江明泉， 康向濤， 鄢朝興， 唐猛， 王子一

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

我國煤炭資源豐富，煤炭在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)依然是我國最重要的能源資源[1]。然而，我國大多數(shù)煤田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層構(gòu)造多。斷層破壞了煤層的連續(xù)性，是造成煤礦事故災(zāi)害多發(fā)的重要因素，尤其是煤與瓦斯突出的發(fā)生與斷層構(gòu)造密切相關(guān)[2-3]。正斷層是煤礦生產(chǎn)過程中常見的一類斷層構(gòu)造，大量突出案例統(tǒng)計(jì)顯示，發(fā)生在正斷層上盤的突出次數(shù)與強(qiáng)度明顯大于正斷層下盤[4]。研究也表明，采動(dòng)前后正斷層上盤地應(yīng)力集中升高，導(dǎo)致正斷層上盤更易發(fā)生煤與瓦斯突出[5]，可見正斷層上盤是煤與瓦斯突出災(zāi)害防治的重點(diǎn)。斷層與煤層瓦斯賦存關(guān)系復(fù)雜[6]，斷層的復(fù)雜性加劇了煤與瓦斯突出發(fā)生的可變性[7]，增加了礦井瓦斯突出預(yù)防的難度，從而嚴(yán)重威脅到煤礦安全生產(chǎn)。因此，防控正斷層上盤的煤與瓦斯突出對(duì)煤礦安全生產(chǎn)十分重要。當(dāng)前，高效抽采瓦斯依然是防控煤與瓦斯突出的重要措施，合理的有效抽采半徑是保證抽采效果的關(guān)鍵[8]。

許多學(xué)者對(duì)有效抽采半徑開展了研究，取得了較好的成果。魯義等[8]利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場驗(yàn)證的方式分析了順層鉆孔抽采半徑與布孔間距的關(guān)系。余陶等[9]基于鉆孔瓦斯流量和壓力對(duì)穿層鉆孔的有效抽采半徑進(jìn)行了研究。劉殿平等[10]提出了以工作面抽采達(dá)標(biāo)為判據(jù)的有效抽采半徑測定方法。韓承強(qiáng)等[11]系統(tǒng)地對(duì)壓降法、示蹤氣體法、瓦斯含量法和鉆孔抽采瓦斯量法進(jìn)行了總結(jié)。舒才等[12]以抽采鉆孔周圍殘余瓦斯含量為基礎(chǔ)，提出了基于瓦斯抽采量確定有效抽采半徑的數(shù)學(xué)模型。王剛等[13]確定了急傾斜煤層復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆孔有效抽采范圍。目前大部分研究主要集中于鉆孔有效抽采半徑測定方法，缺乏對(duì)正斷層特殊地質(zhì)條件下的鉆孔有效抽采半徑研究。在現(xiàn)場工程應(yīng)用中,為確保生產(chǎn)安全，正斷層附近的瓦斯抽采鉆孔布置一般相對(duì)密集，導(dǎo)致現(xiàn)場施工工程量大，造成人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。因此，亟需對(duì)正斷層附近的有效抽采半徑與鉆孔布置進(jìn)行研究與優(yōu)化。

針對(duì)上述問題，本文構(gòu)建了流固耦合模型，以貴州某礦采煤工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬與鉆孔抽采瓦斯量法相互驗(yàn)證的方式對(duì)順層鉆孔有效抽采半徑進(jìn)行研究；為確保正斷層上、下盤工作面的安全生產(chǎn)且不延長抽采時(shí)間，選取正斷層上盤及斷層帶巖性等作為正斷層影響下抽采半徑的研究要素，再利用數(shù)值模擬分析正斷層附近鉆孔有效抽采半徑的變化規(guī)律，以期對(duì)類似地質(zhì)條件下正斷層附近瓦斯抽采鉆孔的布置提供借鑒。

