低瓦斯高强度开采综放工作面...态爆破强化瓦斯抽采技术研究_徐东方.pdf

69低瓦斯高强度开采综放工作面静态爆破强化瓦斯抽采技术研究徐东方1，2尉瑞3周风媛4张孝强4（1.湖南省煤炭科学研究院有限公司，湖南 长沙 410004；2.湖南省瓦斯治理和利用工程研究中心有限公司，湖南 长沙 410004；3.中煤华晋集团有限公司王家岭分公司，山西 河津 043300；4.湘潭大学 环境与资源学院，湖南 湘潭 411105）摘要煤层静态爆破预抽瓦斯是高强度开采矿井保证工作面安全生产的重要保证，低浓度瓦斯的王家岭矿在强力开采状态下瓦斯会大量涌出，为提高该矿煤层预抽的针对性和有效性，利用 COMSOL 软件模拟矿井 12316 工作面瓦斯抽采有效半径随抽采时间的演化规律，进而得到静态爆破强化抽采的有效抽采范围。结果显示：随抽采时间变化，瓦斯有效抽采半径增加，当抽采时间为 10、30、60、90、120、150、180d 时，瓦斯抽采有效半径分别为 0.07、0.71、1.13，1.37、1.54、1.69、1.86m，抽采时长 180d时的有效影响半径比抽采 90d 时的增长 60.7%，抽采 90 d 比抽采 30 d 的有效影响半径增长 92.95%，模拟结果可用于指导现场瓦斯抽采工作，并为类似矿井提供借鉴和指导。关键词强化抽采静态爆破煤层预抽有效抽采半径Simulation study of effective radius of gas extraction by static blasting based on comsolXU Dongfang1，2WEI Rui3ZHOU Fengyuan4ZHANG Xiaoqiang4（1.Hunan Coal Scientific Research Institute Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410004，China）AbstractIn order to improve the target and effectiveness of coal seam pre-pumping in Wangjialing mine，we useCOMSOL numerical simulation software to simulate the evolution of effective radius of gas extraction with extractiontime in 12316 working face of the mine，and then get the effective extraction range of static blasting.The effective ex-traction range of enhanced extraction is obtained.The results show that the effective radius of gas extraction increaseswith the change of extraction time.When the extraction time is 10 d，30 d，60 d，90 d，120 d，150 d and 180 d，the ef-fective radius of gas extraction is 0.07 m，0.71 m，1.13 m，1.37 m，1.54 m，1.69 m and 1.86 m，respectively.The effec-tive radius of influence at 180 d of extraction increased by 60.7%compared to that at 90 d of extraction，and the effec-tive radius of influence at 90 d of extraction