抽采，抽采時間90 d。鉆孔布置如圖4所示。

圖4 開切眼底板巷普通瓦斯抽采鉆孔布置平面圖(步驟4)

步驟5：己15-16-24100機巷本煤層順層鉆孔瓦斯抽采防突措施模擬。己15-16-24100工作面傾向長度136.1 m，在機巷上幫、風巷下幫施工順層鉆孔，對回采工作面煤體瓦斯進行抽采。施工完畢并進行聯網抽采，累計施工順層預抽鉆孔596個，累計鉆孔長度 48 486 m，評價區域有效抽采時間為120 d。鉆孔布置如圖5所示建立的煤層幾何模型尺寸為155 m×123 m×3.7 m，煤層的初始滲透率為1.8×10-17m2、初始瓦斯壓力為1.25 MPa、溫度為293.5 K；在瓦斯抽采鉆孔壁，抽采負壓為25 kPa。模型的底部為固定邊界，四周為滑動邊界，頂部受覆巖重力作用，為恒定載荷邊界；所有外部邊界對瓦斯而言為無滲透邊界；初始條件下，煤層處于自由應力狀態。采用有限元方法，將模型進行網格劃分。在圖1～5中，A—B線和C—D線為煤層壓力變化的觀測線，分別為模擬幾何模型在x和y方向上的中線。己15-16-24100工作面煤層瓦斯抽采精細化數值模擬過程用到的相關參數如表1 所示。

圖5 己15-16-24100機巷本煤層瓦斯抽采鉆孔布置平面圖(步驟5)

表1 煤層瓦斯抽采精細化數值模擬參數

3.2 模擬結果分析

根據3.1節的模擬方案和求解條件，獲得不同步驟瓦斯抽采結束時刻的瓦斯壓力分布云圖，如圖6 所示。

(a)步聚1

(b)步聚2

(c)步聚3

(d)步聚4

(e)步聚5

從圖6(a)可以看出，在己15-24080工作面機巷下幫施工順層鉆孔，瓦斯抽采270 d后，靠近己15-16-24100風巷側的煤層瓦斯壓力降低到0.5 MPa以下，滿足平煤十礦煤與瓦斯突出防治規定的“雙6”指標(殘存瓦斯壓力小于0.6 MPa，殘存瓦斯含量小于6 m3/t)要求，可以進行風巷的掘進作業。圖6(b)為在步驟1基礎上，當己15-16-24100機巷穿層鉆孔瓦斯抽采90 d后的瓦斯壓力云圖，可以看出，普通抽采鉆孔瓦斯抽采效率較低，在設計機巷位置煤層內瓦斯壓力降低幅值較小，瓦斯壓力仍然大于 0.8 MPa，因此，采用底抽巷水力沖孔，加快瓦斯抽采速率，促進煤層瓦斯壓力盡快達標。圖6(c)為水力沖孔瓦斯抽采32 d后煤層瓦斯壓力分布云圖，此時，在機巷設計位置煤層內瓦斯壓力小于0.6 MPa，抽采達標，消除了突出危險性，可以開展機巷掘進作業。為保障開切眼安全順利貫通，采用開切眼底抽巷穿層鉆孔抽采方式進行瓦斯抽采，抽采時間90 d，瓦斯壓力分布如圖6(d)所示，可以看出，設計開切眼位置煤層內瓦斯壓力快速降低，低于 0.6 MPa，滿足開切眼掘進要求，可以從兩巷端頭進行開切眼掘進作業，使開切眼安全貫通。 同時還可以看出，煤層中靠近機巷側煤層瓦斯壓力仍較大(>0.8 MPa)，需在靠機巷側采取順層鉆孔瓦斯抽采措施，消除突出危險性，即采取步驟5措施，進行為期120 d的順層鉆孔抽采作業。抽采作業結束后，煤層瓦斯壓力分布如圖6(e)所示，可以看出，煤層內瓦斯壓力均下降到0.6 MPa以下，能夠保障煤層安全回采。

采用不同防突措施后煤層A—B線上瓦斯壓力變化情況如圖7所示，可以看出在執行防突步驟1后，曲線上瓦斯壓力就降低到0.5 MPa以下，說明己15-24080工作面機巷下幫順層鉆孔瓦斯抽采對己15-16-24100工作面風巷達到了預期的突出解危效果。并且，隨著己15-16-24100工作面抽采措施的開展，煤層瓦斯壓力仍在逐漸降低，能夠保障煤層回采過程的安全。

圖7 不同防突措施后煤層A—B線上瓦斯壓力變化情況

煤層C—D線上瓦斯壓力變化情況如圖8所示。與圖7中A—B線上瓦斯壓力變化有較大區別，C—D線貫穿了己15-16-24100工作面的機巷和風巷，由于該區域內煤層采取的防突措施在時間上存在差異，煤層內瓦斯壓力的變化也具有較大差異，體現在靠近機巷附近瓦斯壓力較高，靠近風巷附近瓦斯壓力較低。同時由圖8可以看出，當采取步驟3的防突措施后，即機巷穿層鉆孔抽采后，機巷設計位置的瓦斯壓力降至0.58 MPa以下，滿足機巷掘進瓦斯壓力要求。此外，在靠近機巷煤壁往煤層內部15～50 m區域內瓦斯壓力持續維持在較高水平，直到在機巷內采取順層鉆孔瓦斯抽采措施后(即步驟5)，該區域內的瓦斯壓力迅速降低到0.3～0.4 MPa，從而可保障整個工作面回采期間的安全。

圖8 不同防突措施后煤層C—D線上瓦斯壓力變化情況

3.3 瓦斯監測結果驗證

在己15-16-24100工作面風巷開口向里50 m處開始每50 m施工一組測試鉆孔，共布置10組，每組2個鉆孔，孔徑75 mm，每個鉆孔均測試殘存瓦斯含量和殘存瓦斯壓力，己15-16-24100風巷瓦斯壓力與瓦斯含量測定結果如圖9和圖10所示。

圖9 己15-16-24100風巷瓦斯壓力測定結果

圖10 己15-16-24100風巷瓦斯含量測定結果

由圖9和圖10可以看出，采取解危措施后，己15-16煤層殘存瓦斯壓力為0.25～0.45 MPa，殘存瓦斯含量為2.8～4.5 m3/t，符合河南省關于殘存瓦斯含量小于6 m3/t、殘存瓦斯壓力小于0.6 MPa的相關規定。

將模擬結果與現場實際觀測結果進行比較，殘存瓦斯壓力和殘存瓦斯含量的模擬結果與實際觀測結果相當，表明己15-16-24100風巷解危措施效果明顯。

4 結論

1)分析了瓦斯解吸、滲流及煤巖變形的相互作用，構建了煤層瓦斯運移應力—滲流耦合數學方程，并采用有限元軟件對其進行了求解。

2)采用5個步驟精細化模擬了水力沖孔結合抽采鉆孔的立體瓦斯治理模式，以降低平煤十礦己15-16-24100工作面瓦斯突出危險性，獲得了不同階段煤層中的瓦斯壓力分布情況。

3)根據瓦斯現場監測結果，采用5個步驟瓦斯防治措施后，己15-16煤層中殘存瓦斯壓力值降為0.25～0.45 MPa，相應的煤層殘存瓦斯含量降為2.8～4.5 m3/t，滿足突出防治規定要求，由此可知該方案可行性較好。