张 静
（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 037001）
引言
煤层气是一种绿色高效能源，广泛应用于工业、化工、发电和居民生活中。但是，如果在煤矿开采过程中控制不好，煤层瓦斯将是煤矿灾害的主要因素，如煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸，严重威胁安全生产。地下瓦斯抽放是降低瓦斯灾害风险的最有效方法之一，煤层的渗透性是决定瓦斯抽放难度的重要因素，随着开采深度的增加，地应力增大，渗透率进一步降低，瓦斯抽放难度加大矿井构造煤由于其黏结性弱、强度低、渗透性差的特点，瓦斯抽放尤为困难，是造成突出事故最多的原因[1]。
为了降低应力，提高单一构造煤层的渗透性，在瓦斯抽放实践中采用了水力开缝、水力压裂、高压脉冲水射流和深孔爆破等技术。但这些措施对水压要求较高，仅适用于硬度较低的煤层。硬煤层难以有效增加裂隙，软构造煤层形成的裂隙网络会迅速被充填，导致卸应力和增透效果较差[2]。此外，深孔爆破技术复杂，具有诱发煤与瓦斯突出的危险性。对于具有构造煤亚层的特殊厚煤层，如煤层，实现卸压增透是目前急需解决的问题。为提高煤层瓦斯抽放效果，研制了液压冲洗瓦斯抽放技术。通过数值模拟和现场实验，探讨了煤岩水力冲刷后应力释放和渗透性增加的机理[3-4]。COMSOL Multiphysics 基于煤的损伤和瓦斯运移模型，模拟了煤的渗透率变化和瓦斯抽放效果。随后进行了研究和验证[5]。
1 煤层特征及工程技术
1.1 煤层地质构造特征
焦作矿区位于太行山大背斜的东南翼，是杂岩构造带的联合作用区域。在复杂的多期地质构造运动作用下，该区形成了一系列的挤压-扭转断裂。在复杂的地质构造运动过程中，在压扭断层的挤压、扭转、滑动作用下，煤层内部发生沿层的韧性剪切，在煤层下部形成致密的层状糜棱质构造煤亚层。构造煤在焦作矿区广泛分布，具有强度低、渗透性差的特点。
1.2 瓦斯治理难度分析
众所周知，裂缝张开度主要受有效应力控制，有效应力与地应力密切相关，因此地应力也会显着影响煤层的原始渗透率。根据矿井地质生产报告，固含山煤矿煤层的山矿在埋深250 m～564 m 处，垂直应力从6.21 MPa 增大到18.85 MPa，最大水平应力从10.22 MPa 增大到30.92 MPa，最小水平应力从6.16 MPa 增大到23.48 MPa。根据实测地应力的变化趋势，可以预测矿区的地应力将进一步增大。同时，在高地应力环境下，煤层的渗透性会不断降低。在高地应力、高含气量、低渗透性条件下，矿井“三量”开采区的瓦斯抽放极为困难。煤层卸压是提高煤层渗透性的重要途径但煤层是唯一可采煤层，采用保护层开采技术无法实现全卸压。因此，在煤层开采前钻孔抽放瓦斯是唯一有效的方法。固含山煤矿采用了水力压裂、水力切割等常规措施。但由于软糜棱质构造煤亚层的存在，现场应用效果较差。固含山煤矿瓦斯治理难点的关键是根据煤层的特点，有效地释放应力，提高透气性。
1.3 水力冲洗抽放瓦斯技术研究
在井下抽放巷道跨层钻孔中，针对煤层的特殊结构特点使用液压冲洗瓦斯抽放技术，一套煤矿用履带式快速凿岩高压液压冲洗设备，如第130 页图1所示。当钻距煤层底板1 m 以上时，停止钻孔，往复钻进，将钻进水压提高到10 MPa～26 MPa，水流大于100 L/min，冲洗构造软煤亚层，直至构造软煤完全冲出，开始有清水流出。然后将钻孔水压降低至2 MPa～4 MPa，继续钻进，直至钻头超过煤层顶板0.1 m。将每个单孔密封连接为柱孔，然后将柱孔与高浓度瓦斯抽放主管道（HCGDMP）连接。在瓦斯抽放过程中，对单孔和柱孔的浓度和纯流量等气体参数进行人工测量，并通过HCGDMP 中的气体监测设备进行测量。
