基于COMSOL的煤层分段水力造穴卸压增透效果数值模拟研究

唐文杰

(潞安化工集团有限公司 市场技术部，山西 长治 046000)

近年来，随着煤炭开采深度和开采水平的延伸，开采条件更加复杂，出现高地应力、高瓦斯、低渗透性和低强度等典型“二高二低”的煤层开采特征，本煤层钻孔瓦斯抽采难度也日趋增大，水力造穴技术在高瓦斯和突出矿井得到了广泛应用[1-4]。作为低渗煤层卸压增透的有效技术之一，国内外学者对水力造穴技术做了大量研究，分别从理论、实验、数值模拟、新工艺等方面对传统水力造穴技术做了改进，提高了本煤层瓦斯抽采钻孔的抽采量,达到了消除突出和钻孔增透的目的[5-9]。通过研究水力造穴的卸压增透机制，为水力造穴在煤矿井下的应用奠定了理论基础[10-15]。

本文通过对目前水力造穴钻孔及相邻钻孔瓦斯抽采效果进行分析考察，研究了不同造穴半径和造穴间距对造穴增透效果的影响作用及尺度，进一步优化水力造穴工艺参数，从而为其他区域科学实施本煤层钻孔分段水力造穴技术提供了理论依据。

1 本煤层分段水力造穴模拟模型及参数

本煤层分段水力造穴是指在煤矿井下打设瓦斯抽采钻孔的基础上，采用10～20 MPa的高压水在煤体里冲出大量煤体形成直径较大的卸压洞穴，使煤体应力发生变化，并且为瓦斯解吸提供更大的运移空间，在洞穴周围煤体形成许多裂隙，形成瓦斯运移通道，配合瓦斯抽采释放煤体里的瓦斯压力，进而增加煤层透气性，提高瓦斯涌出量[16]。本煤层钻孔分段水力造穴增透技术主要是通过增加造穴数量和增大造穴半径等造穴参数，进而增加钻孔围岩煤体采动卸压影响范围，来实现钻孔围岩煤体增透的目的。因此，研究本煤层钻孔及水力造穴围岩采动影响因素及影响尺度是研究本煤层分段水力造穴煤层条件适用性、煤层增透效果及技术参数优化的基础。钻孔分段水力造穴增透技术施工示意如图1所示。

图1 钻孔分段水力造穴增透技术施工示意

基于煤层损伤-应力-渗流耦合模型，进行高河能源3号煤层水力造穴卸压机制以及增透效果数值模拟研究，基础模型尺寸为20 m×6.8 m，如图2所示，被三角网格划分为1 842个单元，模拟参数根据高河能源3号煤层实际情况设定，如表1所示。

图2 数值模拟的物理模型

2 水力造穴卸压增透效果分析

水力造穴施工的关键基础是合理确定造穴直径与造穴间距，较小的造穴半径或造穴间距会增加瓦斯抽采成本和施工工期；较大的造穴半径或造穴间距会形成应力集中和抽放盲区，无法均匀有效地增加施工工作面煤层透气性系数，因此分析不同造穴参数对提高煤层卸压增透效果具有十分重要的意义。

表1 高河能源 3号煤层物理参数

2.1 造穴半径对煤层卸压增透效果的影响

为分析造穴半径对煤层卸压增透效果的影响，分别模拟研究了造穴半径为0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m时煤层的卸压效果以及不同时间造穴孔的瓦斯抽采效果。

图3为不同造穴半径的洞穴周围应力分布图。

图3 不同半径造穴孔周围应力分布

从图3看出，随着洞穴半径的增加，洞穴周围的煤体卸压面积也不断变大。当洞穴半径为0.2 m时，洞穴周围卸压区域范围仅有1.5 m;而当洞穴半径增加到0.7 m，洞穴周围卸压区域范围达到4.0 m，在洞穴周围会出现一小段应力增高区域，但随着洞穴半径的增加，这种应力集中现象会不断减弱。当洞穴半径为0.2 m时，中线上应力最大值为9.1 MPa，应力集中系数为1.1；当洞穴半径为0.5 m时，洞穴中线上应力最大值为8.4 MPa，应力集中系数为1.05；当洞穴半径为0.7 m 时，洞穴中线上应力最大值为7.9 MPa，小于洞穴未影响区域煤层应力。由此可以看出，从煤层卸压范围到控制煤层应力集中，增加洞穴半径都会有很好的效果。

