齊慶新,彭永偉,汪有剛,李宏艷,李春睿

(1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.煤炭科學研究總院科技發(fā)展部,北京 100013; 3.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室 (煤炭科學研究總院),北京 100013; 4.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;5.山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西晉城 048021)

應(yīng)用基礎(chǔ)

基于煤體采動裂隙場分區(qū)的瓦斯流動數(shù)值分析

齊慶新1,2,3,彭永偉1,4,汪有剛1,5,李宏艷2,3,李春睿1,4

(1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.煤炭科學研究總院科技發(fā)展部,北京 100013; 3.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室 (煤炭科學研究總院),北京 100013; 4.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;5.山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西晉城 048021)

提出了工作面前方煤體采動裂隙分區(qū)的概念,將工作面前方煤體分為 9個不同的裂隙區(qū),每個區(qū)裂隙發(fā)育特征不相同。認為工作面前方煤體存在反的“C”形裂隙發(fā)育帶,是瓦斯流動活躍區(qū)域。利用數(shù)值模擬手段,對分區(qū)與不分區(qū)條件下的瓦斯壓力特征與抽放時瓦斯流動規(guī)律進行了研究,結(jié)果表明,裂隙分區(qū)條件下的瓦斯流動與實際條件更為符合。

采動裂隙場;分區(qū);瓦斯流動;數(shù)值模擬

對于賦存于地下的煤體,在漫長的地質(zhì)歷史演變過程中,經(jīng)受了不同大小和不同方向的多期構(gòu)造應(yīng)力場的長期作用,同時由于煤體本身結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性,導致了原生裂隙場結(jié)構(gòu)面分布的隨機性、形態(tài)多樣性、分布不均勻性和空間組合復雜性。而煤體采動裂隙場的發(fā)育、演化就更為復雜和難以研究。目前國內(nèi)外對巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的研究取得一定進展[1-7],對于裂隙的模擬也有一定的成果。但是對于采礦工程學科而言,煤體采動裂隙 (場)分布有何特征?以及此條件下煤體的瓦斯的流動規(guī)律有什么特點?本文在這方面做了一些嘗試。

1 煤體采動裂隙發(fā)育的分區(qū)性

在工作面形成 (掘進及開切眼)和回采過程中,工作面前方煤體,要受到采動的影響,有時還要受到相鄰工作面的影響。一般情況下,可以認為工作面前方煤體的受力是不均勻的,煤體內(nèi)的裂隙受采動影響程度亦有不同。

煤體采動裂隙場與煤體采動應(yīng)力密切相關(guān),由采動應(yīng)力的分區(qū)性,及綜合分析煤體的變形特征,可以推測出采動裂隙場也具有分區(qū)性。據(jù)此,將工作面前方煤體裂隙分為 9個區(qū)域,各區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育特征如圖1所示。

沿工作面推進方向:Ⅰ為采動裂隙發(fā)育區(qū);Ⅱ為采動裂隙閉合區(qū);Ⅲ為原生裂隙區(qū);Ⅳ,Ⅶ為采動裂隙密集區(qū);在整個工作面前方煤體存在一個反的“C”形裂隙發(fā)育帶,即Ⅰ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ,Ⅸ,Ⅷ區(qū)構(gòu)成。此帶為瓦斯流動活躍區(qū)域。

圖 1 工作面前方煤體采動裂隙場分區(qū)

Ⅰ,Ⅳ,Ⅶ區(qū)位于超前采動應(yīng)力降低區(qū)內(nèi);Ⅱ,Ⅴ,Ⅷ區(qū)位于超前采動應(yīng)力升高區(qū)內(nèi);Ⅲ區(qū)位于原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)。

上述煤體采動裂隙場分區(qū)的提出,為進一步深入煤體內(nèi)瓦斯流動規(guī)律提供了研究思路。

2 分區(qū)條件下的瓦斯流動特征

以某礦實際工作面為背景,分別以無采動裂隙分區(qū)和有采動裂隙分區(qū)對瓦斯流動進行模擬。采動裂隙分區(qū)的原則以實測的支承壓力分布結(jié)合數(shù)值模擬確定,限于篇幅不在詳細論述。模型長為 200m (工作面長度),寬 220m,瓦斯密度 0.7174kg/m3,黏度系數(shù) 1.8e-5Pa·s,初始瓦斯壓力 4.02e5Pa。模型左部邊界為不透氣邊界,其余邊界為1.01325e5Pa的壓力邊界。無分區(qū)的煤體滲透率為實測值 15e-15m2。而采動裂隙分區(qū)內(nèi)的滲透率按文獻 [4]選取。模擬結(jié)果如圖 2、圖 3所示。無分區(qū)條件下的瓦斯壓力分布較均勻,滲流速度矢量的分布也呈均勻的散布態(tài)向煤壁涌出。采動裂隙分區(qū)條件下的瓦斯壓力分布與瓦斯?jié)B流則呈現(xiàn)出區(qū)域性特征。在煤體四周存在一個反“C”形的瓦斯流動活躍帶,這與實際情況更符合。

