張浩浩，李 勝,2，高 宏，楊振華，趙春陽，王簫鶴

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000；3. 煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016)

0 引言

近年來，隨著煤炭資源的開采由淺部向深部的轉(zhuǎn)移，煤與瓦斯突出及沖擊地壓等動力災(zāi)害發(fā)生的頻次及強度也隨之增加，煤層瓦斯壓力呈明顯上升趨勢[1]。瓦斯抽采作為降低煤層瓦斯壓力、減小煤與瓦斯突出發(fā)生概率、保障煤礦安全生產(chǎn)的重要手段之一，隨著煤炭開采的深度及強度增加則顯得尤為重要[2]。

為了保障煤炭資源的安全開采和瓦斯資源的抽采利用，國內(nèi)外學(xué)者在瓦斯抽采理論與技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究。在瓦斯抽采多場耦合理論方面，孫培德等[3]提出煤層氣越流固氣耦合數(shù)學(xué)模型, 并將該模型應(yīng)用于鄰近層煤層氣涌出的數(shù)值模擬實例中；尹光志等[4]、梁冰等[5]認(rèn)為在瓦斯運移受地應(yīng)力、瓦斯的吸附/解吸、地下水等多種因素的綜合影響，建立了煤層瓦斯抽采流固耦合模型；李勝等[6-7]分別從基質(zhì)孔隙及裂隙雙重介質(zhì)和地溫對瓦斯抽采的影響2個方面進(jìn)行研究，構(gòu)建了基質(zhì)瓦斯?jié)B流流固耦合模型及氣-水兩相流熱流固耦合模型。在瓦斯抽采技術(shù)方面，王海闊[8]、SANG等[9]、KONG等[10]結(jié)合現(xiàn)場實際，分別采用底抽巷穿層鉆孔、高位鉆孔和地面鉆孔及其相結(jié)合的方法抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯，獲得了良好瓦斯治理效果；劉清泉等[11]、李波等[12]提出了鉆孔瓦斯抽采有效半徑的確定方法，分析了鉆孔間距對瓦斯抽采的影響；張宏偉等[13]利用被保護(hù)層滲透特性測試系統(tǒng)進(jìn)行了低透煤層保護(hù)層開采卸壓試驗，研究了卸壓煤層的瓦斯?jié)B流及運移規(guī)律；以上研究極大地推動了瓦斯抽采理論與技術(shù)的發(fā)展，為煤炭資源安全開采提供了保障。

本文將在多物理場耦合理論基礎(chǔ)上，建立煤層瓦斯抽采氣固耦合模型，并以平煤十礦己15-16煤層瓦斯抽采為背景，進(jìn)行底板巷穿層鉆孔瓦斯抽采數(shù)值模擬，結(jié)合工程實踐研究瓦斯抽采對降低己15-16-24130工作面運輸巷掘進(jìn)過程瓦斯突出危險性的影響。

1 瓦斯抽采氣固耦合模型

1.1 瓦斯運移場控制方程

煤巖可假設(shè)為由煤基質(zhì)孔隙及裂隙構(gòu)成的一種雙孔隙度、單滲透率的彈性介質(zhì)。在瓦斯抽采過程中，隨著煤層瓦斯壓力的降低，基質(zhì)孔隙中的吸附瓦斯解吸為游離瓦斯，通過擴散作用運移至裂隙中，經(jīng)裂隙滲流至鉆孔中。其中，基質(zhì)瓦斯擴散遵循Fick定律，裂隙瓦斯?jié)B流過程遵循Darcy定律?？紤]裂隙中瓦斯?jié)B流的滑脫效應(yīng)，則基質(zhì)瓦斯和裂隙瓦斯運移方程為[8]：

(1)

式中：VL為Langmuir體積，m3/kg；pL為Langmuir壓力，Pa；ρs為煤的密度，kg/m3；ps為標(biāo)況大氣壓力，Pa；Mg為瓦斯摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為瓦斯摩爾常量，J/(mol·K)；Ts為標(biāo)況溫度，K；T為煤層溫度，K；φm為基質(zhì)孔隙度；φf為裂隙孔隙度；b1為滑脫因子，Pa；kf為裂隙滲透率，m2；μg為瓦斯動力粘度，Pa·s；τ為瓦斯解吸時間，s，表示基質(zhì)放散能力；pm為基質(zhì)瓦斯壓力，Pa；pfg為裂隙瓦斯壓力，Pa；為哈密頓算子。

