高壓空氣沖擊條件下煤體氣體壓力分步模擬研究

胡宗源HU Zong-yuan

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

0 引言

礦井瓦斯嚴重威脅著煤礦的安全生產，近年來隨著采深的逐步增加，此類問題日趨嚴重，因此，此類問題是目前礦井安全生產急需解決的問題。而我國多數礦井煤層瓦斯透氣性低，抽采效果差，嚴重影響了礦井的安全生產。同時，煤質松軟、高瓦斯、高應力、低透氣性是我國煤層的普遍特點，因此要提高礦井瓦斯抽采效率，就必須增加煤層的透氣性。

煤體內部裂隙網絡提供了煤層的滲透性，大量相互連通的裂隙網絡為煤層內部氣體流動提供了通道。幾十年來，國內外科研人員都對低透氣性煤層瓦斯抽采技術進行過研究，通過增強礦井煤層透氣性來提高煤層瓦斯抽采效果，國內外學者通過水力壓裂（割縫）、深孔欲裂爆破、施工密集鉆孔（交叉鉆孔）等方法來增加煤層透氣性。

1 高壓空氣沖擊煤體增透技術介紹

1.1 高壓空氣沖擊煤體增透技術的提出

高壓空氣沖擊制裂技術是室世界上新興的技術，它起源于上個世紀80 年代。目前俄羅斯、美國、等都進行了理論與實踐的研究，并且取得了成功。我國于80 年代末在高能氣體壓裂方面也取得了成功，目前在油田提高油氣產出率方面使用高能氣體壓裂技術較多。煤層與油氣儲層在原理上相類似，把高能氣體壓裂技術應用在煤層瓦斯的抽采領域在我國還處于嘗試階段，該技術為治理礦井瓦斯提供了新的方法[1-3]。

1.2 高壓空氣沖擊煤體增透技術的原理

高壓空氣沖擊煤體增透技術原理即通過使用高壓空氣流沖擊煤層來提高其透氣性。主要設備有空氣壓縮機、管道和高壓噴射嘴。空氣壓縮機提供50～100MPa 高壓空氣，噴射嘴噴射出的高壓空氣來切割周圍煤體，使其不斷產生裂隙和孔洞。首先高壓空氣通過噴嘴在煤體中產生應力波，這些應力波不斷向四周傳遞，鉆孔周圍煤體在應力波的作用下不斷卸壓產生松動圈。

圖1 高壓空氣制裂示意圖

高壓空氣沖擊孔周圍煤體在高壓空氣作用下產生微觀裂隙，微觀裂隙持續不斷的萌生擴展并轉換為宏觀裂隙，這些裂隙不斷擴展貫通進而增大煤層的透氣性[3~8]。

圖2 煤體裂隙

1.3 高壓空氣沖擊煤體的目的

高壓空氣沖擊的目的是改變煤體微觀結構，促進煤體內部裂隙的發育，增加煤體結構進而增強其透氣性，提高煤層瓦斯抽采效率，從而有助于煤層瓦斯災害治理。

圖3 高壓空氣爆裂前煤體中裂隙示意

2 高壓空氣沖擊煤體氣體壓力分布模擬研究

2.1 數學模型

煤體介質是一種地質材料，在其形成過程中受埋藏深度、變質程度、圍巖性質等多種因素的影響，其物理、力學性質（如彈性模量、強度等）并不相同，即煤層是非均質的。為簡化模型，在除火成巖侵入、斷層、陷落柱等地質構造帶外的煤層賦存穩定區域，可以將煤層看作是均質的，并將該區域內煤層原始瓦斯壓力看作是均勻的。按以下設定建立瓦斯流動數學模型：

煤體介質是地質材料中的一種，煤層中的煤體在形成過程中經過漫長的變質程度，同時受到煤體圍巖和煤體埋藏深度的影響，其彈性模量和強度等力學性質存在很大變化，也造就了煤體內部結構的不均勻性。為了簡化整個數學模型，定義未受到火成巖侵入、陷落柱和斷層等地質構造帶影響的煤層賦存區煤體內部結構為均勻的。并建立以下模型：①計算區域內煤體內部結構是均勻的，并且煤層透氣性系數、孔隙率和煤層瓦斯壓力均為一個常量。②煤體圍巖沒有變形且為均質的。③煤體圍巖內部不含瓦斯且不透氣，同時煤層透氣性很差。④煤層瓦斯處于飽和吸附狀態，且符合朗格繆爾方程。⑤煤層瓦斯滲流為恒溫過程，符合達西定律。

根據煤層瓦斯氣體運動方程、理想氣體狀態方程和煤巖體的變形場方程，建立高壓空氣沖擊煤體煤層瓦斯滲流-演化數學模型。利用煤層瓦斯朗格繆爾方程、有效應力方程和克林肯博格方程，經過計算簡化得到：

2.2 工程背景

本文煤樣以新疆焦煤集團2130 煤礦5 號煤層特性為例進行定義，井田有2 個含煤地層，從上至下為中統西山窯組和下統八道灣組。5 號煤層在下統八道灣組，煤層平均厚度4.29m，煤層較穩定，結構簡單，井田范圍全區可采。頂板為粗砂巖和礫巖，局部為細砂巖；煤層底板為粉砂巖。

2.3 數值模擬

應 用 模 擬 軟 件 分 別 模 擬40MPa、60MPa、80MPa、100MPa 和120MPa 空氣壓力和其在不同應力條件下對媒體沖擊的模擬計算，并用模擬軟件進行處理和分析以上結果。采用平面應力-應變分析，模型尺寸為標準的10m×10m，本模型通過求解共劃分若干個單元。邊界為不透氣巖體，即圍巖瓦斯氣體流量為0m3/min，煤層原始瓦斯壓力設定為5MPa，物理參數見表1 所示。

表1 煤巖體物理參數

順 層 沖 擊 分 別 以120MPa、100MPa、80MPa、60MPa、40MPa 高壓空氣以多點連續方式沖擊煤體進行模擬，得出高壓空氣沖擊煤體煤層氣體壓力場分布圖，取部分煤層中氣體壓力曲線圖。（圖4-圖6）

圖4 40MPa 高壓空氣時氣體壓力場分布

圖6 120MPa 高壓空氣時壓力場分布圖

通過計算分析，將以上不同壓力情況下沖擊煤體后煤體中的壓力分布情況進行對比分析，得出圖7[9-11]。

圖7 多點連續式沖擊時煤層中的氣體壓力分布曲線對比圖

圖5 80MPa 高壓空氣時氣體壓力場分布圖

由圖7 多點連續式沖擊時煤層中的氣體壓力分布曲線圖可知，高壓空氣對媒體的沖擊大大提高了煤體的透氣性，并且隨著沖擊空氣壓力的增大，沖擊后煤體中沖擊空氣的壓力梯度也逐漸變大。靠近噴嘴的地方其空氣壓力值最高，對煤體沖擊效果也越好，煤體中隨著距離噴嘴長度增大，其效果不斷降低，當距離進入到臨近噴嘴的影響范圍時，氣體壓力又呈現出增大的趨勢。

3 結論

①高壓空氣波的沖使煤體內部出現大量孔隙，使煤層透氣性大大提高。

②高壓空氣沖擊條件下，煤層中氣體壓力梯度隨著氣體壓力的增大而增大。在同一氣體壓力沖擊條件下，距離噴嘴出口越近的煤體其氣體的壓力梯度變化越大。