采动裂隙带地面L型钻孔遇岩层位数值模拟

张 博

(西山煤电(集团)有限责任公司, 山西 太原 030053)

煤矿开采深度的加深，开采强度的加大，使矿井工作面回采期间瓦斯超限问题越来越严重，仅2002—2012年，全国矿井瓦斯爆炸事故就发生了897起[1-3]. 采空区瓦斯是工作面瓦斯的重要来源，占50%～60%，因此采空区瓦斯治理是煤矿瓦斯治理的重点[4, 5]. 对于回采过程中采空区的瓦斯治理，许多学者进行了研究，袁亮等[6]基于采动覆岩破坏特征，进行了大直径地面立井采空区瓦斯抽采试验，钻井总抽采瓦斯量达到361.7 m3，瓦斯治理效果明显；凡永鹏等[7]采用数值模拟和工程实际相结合的方法分析了塔山矿不同采空区瓦斯治理方法的抽采效果，揭示了不同方式的优缺点；褚廷湘等[8]基于煤矿瓦斯与浮煤自燃耦合治理的思想，分析了“U+I”型工作面不同工况下，上隅角瓦斯和采空区自燃“三带”分布情况；张玫润等[9]分析了“一面四巷”情况下高抽巷处于不同位置处采空区瓦斯分布特征，揭示了不同层位高抽巷瓦斯治理效果。

西山煤电集团屯兰矿2012年升级为突出矿井，回采期间瓦斯治理难度大，为有效解决工作面回采期间上隅角瓦斯超限问题，使用地面L型钻孔代替高抽巷抽采瓦斯。以该矿12507工作面采空区瓦斯治理为工程背景，采用3DEC软件分析采动覆岩“三带”分布特征，使用COMSOL Multiphysics软件研究不同层位采动裂隙带L型钻孔瓦斯抽采效果，为钻孔合理层位的选择提供理论依据。

1 工程概况

屯兰矿12507工作面采用综采一次采全高的方法进行2#、3#煤层回采，总厚度4.57 m. 工作面走向长度1 644 m，倾向长度220 m，采用U型通风，总风量为2 100 m3/min. 直接顶为黑色粉砂岩，具缓波状层理；基本顶为粉砂岩夹细砂岩薄层长石、石英砂岩，具缓波状层理；直接底为黑色炭质泥岩，含少量植物化石碎片，性脆；基本底为灰色细砂岩，含植物化石碎片。

2 12507工作面覆岩垮落特征

为分析12507工作面采动过程中覆岩垮落特征，根据工作面赋存条件，采用3DEC软件建立工作面回采覆岩垮落数值模拟模型，模型尺寸x轴方向400 m，y轴方向400 m，z轴方向150 m. 煤层厚度4.57 m，顶板厚度123.78 m，底板厚度21.65 m，根据煤层埋深情况，模型z轴方向顶面需施加10 MPa的均布荷载。

不同推进距离采空区上覆岩层的垮落情况见图1. 由图1可以看出，随着工作面的向前推进，采空区上覆岩层裂隙带发育高度越高，当工作面推进距离分别为30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、180 m时，裂隙带高度分别发育至距煤层顶板8 m、15 m、25 m、36 m、50 m、55 m，垮落带高度为13 m左右。

根据覆岩“三带”理论计算公式：

图1 不同推进距离覆岩裂隙场演化特征图

1) 垮落带高度。

式中：

Hm—垮落带高度，m；

M—开采煤层厚度，m，取4.57.

2) 裂隙带高度。

理论计算结果与数值模拟结果差别不大，验证了数值模拟结果的准确性。

3 地面L型钻孔遇岩层位优选

为保证地面L型钻孔能够高效稳定的对回采期间工作面瓦斯进行治理，钻孔水平段遇岩层位的设置很重要。若L型井距离煤层顶板太近，岩层稳定性差，钻孔塌孔的危险性大；若L型井距离煤层顶板较远，瓦斯抽采效应滞后，工作面瓦斯超限可能性大，回采期间的安全不能保证。为对地面L型钻孔遇岩层位进行优选，基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立地面L型钻孔瓦斯抽采模型，分析不同层位L型钻孔的瓦斯抽采效果。

3.1 采动瓦斯运移数学模型

3.1.1气体运移方程

巷道与工作面内的气体流动可以等效为流体在管道内的流动，对于管道内的流体流动，无论是层流还是湍流纳维叶-斯托克斯方程均能很好地描述。因此，采用纳维叶-斯托克斯方程对工作面及巷道内气体流动状态进行描述：

-·η[μ+(μ)T]+ρμ·μ+p=0

式中：

η—气体流动黏性系数，kg/(m·s)；

μ—流体流动速度，m/s；

ρ、p—流体密度、压力，kg/m3、Pa.