1.2 應(yīng)力場控制方程

煤巖的物理力學(xué)特性受地應(yīng)力、基質(zhì)孔隙和裂隙流體壓力及瓦斯吸附/解吸特性等因素的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[7]煤層瓦斯運移應(yīng)力場方程為[8]：

(2)

式中：G為剪切模量，G=D/2(1+v)，Pa；D為等效彈性模量，D=1/[1/Es+1/(aLn)]，Pa；Es為煤骨架彈性模量，Pa；Ln為裂隙剛度，Pa；a為煤基質(zhì)寬度，m；v為泊松比；ei,ij為張量形式(e可為位移u，壓力p和應(yīng)變ε)，其中第1個下標(biāo)表示變量e的i方向分量，第2個下標(biāo)表示對ei求i方向偏導(dǎo)數(shù)，第3個下標(biāo)表示對ei,ij求j方向偏導(dǎo)數(shù)；K為煤巖體積模量，K=D/3(1-2v)，Pa；αm和αf分別為孔隙和裂隙對應(yīng)的Biot系數(shù)，αf=1-(K/Ks)，αm=1-K/(aLn)；Ks為煤骨架體積模量，Ks=Es/3(1-2v)，Pa；Fi為體積力，Pa。

1.3 耦合項

孔隙度與滲透率作為瓦斯抽采的重要參數(shù)，受到瓦斯運移及煤體變形等因素的影響。基于上述假設(shè)，煤體中基質(zhì)孔隙度與裂隙孔隙度可定義為[7，14]：

(3)

式中：φm0為初始基質(zhì)孔隙度；φf0為初始裂隙孔隙度；εv為體積應(yīng)變；εL為應(yīng)變常數(shù)；S為基質(zhì)孔隙應(yīng)變量；S0為基質(zhì)孔隙初始應(yīng)變量；Lf為改進(jìn)裂隙剛度Lf=aLn，Pa；Δpm為基質(zhì)瓦斯壓力變化量，Pa。

煤層裂隙滲透率與孔隙度的關(guān)系可用滲透率立方定律[15]表示，可得裂隙滲透率為：

(4)

式中：kf0為初始裂隙滲透率，m2。

聯(lián)立式(1)～(4)構(gòu)成瓦斯抽采氣固耦合模型，利用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行煤層瓦斯抽采數(shù)值模擬，可對煤層瓦斯抽采情況進(jìn)行研究。

2 瓦斯抽采數(shù)值模擬

2.1 穿層鉆孔布置方案

平頂山十礦己15-16煤層埋深為1 000 m，傾角為15°，煤厚為3.2 m，瓦斯壓力為1.25 MPa，瓦斯含量為8.09 m3/t，透氣性系數(shù)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15-16-24130工作面運輸巷掘進(jìn)過程中的突出危險性，需要對工作面運輸巷附近煤層瓦斯進(jìn)行抽采。

抽采方案為：在己18煤層及鄰近巖層中開掘一條底板巷，在底板巷布置穿層鉆孔，對己15-16煤層工作面運輸巷附近的瓦斯進(jìn)行抽采。穿層鉆孔布置方案如圖1所示，每排布置13個鉆孔，孔徑為94 mm，孔深延伸至己15-16煤層頂板位置。相鄰兩排鉆孔間距為6 m，抽采負(fù)壓為20 kPa，穿層鉆孔參數(shù)如表1所示。

圖1 鉆孔布置方案Fig.1 Layout diagram of boreholes

孔號傾角/(°)開孔位置/m孔深/m1左偏30.2頂板距左幫0.331.02左偏38.4頂板距左幫0.727.03左偏47.4頂板距左幫1.024.54左偏57.2頂板距左幫1.322.55左偏67.4頂板距左幫1.721.56左偏77.7頂板距左幫2.021.07左偏87.9頂板距右?guī)?.321.58右偏82.0頂板距右?guī)?.022.59右偏72.3頂板距右?guī)?.724.010右偏63.3頂板距右?guī)?.327.011右偏55.1頂板距右?guī)?.030.512右偏47.9頂板距右?guī)?.735.513右偏41.7頂板距右?guī)?.342.0