1 工程概況

貴州某礦為高瓦斯礦井，礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要以正斷層為主。筆者研究的采煤工作面位于該礦第1開采水平，開采12號(hào)煤層，平均煤厚為2.8 m，12號(hào)煤層基本物性參數(shù)見表1。在運(yùn)輸巷與開切眼交會(huì)位置有1個(gè)傾角為50°的正斷層，由于斷層未延伸至采煤工作面內(nèi)，對(duì)回采不造成影響。12號(hào)煤層頂?shù)装寮皵鄬犹畛鋷Т蠖酁槟鄮r、砂質(zhì)泥巖等軟性巖石，上覆巖層與下伏巖層的物理參數(shù)見表2。12號(hào)煤層透氣性系數(shù)為0.118 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性較差。

2 順層鉆孔有效抽采半徑

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》等規(guī)定，本文數(shù)值模擬部分以煤層殘余瓦斯壓力值降到0.74 MPa以下的區(qū)域范圍視為有效抽采半徑的判斷依據(jù)，現(xiàn)場試驗(yàn)部分以抽采鉆孔影響范圍內(nèi)殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa且預(yù)抽率大于30%為指標(biāo)作為判斷依據(jù)[9]。

表1 12號(hào)煤層基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of Na 12 coal seam

表2 巖層物理參數(shù)Table 2 Table of physical parameters of rock formation

2.1 順層鉆孔數(shù)值模擬分析

煤巖體是一種含吸附瓦斯的多孔介質(zhì)[3]，假設(shè)煤體各向同性且為完全線彈性材料，煤體變形屬微小變形，服從Hooke定律[8]?；诙嗫捉橘|(zhì)的有效應(yīng)力原理[14]，含瓦斯煤體流固耦合應(yīng)力場方程為

(1)

式中:G,λ為拉梅常數(shù)；ui為含瓦斯煤在i(i=1,2，3，表示含瓦斯煤微小單元體的三軸方向)方向變形位移矢量；xi為張量法中的坐標(biāo)；υ為泊松比；Ky為煤體骨架壓縮系數(shù)，1/MPa；p為瓦斯壓力，Pa；a為單位質(zhì)量煤的極限瓦斯吸附量，m3/t；ρv為煤體的密度，kg/m3；R為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕對(duì)溫度，T=273 K；Vm為煤體的總體積，m3；b為煤的吸附常數(shù)，1/MPa；φ為煤體孔隙率；Fi為體積力，N/m3。

根據(jù)孔隙率的定義，將整個(gè)抽采過程視為等溫過程，同時(shí)考慮吸附瓦斯解吸和彈性應(yīng)變，煤體孔隙率動(dòng)態(tài)變化為[15]

(2)

式中：φ0為煤體初始孔隙率,%；εv為煤體體積應(yīng)變；p0為煤體初始瓦斯壓力,Pa。

根據(jù)Kozeny-Carman方程，忽略煤粒表面積增量，優(yōu)化后的滲透率動(dòng)態(tài)方程為

(3)

式中k0為煤體初始滲透率，m2。

將瓦斯視為理想氣體，其在裂隙中的流動(dòng)遵循達(dá)西定律，在微孔隙流中的遷移滿足菲克定律[3]。基于質(zhì)量守恒定律，考慮Klikenberg效應(yīng)，瓦斯?jié)B流場控制方程為[8]

(4)

式中:t為時(shí)間,d;c為煤質(zhì)校正參數(shù)，kg/m3；pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；μ為瓦斯動(dòng)力黏度，Pa·s；h為Klikenberg系數(shù)，Pa；I為瓦斯質(zhì)量源項(xiàng)。

式(2)和式(3)為耦合項(xiàng)，再由式(1)和式(4)聯(lián)合構(gòu)成流固耦合模型。根據(jù)該礦實(shí)際地質(zhì)情況及生產(chǎn)條件，設(shè)置抽采參數(shù)：鉆孔直徑為94 mm，瓦斯初始?jí)毫?.04 MPa，抽采負(fù)壓為14 kPa。

無斷層影響下順層鉆孔直徑為94 mm的抽采模擬結(jié)果如圖1所示。由圖1(b)可知，抽采天數(shù)為10，30，60，90 d時(shí)，鉆孔有效抽采半徑分別為0.83，1.61，2.22，2.68 m。當(dāng)抽采到120 d時(shí)，有效抽采半徑為3.10 m。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