图1 履带式快速凿岩高压液压冲洗设备
2 数值模拟及结果分析
2.1 数值模拟方法
本文利用COMSOL Multiphysics5.1 数值模拟程序的优势进行了数值模拟。分析了煤体的应力变化和塑性损伤破坏。将相关应力应变数据代入COMSOL Multiphysics 中，分析渗透率演化和瓦斯抽放。水力冲洗后，用钻孔观察器检查钻孔的形状。在COMSOL Multiphysics 中建立二维模型。采用“达西定律模块”和“PDE 模块”进行数值模拟分析。根据地质生产报告和实验室测量结果，模型所需参数，如表1 所示。
表1 瓦斯含量和瓦斯压力的测量
2.2 数值模拟结果分析
煤的应力演化如图2 所示，与普通钻孔相比，构造煤中钻孔经过水力冲刷后，会引起更大范围的应力扰动。最大主应力σ1（钻孔水平切向方向）、最小主应力σ3（钻孔水平径向方向）和中间主应力σ2（钻孔垂直方向）均得到充分释放。图2 还统计了Z=1.5 m和Z=3 m 处的应力分布。σ3在远离井眼处开始减小，在井眼附近达到接近0 MPa。σ1和σ2在达到峰值后，在井口附近先增加后迅速下降，接近0 MPa，其中 σ1的变化过程明显大于 σ2。根据Mohr-Coulomb 破坏准则，当差应力σ1～σ3达到屈服强度峰值时，煤体开始发生塑性损伤。
图2 钻孔周围煤Z=1.5 m 和Z=3 m 处的应力状态和应力分布
水力冲刷后，煤体内发生塑性损伤，导致渗透性大幅度增加。第131 页图3 为钻孔周围煤层透气性分布。从普通钻孔前方0.5 m 开始，煤体透气性开始较初始透气性增加10 倍以上。然而，从水力冲井前方4 m 处开始，煤体渗透率开始较初始渗透率增加10倍～121 倍。水力冲洗钻孔周围煤层透气性明显增大，是普通钻孔的8 倍。普通钻孔周围气体压力下降幅度较小，而水力冲洗钻孔周围气体压力下降幅度较大。水力冲洗钻孔周围瓦斯压降范围从上到下逐渐增大，在煤层中部达到最大。经过水力冲洗后，钻孔的有效排水半径提高了2.4 倍～3.3 倍。
图3 煤的渗透性分布在普通钻孔和水力冲洗钻孔周围
数值模拟结果表明，在σ1—σ3差应力达到峰值后，井壁周围的煤体将发生破坏。但最大主应力σ1和中间主应力σ2在峰值出现前会先持续增加。因此，可以预测在水平应力σ1和垂直应力σ2的作用下，井壁附近受损煤将发生迁移。在垂直方向，正常的煤会塌陷到洞的底部。在水平方向上，正常煤和构造煤会迁移到钻孔中心，然后挤压筛管。因此，煤层的变形在垂直方向上总体是压缩的，在水平方向上是扩展的。研究了水力冲刷后煤的运移和变形情况。安装了煤层相对变形测量装置，对煤层垂直变形进行了测量。通过观察筛管的压缩变形，研究了煤的水平变形。水力冲刷后，煤层在垂直方向上连续发生相对压缩变形。第77 天，煤的相对压缩变形达到2.46%。筛管初始直径为0.05 m，远小于钻孔直径（即正常煤区直径为0.1 m，构造煤区直径为1.5 m）。第100 天，筛管变形压缩。煤巷掘进前，筛管被抽出，已严重变形破坏，主要是由于围岩煤的水平迁移变形。
水力冲井钻孔前，在16032 欠定位抽放巷道测得煤层的原始渗透率为0.027 m2/MPa2d。在水力冲洗和瓦斯抽放一年后，在同一位置附近再次测量煤层渗透率，渗透率增加到2.35 m2/MPa2d，煤层透气性提高了87 倍。
3 结论
本文对矿井“三量”可采区煤层采用全流程水力冲洗瓦斯抽放技术，通过数值模拟研究，揭示了应力释放和渗透率增加的机理。更多的构造煤涌出形成大孔，促进了煤层的应力释放和透气性增加。具有构造煤亚层的厚煤层经过水力冲洗后瓦斯抽放效率明显提高。数值模拟结果表明，水力冲刷显着扩大了应力消除和塑性损伤的范围，相应地也显着扩大了渗透性增加面积的范围。与普通钻孔相比，水力冲洗钻孔的有效排水半径提高了2.4 倍～3.3 倍。