increased by 92.95%compared to that at 30 d of extraction.The simulationresults can be used to guide the on-site gas extraction work and provide reference and guidance for similar mines.Key wordsenhanced drainagestatic blastingcoal seam pre-drainageeffective drainage radius0引言深部开采将成为我国未来矿井开采的新常态，高地应力、高地热、高开采强度、低煤层透气性的“三高一低”问题凸显，使得我国矿井未来瓦斯防治压力趋于增大，煤层预抽瓦斯是提高矿井安全生产的重要保证。围绕着提高煤层透气性、提高矿井瓦斯安全等问题，国内外众多学者提出了相应的增透促抽技术如水力压裂、水力割缝以及交叉布孔等措施1-5，取得了一定的效果。静态致裂技术也被称为无声性爆破，其作用机理是将静态致裂剂和水的混合物所产生的膨胀压力作用于钻孔内壁而产生裂缝6。静态致裂技术不会产生爆破飞石等严重的潜在事故因素和普通爆破产生的强烈反应，另外还具备了使用简便、稳定性较高等优势，在低渗煤层中有着良好的使用发展前景。静态致裂剂致裂主要依靠 CaO 与水发生化学反应生成 Ca（OH）2，在放热阶段的同时体积也逐渐增加，体积因膨胀而形成的膨胀应力作用于钻孔内部，使与其相连的部分产生了拉应力或膨胀应力的反作用力。当拉应力大于煤体的极限拉应力值时，钻孔附近的岩层就会破裂。2023 年第 49 卷第 3 期March 202370中煤华晋集团有限公司王家岭矿是典型的低瓦斯低渗厚煤层开采矿井，在高采矿强度条件下，涌入采掘空间的瓦斯量急剧增加，瓦斯浓度变化最显著的是上隅角，其生产班为 0.2%0.8%，非生产班低于 0.4%。在靠近上隅角的 5 10 架矿井支架距离时，瓦斯体积分数超过 0.8%6。单纯风排瓦斯并不能解决瓦斯超限问题，而王家岭煤矿目前主采的2号煤层渗透率普遍偏低，煤层预抽抽采难度较大，需辅以强化抽采措施，保证工作面安全，但强化预抽参数设置不明，缺乏现场数据支撑，因此，本文以王家岭煤矿 12316 工作面为例，利用COMSOL数值模拟手段研究了不同布孔方式下的静态致裂应力影响范围及对瓦斯抽采的影响，为进行合理的致裂钻孔布置方案提供依据，并对致裂前后的抽采效果进行考察验证提供理论基础，对提高该矿瓦斯防治的针对性和有效性，具有重要意义，并可为类似矿井提供借鉴。1静态爆破膨胀致裂力学分析将致裂剂在钻孔壁膨胀致裂简化为壁厚圆筒体模型，如图 1 所示。取钻孔边缘一单元体 abcd 进行研究，钻孔形变后单元体 ad 边位移至 ad，故得出环向和径向应变为：=ad adad=（+u）ddd=u=ad adad=d+（u+du）u dd=dud（1）式中，表示环向应变；表示径向应变；表示单元体上任一点距原点的距离；u表示钻孔边缘各点沿半径方向的位移；表示角度。单元体在各应力作用下的静力平衡方程为：（+d）（+d）d-d-2d d2=0（2）图 1钻孔圆筒体单元模型致裂孔内膨胀压仅施加于孔壁内部，致裂剂每一单元点合力为 0。圆筒体应力表达式为：=p1a2b2a2（1-b22）=p1a2b2a2（1+b22）（3）式中，表示压应力；表示拉应力；p1表示膨胀压。膨胀压变化到定值，内部结构开始破坏，围岩出现损伤。致裂孔内部，在钻孔 r1半径处逐渐传递到r0处时，膨胀压由 p0变化为 p1，p1可表示为：p1=p0r1r0（4）经过致裂压应力和拉应力作用，通过迭代计算得到当静态致裂产生的膨胀压到达钻孔内壁上的膨胀压近似值约为 40 MPa，传递后的膨胀压值根据实测数据作为现场的考察依据。煤层气被认为是理想气体，符合达西定律。气体泄漏的解吸是在等温线上处理的，并遵循理想气体方程。2实验原理和数值模型2.1数值模型1）多物理场模型假设。