采用鉆孔抽采瓦斯量法驗(yàn)證流固耦合模型與數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。在12號(hào)煤層合理位置施工順層抽采鉆孔和考查孔。鉆孔施工要求：在巷道中沿煤層傾角向上每隔5 m均勻布置鉆孔，每個(gè)鉆孔施工完成后立即插入抽采管封孔并封堵抽采管口，鉆孔封孔與該礦目前封孔工藝一致。待所有鉆孔全部施工完成后再全部連接抽采管路。

根據(jù)煤層瓦斯流動(dòng)理論可知，煤層鉆孔瓦斯抽采純量隨時(shí)間變化為[9]

qct=qc0exp(-αt)

(5)

式中：qct為抽采時(shí)間t內(nèi)平均瓦斯抽采純量，m3/min；qc0為初始瓦斯抽采純量,m3/min;α為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，1/d。

圖1 無斷層影響下順層鉆孔直徑為94 mm的抽采模擬結(jié)果Fig.1 Extraction simulation results of bedding borehole with 94 mm diameter under the impact of no fault

從現(xiàn)場試驗(yàn)中選取可靠度較高的鉆孔數(shù)據(jù)作為考查對(duì)象，鉆孔瓦斯抽采純量與抽采時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。二者相關(guān)系數(shù)r2為0.981 4，擬合度較好。

圖2 12號(hào)煤層抽采孔瓦斯抽采純量變化曲線Fig.2 Variation curve of pure gas extraction volume with time in extraction borehole of No.12 coal seam

以抽采率作為考查指標(biāo)，有效抽采半徑為

(6)

式中：R為鉆孔有效抽采半徑，m；η為達(dá)標(biāo)預(yù)抽率，%；m為煤層厚度，m；L為抽采鉆孔長度，m；W為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

當(dāng)12號(hào)煤層抽采120 d時(shí)，有效抽采半徑為2.93 m。數(shù)值模擬結(jié)果為3.10 m，二者相差0.17 m?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，說明流固耦合模型具有一定的可靠性。

3 正斷層附近瓦斯抽采鉆孔布置優(yōu)化

利用多物理場耦合仿真軟件建立平面應(yīng)變模型，模型尺寸為200 m×80 m(長×寬)，煤層采高為2.8 m，在上盤工作面距離正斷層10 m的地方設(shè)置抽采鉆孔，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。煤層底部邊界固定，橫向兩邊為滾筒邊界[3]，煤層上部巖層載荷均勻分布于煤層，大小為地應(yīng)力值；鉆孔周邊邊界采用狄氏邊界條件設(shè)定，其他設(shè)定為不透氣邊界。初始值：當(dāng)t=0,p(t)|t=0=p0,ui=0。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Model meshing

3.1 正斷層影響下鉆孔有效抽采半徑數(shù)值模擬

抽采鉆孔距斷層10 m時(shí)，鉆孔周圍瓦斯壓力變化如圖4所示?？煽闯鲭S著抽采時(shí)間的增加，鉆孔周圍存在明顯的卸壓現(xiàn)象。不同抽采時(shí)間瓦斯壓力變化規(guī)律如圖5所示。在整個(gè)抽采時(shí)間內(nèi)，煤層瓦斯壓力出現(xiàn)多次駝峰曲線，峰值間隔3.5 m左右。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因：正斷層附近的圍巖大多破碎，裂隙極度發(fā)育，正斷層的存在改變了煤體應(yīng)力狀態(tài)和瓦斯賦存狀態(tài)，正斷層區(qū)域形成的應(yīng)力集中區(qū)和釋放區(qū)導(dǎo)致斷層構(gòu)造附近的瓦斯含量與瓦斯壓力出現(xiàn)不均勻分布。

圖4 正斷層附近鉆孔周圍瓦斯壓力變化Fig.4 Gas pressure changes around the boreholes near the fault

圖5 距正斷層10 m處鉆孔周圍瓦斯壓力變化曲線Fig.5 Gas pressure variation curve around the borehole at 10 m from the normal fault