2.2 幾何模型與定解條件

針對上述穿層鉆孔瓦斯抽采方案進(jìn)行模擬研究，數(shù)值模擬所用參數(shù)如表2所示[7-8]。對工程背景進(jìn)行簡化，建立圖2所示的幾何模型。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)Table 2 Parameters of numerical simulation

圖2中截線AB和CD是位于己15-16煤層的瓦斯壓力觀測線，且交于點O，其中點O位于截線CD的中點。模型底部為固定邊界，四周為滑動邊界，頂部受覆巖重力作用，為恒定載荷邊界，煤層與巖層交界處為瓦斯無滲透邊界。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric mode

2.3 模擬結(jié)果分析

以截線AB作縱向地層剖面，研究瓦斯抽采過程中壓力變化情況。己15-16煤層和己17煤層瓦斯壓力分布如圖3所示。

選取瓦斯抽采至30,60,120和180 d時的瓦斯壓力變化情況進(jìn)行分析。從圖3可以看出，在瓦斯抽采初期，鉆孔附近的瓦斯壓力急劇下降，形成低壓區(qū)；在抽采過程的前120 d內(nèi)，鉆孔附近壓力變化明顯，壓力快速下降；而在120 d后，鉆孔附近壓力降幅逐漸變緩，瓦斯壓力也逐漸趨于穩(wěn)定。

根據(jù)平煤集團(tuán)的煤與瓦斯突出防治的相關(guān)規(guī)定：瓦

圖3 瓦斯壓力分布Fig.3 Gas pressure distribution cloud map

斯抽采后的煤層殘余瓦斯壓力不得大于0.6 MPa，殘余瓦斯含量不得大于6 m3/t，作為瓦斯抽采合格的指標(biāo)，以下簡稱“雙6指標(biāo)”。圖4與圖5分別為截線AB上瓦斯壓力和己15-16煤層殘余瓦斯含量的變化曲線。由圖4可知，在瓦斯抽采第30 d時，鉆孔周圍瓦斯壓力急劇降低，峰值壓力降至0.805～0.906 MPa，壓力降幅達(dá)35.6%。

圖4 截線AB上瓦斯壓力變化Fig.4 Gas pressure variation curves of line AB

當(dāng)抽采進(jìn)行至第120 d時，穿層鉆孔附近煤層瓦斯壓力降低明顯，峰值壓力最小值為0.419 MPa，最大值為0.535 MPa，壓力累計變化達(dá)66.48%。抽采至第180 d時，穿層鉆孔所覆蓋煤層區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在0.315～0.431 MPa之間。在穿層鉆孔瓦斯抽采180 d后，滿足平煤集團(tuán)所規(guī)定的抽采后煤層殘余瓦斯壓力值降至0.6 MPa以下的要求。

己15-16煤層的瓦斯含量隨著抽采的進(jìn)行表現(xiàn)為先快速下降后趨于穩(wěn)定(見圖5)。從瓦斯抽采之初到第60 d為瓦斯含量快速下降階段，瓦斯含量由原來的8.09 m3/t降低至5.19 m3/t，降低幅度達(dá)35.80%。在瓦斯抽采60 d后到第180 d時，瓦斯含量下降速率逐漸變緩，煤層殘余瓦斯含量為3.84 m3/t，較第30 d時的瓦斯含量下降了26.01%。且在第180 d時，己15-16煤層穿層鉆孔覆蓋區(qū)域內(nèi)殘余瓦斯含量趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在3.84 m3/t。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)瓦斯抽采120 d后，己15-16煤層殘余瓦斯含量滿足小于6 m3/t的規(guī)定。

圖5 殘余瓦斯含量變化Fig.5 Residual gas content variation curves

以截線AB,CD所相交平面進(jìn)行截面處理，研究在瓦斯抽采180 d之后的瓦斯壓力分布情況，截面上瓦斯壓力分布如圖6所示，圖6中CD線為瓦斯壓力值為0.6 MPa時的等值線。