煤层内部应力应变服从摩尔库仑准则；吸附瓦斯遵循朗格缪尔吸附等温线方程；瓦斯渗流运动符合连续性方程和达西定律。2）工作流程。最初确定模型的建立，在抽采瓦斯的过程中，把钻孔周围的瓦斯流动视作二维径向流动，由此在建立数值模型的过程中选取 2D状态空间模型。其次是物理场接口的选取。模拟场景为低渗透低瓦斯厚煤层在静态爆破下的瓦斯有效抽采半径，使用一般形式偏微分方程接口和固体力学接口。最后，添加研究状态为稳态。在研究过程中测定数据需要在瓦斯抽采效果稳定后确定，研究稳态的情况。3）连续性方程。连续性方程是瓦斯流动的基本方程，质量守恒原理的流体力学表达式：（gVg）+Qt=0（5）式中，g表示瓦斯密度；Vg表示瓦斯的渗流速度；Q表示单位体积煤中的瓦斯含量；t 表示时间变量。4）瓦斯渗流场方程。如果认为煤层中的瓦斯流动是线性的、稳定的水平流动，则符合达西定律：vg=-kgp（6）式中，g表示瓦斯动力粘度系数；k表示煤体渗透性；p 表示煤层瓦斯压力。5）煤岩体的变形方程。假设煤层为弹性体，则煤体变形本构方程可表示为：ij=ije+2Gij（i，j=1，2，3）（7）式中，、G表示拉梅常数；e表示体积变形；ij表示体积应变；ij表示 Kronecker 符号。2.2模型参数71根据现场实测参数通过迭代计算可知，静态爆破时作用在钻孔壁上的膨胀力大致达到 40MPa。根据12316工作面瓦斯含量的测定结果，按照Langmuir方程间接计算方程得到所对应的瓦斯压力为 0.2MPa。因此将模型四周假设为零流量边界，煤层的左右两侧设立棍支撑，底部设置固定约束，模型侧面设置水平约束，模型顶部和钻孔边界为自由边界，在模型顶部的自由边界上设置一个 10 MPa 的竖直向下的应力表达上覆岩层载荷，并在模型的钻孔壁面施加 40MPa的载荷表达静态爆破所产生的膨胀力。模型的初始速度场和位移场为 0。煤岩层其他模拟参数如表 1 所示：表 1煤层煤与瓦斯基本参数基本信息吸附常数/(m3t-1)吸附常数/MPa-1初始瓦斯压力/MPa抽采负压/kPa体积模量/GPa弹性模量/GPa煤层起始孔隙率/%数值29.240.950.2201.43.04.3基本信息动力粘度/(Pa.s)克林伯格系数/MPa最大吸附体积膨胀量/%气体普适系数/(Jmol-1K-1)泊松比密度/(gcm-3)数值1.08e-50.3538.3140.31.42.3几何模型在数值模拟中，将钻孔附近的瓦斯流动看成径向流动，并选择垂直钻孔方向的二维断面来研究在抽采过程中瓦斯压力和浓度的变化。模型如图 2 所示，尺寸为：长度 15 m、高度 8 m，其中煤层厚度为 6m，顶板厚度为 2m，底板厚度为 1.3m。在煤层中部布置了一个爆破孔和两个抽采孔，爆破孔和抽采孔之间的水平距离均为 1.5m，爆破孔和考察孔的孔径均为 0.94mm。根据上述参数进行网格划分，如图 3所示。图 2爆破方案设计543210-1-2-3-4-7-6-5-4-3-2-101234567图 3 网格划分示意3模拟结果分析3.1煤层塑性区变形在静态爆破下钻孔产生裂纹和裂隙延伸，爆破孔和抽采孔的煤层塑性区变化，其结果如图 4 所示。10.90.80.70.60.50.40.30.20.10543210-1-2-3-4-6-5-4-3-2-10123456距离/m图 4塑性区变化对于煤体这种弹塑性材料屈服就是破坏，即煤体发生塑性应变的区域就是煤体受到破坏的区域。由图 4 可知，爆破孔周围塑性区分布明显大于抽采孔的塑性区，爆破孔的塑性区呈现纺锤体状分布，塑性区向左右两侧横向扩展约 0.45 m，纵向向上延伸0.729m，向下扩展 0.740m。抽采孔的塑形区呈蝶翼状分布，塑性区半径约 0.12 m。这表明在爆破孔壁施加膨胀力后，使爆破孔周围煤体发生了显著的塑性变形，也大大促进了煤层裂隙发育，导致该区域范围内煤体的透气性大幅提升。3.2瓦斯有效抽采区域分布在不同抽采时间下，钻孔周围瓦斯压力分布如图 5 所示。王家岭煤矿因开采强度较大，导