3 瓦斯抽放分析

為進一步分析,模擬無分區(qū)與采動裂隙分區(qū)條件的瓦斯抽放。模擬參數(shù)為:沿工作面前方 10m處開始布置瓦斯抽放孔,由于模擬工作面為對稱圖形,僅模擬抽放孔沿一側(cè)布置的情況。模擬的鉆孔孔徑為 94mm,孔深 90m,孔間距 10m,共 10個孔,抽放孔負壓為 80kPa,其余參數(shù)同前。

圖2 瓦斯壓力分布

圖3 瓦斯?jié)B流速度矢量

圖 4為無分區(qū)與采動裂隙分區(qū)條件下的瓦斯抽放壓力分布云圖。采動裂隙分區(qū)條件下的鉆孔有效半徑更大些,瓦斯流量也較無分區(qū)時大的多,圖 5的采動裂隙分區(qū)條件的瓦斯壓力分布等值線也更清晰的表明,采動裂隙分區(qū)條件的瓦斯抽放模擬更符合實際。

4 結(jié)論

提出了工作面前方煤體采動裂隙分區(qū)的概念,將工作面前方煤體分為 9個不同的裂隙區(qū),每個區(qū)裂隙發(fā)育特征不相同。通過模擬表明工作面前方煤體存在反的“C”形裂隙發(fā)育帶,是瓦斯流動活躍區(qū)域。利用數(shù)值模擬手段,對分區(qū)與不分區(qū)條件下瓦斯壓力特征與抽放時瓦斯流動規(guī)律進行了研究,結(jié)果表明,裂隙分區(qū)條件下的瓦斯流動與實際條件更符合。本文的研究還處于初步階段,不同分區(qū)條件下煤體采動裂隙的統(tǒng)計特征及其與滲透率、瓦斯涌出量之間的關(guān)系等是今后的重點研究方向。

圖4 抽放條件下瓦斯分布

圖 5 煤體采動裂隙分區(qū)條件下抽放瓦斯壓力分布等值線

[1]周世寧 .瓦斯在煤層中流動的機理 [J].煤炭學報,1990, 15(1):61-67.

[2]孔祥言.高等滲流力學 [M].合肥:中國科學技術(shù)大學出版社,1999.

[3]梁 冰,章夢濤,王泳嘉 .煤層瓦斯流與煤體變形的耦合數(shù)學模型及數(shù)值解法 [J].巖石力學與工程學報,1996,15 (2):135-142.

[4]彭永偉,齊慶新,李宏艷,鄧志剛 .煤體采動裂隙場演化與瓦斯?jié)B流耦合數(shù)值模擬 [J].遼寧工程技術(shù)大學學報,2009, 28(S):229-231.

[5]彭永偉 .高強度開采煤體采動裂隙場演化及其與瓦斯流動場耦合作用研究 [D].北京:煤炭科學研究總院,2008.

[6]齊慶新,李宏艷,鄧志剛,等 .高強度采動含瓦斯煤體滲透率演化規(guī)律研究 [A].2007中國 (淮南)煤礦瓦斯治理技術(shù)國際會議論文集 [C].徐州:中國礦業(yè)大學出版社, 2007.

[7]胡千庭 .礦井瓦斯防治技術(shù)優(yōu)選——煤與瓦斯突出和爆炸防治 [M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2008.

[責任編輯:王興庫]

Numerical Analysis ofM ethane Flow Based on D istricting Coal Body′s Crack Field Induced byM in ing

Q IQing-xin1,2,3,PENG Yong-wei1,4,WANG You-gang1,5,L IHong-yan2,3,L IChun-rui1,4

(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Department of Science&Technology,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.State KeyLaboratory of CoalMining&Environment Protection(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China; 4.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China; 5.Shanxi TiandiWangpo Coal Co.,Ltd,Jincheng 048021,China)

This paper put forward the concept of districting coal body ahead ofmining face into 9 subareaswhich had respective different crack development characteristic on the basis ofmining crack field.There was an inverse“C”shape crack zone ahead of mining face where methane was active.It researched methane pressure characteristic and methane flow rule in drainage under districting and non-districting condition.Results showed thatmethane flow under districting condition was fitter for actual situation.

mining cracked field;subarea;methane flow;numerical simulation

TD712.51

A

1006-6225(2010)05-0008-03

2010-07-27

“973”項目“采動應(yīng)力裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng)”(2005CB221503),“煤層群煤與瓦斯共采時空協(xié)同機制及技術(shù)優(yōu)化方法”(2011CB201206)

齊慶新 (1964-)男,吉林長春人,滿族,研究員、博士生導師,從事深部開采與沖擊礦壓、巖石力學等理論與技術(shù)研究。