胡宗源HU Zong-yuan

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

0 引言

礦井瓦斯嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，近年來隨著采深的逐步增加，此類問題日趨嚴(yán)重，因此，此類問題是目前礦井安全生產(chǎn)急需解決的問題。而我國多數(shù)礦井煤層瓦斯透氣性低，抽采效果差，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。同時(shí)，煤質(zhì)松軟、高瓦斯、高應(yīng)力、低透氣性是我國煤層的普遍特點(diǎn)，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(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)提供了煤層的滲透性，大量相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)為煤層內(nèi)部氣體流動(dòng)提供了通道。幾十年來，國內(nèi)外科研人員都對低透氣性煤層瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行過研究，通過增強(qiáng)礦井煤層透氣性來提高煤層瓦斯抽采效果，國內(nèi)外學(xué)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(shù)介紹

1.1 高壓空氣沖擊煤體增透技術(shù)的提出

高壓空氣沖擊制裂技術(shù)是室世界上新興的技術(shù)，它起源于上個(gè)世紀(jì)80 年代。目前俄羅斯、美國、等都進(jìn)行了理論與實(shí)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(chǎn)出率方面使用高能氣體壓裂技術(shù)較多。煤層與油氣儲(chǔ)層在原理上相類似，把高能氣體壓裂技術(shù)應(yīng)用在煤層瓦斯的抽采領(lǐng)域在我國還處于嘗試階段，該技術(shù)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(shù)的原理

高壓空氣沖擊煤體增透技術(shù)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(shè)備有空氣壓縮機(jī)、管道和高壓噴射嘴?？諝鈮嚎s機(jī)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(chǎn)生裂隙和孔洞。首先高壓空氣通過噴嘴在煤體中產(chǎn)生應(yīng)力波，這些應(yīng)力波不斷向四周傳遞，鉆孔周圍煤體在應(yīng)力波的作用下不斷卸壓產(chǎn)生松動(dòng)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(chǎn)生微觀裂隙，微觀裂隙持續(xù)不斷的萌生擴(kuò)展并轉(zhuǎn)換為宏觀裂隙，這些裂隙不斷擴(kuò)展貫通進(jìn)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(jié)構(gòu)，促進(jìn)煤體內(nèi)部裂隙的發(fā)育，增加煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)而增強(qiáng)其透氣性，提高煤層瓦斯抽采效率，從而有助于煤層瓦斯災(zāi)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(shù)學(xué)模型

煤體介質(zhì)是一種地質(zhì)材料，在其形成過程中受埋藏深度、變質(zhì)程度、圍巖性質(zhì)等多種因素的影響，其物理、力學(xué)性質(zhì)（如彈性模量、強(qiáng)度等）并不相同，即煤層是非均質(zhì)的。為簡化模型，在除火成巖侵入、斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造帶外的煤層賦存穩(wěn)定區(qū)域，可以將煤層看作是均質(zhì)的，并將該區(qū)域內(nèi)煤層原始瓦斯壓力看作是均勻的。按以下設(shè)定建立瓦斯流動(dòng)數(shù)學(xué)模型：

煤體介質(zhì)是地質(zhì)材料中的一種，煤層中的煤體在形成過程中經(jīng)過漫長的變質(zhì)程度，同時(shí)受到煤體圍巖和煤體埋藏深度的影響，其彈性模量和強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)存在很大變化，也造就了煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性。為了簡化整個(gè)數(shù)學(xué)模型，定義未受到火成巖侵入、陷落柱和斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶影響的煤層賦存區(qū)煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為均勻的。并建立以下模型：①計(jì)算區(qū)域內(nèi)煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)是均勻的，并且煤層透氣性系數(shù)、孔隙率和煤層瓦斯壓力均為一個(gè)常量。②煤體圍巖沒有變形且為均質(zhì)的。③煤體圍巖內(nèi)部不含瓦斯且不透氣，同時(shí)煤層透氣性很差。④煤層瓦斯處于飽和吸附狀態(tài)，且符合朗格繆爾方程。⑤煤層瓦斯?jié)B流為恒溫過程，符合達(dá)西定律。

根據(jù)煤層瓦斯氣體運(yùn)動(dòng)方程、理想氣體狀態(tài)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?jié)B流-演化數(shù)學(xué)模型。利用煤層瓦斯朗格繆爾方程、有效應(yīng)力方程和克林肯博格方程，經(jīng)過計(jì)算簡化得到：

2.2 工程背景

本文煤樣以新疆焦煤集團(tuán)2130 煤礦5 號(hào)煤層特性為例進(jìn)行定義，井田有2 個(gè)含煤地層，從上至下為中統(tǒng)西山窯組和下統(tǒng)八道灣組。5 號(hào)煤層在下統(tǒng)八道灣組，煤層平均厚度4.29m，煤層較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，井田范圍全區(qū)可采。頂板為粗砂巖和礫巖，局部為細(xì)砂巖；煤層底板為粉砂巖。

2.3 數(shù)值模擬

應(yīng) 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(yīng)力條件下對媒體沖擊的模擬計(jì)算，并用模擬軟件進(jìn)行處理和分析以上結(jié)果。采用平面應(yīng)力-應(yīng)變分析，模型尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的10m×10m，本模型通過求解共劃分若干個(gè)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(shè)定為5MPa，物理參數(shù)見表1 所示。

表1 煤巖體物理參數(shù)

順 層 沖 擊 分 別 以120MPa、100MPa、80MPa、60MPa、40MPa 高壓空氣以多點(diǎn)連續(xù)方式?jīng)_擊煤體進(jìn)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(shí)氣體壓力場分布

圖6 120MPa 高壓空氣時(shí)壓力場分布圖

通過計(jì)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(jìn)行對比分析，得出圖7[9-11]。

圖7 多點(diǎn)連續(xù)式?jīng)_擊時(shí)煤層中的氣體壓力分布曲線對比圖

圖5 80MPa 高壓空氣時(shí)氣體壓力場分布圖

由圖7 多點(diǎn)連續(xù)式?jīng)_擊時(shí)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?？拷鼑娮斓牡胤狡淇諝鈮毫χ底罡?，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(dāng)距離進(jìn)入到臨近噴嘴的影響范圍時(shí)，氣體壓力又呈現(xiàn)出增大的趨勢。

3 結(jié)論

①高壓空氣波的沖使煤體內(nèi)部出現(xiàn)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。