圖6 ABCD截面上瓦斯壓力Fig.6 Gas pressure distribution cloud map of surface ABCD

從圖6中可以看出，在穿層鉆孔所覆蓋的區(qū)域內(nèi)的煤層瓦斯壓力均下降至0.6 MPa以下，己15-16-24130工作面運輸巷附近的煤層瓦斯壓力在0.30～0.40 MPa之間，小于平煤集團(tuán)所規(guī)定的0.6 MPa的消突壓力。表明利用底板巷布置穿層鉆孔瓦斯抽采方案可以有效抽采己15-16煤層瓦斯，消除己15-16-24130工作面運輸巷掘進(jìn)過程中的突出危險性。

圖7為瓦斯抽采180 d后截線CD上的瓦斯壓力分布曲線，截線CD上距離15～45 m范圍內(nèi)為鉆孔覆蓋區(qū)域。線CD上距離為15 m處的瓦斯壓力為0.451 MPa，點O處的瓦斯壓力為0.353 MPa。截線CD上瓦斯壓力總體趨勢表現(xiàn)為隨著到點O距離的減小而降低，這是由于穿層鉆孔成排布置所產(chǎn)生的抽采疊加效應(yīng)所造成的，具體表現(xiàn)為在多排鉆孔中部位置的瓦斯壓力降幅大于邊緣位置的瓦斯壓力降幅，前者的瓦斯抽采效果優(yōu)于后者。

圖7 截線CD上瓦斯壓力分布Fig.7 Gas pressure distribution curves of line CD

由上述模擬結(jié)果可知，通過從己18煤層布置底板巷進(jìn)行穿層鉆孔瓦斯抽采己15-16煤層瓦斯效果明顯。在瓦斯抽采180 d后，己15-16煤層中穿層鉆孔附近殘余瓦斯壓力值降為0.315～0.431 MPa，煤層殘余瓦斯含量降為3.84 m3/t，均滿足平煤十礦所要求的殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量的“雙6”指標(biāo)，表明此方案具有可行性。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)上述鉆孔布置方案及模擬結(jié)果分析，平煤十礦在己18煤層及鄰近巖層中開掘底板巷道，在底板巷每隔6 m布置1排穿層鉆孔，對己15-16-24130工作面運輸巷附近煤層瓦斯進(jìn)行抽采。為了檢驗鉆孔瓦斯抽采的效果，在底板巷每隔50 m布置1組校檢孔，每組2個鉆孔，用于測定瓦斯抽采后的殘余瓦斯壓力及瓦斯含量，測量結(jié)果如圖8所示。

圖8 實測瓦斯壓力與瓦斯含量Fig.8 Diagram of measured gas pressure and gas content

由實測結(jié)果可知，瓦斯抽采后的殘余瓦斯壓力穩(wěn)定在0.32～0.42 MPa范圍內(nèi)，殘余瓦斯含量為3.17～4.76 m3/t，與模擬結(jié)果基本相符，均小于平煤十礦煤與瓦斯突出防治規(guī)定的“雙6”指標(biāo)，瓦斯抽采效果較好，有效降低了己15-16-24130工作面運輸巷掘進(jìn)過程中的突出危險性。

4 結(jié)論

1)基于平煤十礦工程地質(zhì)背景，將煤巖視為孔隙-裂隙的雙孔隙度、單滲透率介質(zhì)，結(jié)合瓦斯抽采過程中的瓦斯運移及煤體變形，建立瓦斯抽采氣固耦合模型，并對己15-16煤層的瓦斯抽采方案進(jìn)行數(shù)值模擬，更能反映瓦斯抽采實際情況。

2)模擬結(jié)果表明，底板巷穿層鉆孔瓦斯抽采方案可對己15-16工作面運輸巷周圍的煤層瓦斯進(jìn)行有效抽采，在瓦斯抽采180 d后，殘余瓦斯壓力值降至0.315～0.431 MPa，煤層殘余瓦斯含量降為3.84 m3/t；且由于鉆孔瓦斯抽采疊加效應(yīng)的影響，多排鉆孔中部位置瓦斯抽采效果優(yōu)于邊緣位置。

3)將穿層鉆孔瓦斯抽采方案在平煤十礦進(jìn)行工程應(yīng)用，現(xiàn)場實測煤層殘余瓦斯壓力及瓦斯含量均可滿足平煤集團(tuán)防突規(guī)定的“雙6”指標(biāo)，與模擬結(jié)果基本吻合，有效降低了己15-16-24130工作面運輸巷掘進(jìn)過程中的突出危險性。