如图4为不同造穴半径监测点位置处渗透率变化。可以看出，造穴半径越大，监测点卸压越明显，渗透率增幅越大。在抽采时间为90 d，造穴半径分别0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m时，监测点处的渗透率分别为1.34×10-17m2、1.35×10-17m2、1.36×10-17m2、1.37×10-17m2和1.38×10-17m2。以造穴半径为0.2 m时监测点渗透率做基准，造穴半径增加到0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m，抽采时间为90 d时，渗透率分别增加了0.7%、1.4%、2.3%、2.9%以及3.7%。在瓦斯抽采过程中煤层的渗透率也不断增加，抽采时间为90 d，造穴半径为0.2 m时，监测点处的渗透率增加了5.5%，而造穴半径为0.7 m时，监测点处的渗透率增加了8.6%，这是因为造穴半径越大，煤层卸压增透效果越好，孔隙压力下降快，渗透率增加就越明显。

图4 不同造穴半径监测点位置处渗透率变化

如图5为不同造穴半径钻孔瓦斯抽采效果云图(黑线范围内为有效卸压范围，瓦斯压力小于0.74 MPa)。可以看出，随着瓦斯抽采工程的不断进行，抽采钻孔附近区域的煤层压力逐渐下降，在钻孔附近形成1个低压区域，即压降漏斗，受应力的影响，煤层有效卸压范围呈椭圆分布。随着造穴孔半径的增加，煤层卸压面积增大，渗透率增高，煤层的瓦斯抽采效果越来越好。当造穴半径为0.2 m时，抽采90 d煤层横向有效卸压范围为1.7 m，而当造穴半径为0.7 m时，抽采90 d，煤层横向有效卸压范围达到了2.7 m。

图5 不同造穴半径钻孔瓦斯抽采效果

2.2 造穴间距对煤层卸压增透效果的影响

本节主要分析造穴间距对煤层卸压增透效果的影响。将洞穴半径设置为0.3 m，由于钻孔相对于洞穴半径较小，所以在模拟计算过程中忽略钻孔的影响，不同造穴间距洞穴周围应力分布如图6所示。

图6 不同造穴间距洞穴周围应力分布

从图6可以看出，不同间距的洞穴周围均有应力集中区域出现，在该位置处应力发生集中现象。两洞穴之间的间距越小，其中间位置处煤层卸压幅度就越大。增加造穴间距不一定就能增加洞穴间煤层应力集中范围，当洞穴间距由8 m增加到10 m时，煤层卸压区域的面积反而减小了。

图7为不同间距造穴时监测点处渗透率变化，其中监测点位于两洞穴中间。可以看出，随着两洞穴间距的减少，监测点处初始渗透率增大。受到洞穴卸压增透的影响，在抽采过程中，煤层造穴间距越小时，监测点渗透率增幅也就越大。当洞穴间距为10 m时，抽采90 d，监测点渗透率为1.29×10-17m2；而当洞穴间距降为4 m时，监测点渗透率增加为1.39×10-17m2，增幅为7.7%。

图7 不同间距造穴时监测点处渗透率变化

图8为不同间距造穴时监测点处压力变化。可以看出，随着两洞穴间距的减少，抽采相同时间，监测点处煤储层压力降幅会更明显。当洞穴间距为10 m时，抽采90 d，监测点处煤孔隙压力为0.81 MPa；而当洞穴间距降为4 m时，监测点处煤孔隙压力降为 0.46 MPa，降幅为43%，瓦斯抽采效果更好。

图8 不同间距造穴时监测点压力变化

3 结 语

通过COMSOL数值模拟分别研究了不同造穴半径和造穴间距对煤层卸压增透效果的影响，得到如下结论：

1) 随着造穴半径的增加，洞穴周围的煤体卸压面积也不断变大，但洞穴周围应力集中现象会不断减弱。

2) 造穴半径越大，监测点卸压越明显，渗透率增幅越明显，在瓦斯抽采过程中煤层的渗透率也不断增加，孔隙压力下降快，煤层卸压增透效果越好，瓦斯抽采效果也越好。

3) 不同造穴间距下洞穴周围出现应力集中现象，造穴间距越小，其中间位置处煤层卸压幅度就越大。

4) 造穴间距越小，监测点处初始渗透率就越大，受到洞穴卸压增透的影响，在抽采过程中，监测点渗透率增幅也就越大，煤储层压力降幅越明显，瓦斯抽采效果也越好。