距正斷層10 m處鉆孔周圍滲透率變化趨勢如圖6所示。在抽采時(shí)間范圍內(nèi)，滲透率隨著距抽采鉆孔距離的增大，呈先增大后減小的趨勢。對(duì)比圖5可看出，滲透率在距抽采鉆孔11 m左右時(shí)突然變小，對(duì)應(yīng)的瓦斯壓力在距抽采鉆孔11 m處具有上升趨勢，二者在變化時(shí)間和規(guī)律上具有相關(guān)性，也說明了正斷層附近鉆孔周圍瓦斯壓力呈駝峰曲線分布。

圖6 距正斷層10 m處鉆孔周圍滲透率變化趨勢Fig.6 Variation trend of permeability around the borehole at 10 m from the normal fault

3.2 正斷層對(duì)抽采鉆孔影響分析

為研究正斷層對(duì)抽采鉆孔的影響，分別在距正斷層30，60，70 m處布置抽采鉆孔進(jìn)行數(shù)值模擬，不同鉆孔位置周圍瓦斯壓力變化如圖7所示?？煽闯鼍鄶鄬?0 m處瓦斯壓力依然呈現(xiàn)有規(guī)律的小駝峰曲線分布,而距斷層60，70 m處瓦斯壓力曲線并沒有出現(xiàn)駝峰狀分布,表明在60 m之外的區(qū)域，斷層對(duì)瓦斯壓力的影響已逐漸消失。

圖7 距斷層30,60,70 m處不同時(shí)刻鉆孔周圍的瓦斯壓力變化曲線Fig.7 Gas pressure variation curve around the borehole at 30, 60, 70 m from the fault

由圖5、圖7可知，距正斷層10，30，60，70 m處抽采120 d時(shí)的有效抽采半徑分別為1.83，2.08，2.81，2.99 m。由此可知，在同等抽采條件下，距正斷層越遠(yuǎn)的鉆孔有效抽采半徑越大。距正斷層70 m處抽采120 d時(shí)的有效抽采半徑為2.99 m，無斷層影響下的有效抽采半徑為3.10 m，二者僅相差0.11 m，表明正斷層對(duì)鉆孔有效抽采半徑的影響范圍在距斷層70 m內(nèi)。

3.3 正斷層附近抽采孔布置分析

當(dāng)煤層開采靠近正斷層時(shí)，正斷層因周圍應(yīng)力平衡的破壞有時(shí)出現(xiàn)活化現(xiàn)象，如果瓦斯抽采孔布置不合理，抽采效果不達(dá)標(biāo)，很容易發(fā)生煤與瓦斯突出事故。在現(xiàn)場工程應(yīng)用中，正斷層附近瓦斯抽采鉆孔布置一般都相對(duì)密集，不僅造成現(xiàn)場施工工程量大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響煤礦正常的“抽、掘、采”接替。結(jié)合本文數(shù)值模擬結(jié)果，在完全保證抽采效果且不延長抽采時(shí)間的前提下，對(duì)正斷層附近瓦斯抽采孔布孔間距實(shí)施分段布置。據(jù)此，該工作面正斷層附近抽采鉆孔布置如下：在距斷層30 m內(nèi)，密集布置鉆孔，布孔間距應(yīng)不大于數(shù)值模擬中距斷層10 m時(shí)的有效抽采半徑(1.83 m)；在距斷層30～70 m范圍內(nèi)，在保證安全的情況下，可適當(dāng)加大鉆孔的布孔間距;在距斷層70 m外，可逐步恢復(fù)至無正斷層影響下順層鉆孔的布孔間距。

4 結(jié)論

(1) 無斷層影響下，順層鉆孔抽采120 d時(shí)有效抽采半徑數(shù)值模擬結(jié)果為3.10 m，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果為2.93 m，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明流固耦合模型具有一定的可靠性。

(2) 距斷層一定距離時(shí)，在整個(gè)抽采時(shí)間內(nèi)，鉆孔周圍瓦斯壓力變化呈駝峰曲線分布。通過數(shù)值模擬得出,距正斷層越遠(yuǎn)的鉆孔有效抽采半徑越大，正斷層對(duì)鉆孔有效抽采半徑的影響范圍在距斷層70 m內(nèi)。

(3) 在正斷層附近瓦斯抽采鉆孔布置過程中，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，按照靠近斷層30 m內(nèi)、距斷層30～70 m及距斷層70 m外對(duì)正斷層附近的瓦斯抽采鉆孔實(shí)施分段布置。