3.1.2采空区流动方程

煤层回采后上覆顶板破碎充满整个采空区，矸石间存在着大量的空隙，形成一种多孔介质结构。选用Brinkman方程对采空区内气体流动进行描述：

式中：

ε—孔隙率；

k—渗透率，m2.

3.1.3瓦斯扩散方程

采空区内瓦斯遵守弥散定律和扩散定律，但上述方程均不能反应瓦斯的扩散迁移。因此，采用流体对流-扩散方程进行补充描述：

式中：

θs—气体体积分数；

c—气体浓度，mol/m3；

DL—气体压力扩散张量，m2/d；

SC—气体源项。

3.2 物理模型建立

根据12507工作面实际情况，进行采动裂隙带L型井钻孔瓦斯抽采物理模型建立，见图2. 模型采空区尺寸为300 m×220 m×60 m，工作面尺寸为5 m×220 m×3.5 m，两巷道尺寸为20 m×4.5 m×3.5 m. L型钻孔d0.171 4 m，为分析不同层位L型钻孔的抽采效果，钻孔位置分别设置于距煤层顶板23 m、33 m、43 m以及53 m.

图2 采动裂隙带L型井抽采物理模型图

3.3 数值模拟结果分析

不同层位L型井瓦斯抽采效果见图3，由图3可知，在进风压力的作用下，大量气体由进风巷侧进入采空区，采空区前端瓦斯被稀释，由于回风侧为负压，漏入的空气较少，该处瓦斯浓度相对较大。不同层位的采动裂隙带L型钻孔对采空区瓦斯浓度的影响不同，L型钻孔距离煤层顶板越近，引起的采空区漏风越严重，采空区整体平均瓦斯浓度越低。

不同层位L型钻孔瓦斯抽采Z=2 m剖面瓦斯分布图见图4，由图4可知，采动裂隙带L型钻孔距离煤层顶板为23 m时，由于抽采负压的作用，工作面漏风量大，回风巷上隅角处流体处于涡流状态，该处的瓦斯不能有效由回风巷流出，此时上隅角浓度达到15%. 采动裂隙带L型钻孔距离煤层顶板为33 m时，在瓦斯抽采负压作用下，上隅角瓦斯浓度为5%. 采动裂隙带L型钻孔距离煤层顶板为55 m时，虽然瓦斯有上浮效应，但由于距离回风巷距离较远，L型钻孔对上隅角处的瓦斯治理效果也不够理想，上隅角瓦斯浓度达到8%. 当采动裂隙带L型钻孔距离煤层顶板为43 m时，上隅角瓦斯浓度仅为0.6%，瓦斯治理效果较好。因此，屯兰矿采动裂隙带L型钻孔应布置在距离煤层顶板43 m左右位置处。

图3 不同层位L型钻孔瓦斯抽采效果图

图4 不同层位L型钻孔瓦斯抽采Z=2 m剖面瓦斯分布图

4 结 论

1) 采用3DEC软件对屯兰矿12507工作面采动覆岩“三带”进行研究，得出采空区上覆岩层垮落带高度13 m，裂隙带高度55 m.

2) 采动裂隙带L型钻孔距离煤层顶板越近，由工作面漏入采空区的风量越多，采空区总体瓦斯浓度相对越低。

3) 采动裂隙带L型钻孔距离煤层顶板23 m时，大的漏风量引起的上隅角瓦斯积聚现象明显，上隅角浓度达到15%；当采动裂隙带L型钻孔距离煤层顶板53 m时，钻孔对上隅角瓦斯的控制能力相对较差;采动裂隙带L型钻孔层位设置在距离煤层顶板43 m处，此时上隅角瓦斯浓度仅为0.6%.