E0103工作面CO2预裂技术数值模拟研究

唐强

摘 要：本文研究矿井为煤与瓦斯突出煤矿，E0103工作面存在煤与瓦斯突出危险性。为提高该工作面煤与瓦斯抽采效率，该煤矿在巷道掘进过程中运用CO2预裂技术进行增透，然后进行抽采工作。本文对CO2释放过程中煤岩渗透率分布情况进行数值模拟研究，建立含瓦斯煤流-固耦合模型及CO2与瓦斯解析置换方程，运用软件COMSOL并结合MATLAB对预裂技术实施过程进行数值模拟，得出工作面使用预裂技术过程中不同时间段煤岩渗透率分布云图。结果表明：模拟结果同现场深孔快速取样的样本分析结果基本一致。

关键词：瓦斯突出;CO2预裂;流-固耦合;渗透率

中图分类号：TD712.6文献标识号：A文章编号：1003-5168（2021）11-0073-03

The Numerical Simulation Study of CO2 Pre-Splitting Technique

on E0103 Working Face

TANG Qiang

（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute， Chongqing 400037）

Abstract： This paper research mine was a coal and gas outburst mine， There is danger of coal and gas outburst in E0103 working face. The technology of CO2 pre-splitting antireflection was used in the process of the mine roadway drivage to improve the working face of coal and gas extraction efficiency， then begin extraction. This paper performed numerical simulations mainly for the CO2 release process of coal rock permeability distribution. We established a model of Flow - solid coupling model and CO2 and gas analytical displacement equation， using the software COMSOL combined with MATLAB to pre-splitting technology implementation process. We could get coal rock permeability distribution in the process of different period for working face with pre-splitting technique. Simulation results was basically identical with the field of deep hole fast sampling sample analysis results.

Keywords： gas outburst;CO2 pre-splitting;flow-solid coupling;permeability

近年来，煤矿形势逐渐严峻，瓦斯突出事故频发[1]。瓦斯抽采是防治瓦斯事故的关键措施，但是，部分矿井开采的煤层透气性较差，导致瓦斯抽采效果不佳，瓦斯治理时间长[2]。为此，众多学者对低透性煤层增透技术展开研究，主要技術措施包括深孔松动爆破、水力压裂、水力割缝、CO2增透等，不同的增透技术有其自身的特点及应用范围[3-4]。本次研究矿井为煤与瓦斯突出矿井，为节约成本，同时消除该矿E0103工作面煤与瓦斯突出危险，矿井在掘进过程中运用CO2增透技术增加煤层透气性，以达到快速抽采达标的目的。本文以此为背景[5-7]，建立该煤矿含瓦斯煤流-固耦合模型，模拟出运用CO2增透技术及未使用CO2增透技术两种情况下，不同时间段里煤层中瓦斯压力分布云图，并将模拟结果同深孔快速取样分析结果进行对比，发现二者的结果基本一致，故可推断本文所建模型合理。

1 煤矿概况

研究矿井地处云南，为煤与瓦斯突出矿井，E0103工作面可采长度约700 m，工作面长约130 m，煤厚2.52 m，倾角15°，夹矸层数0～3层，采用综合机械化开采工艺采煤;5煤直接顶为泥质灰岩、裂隙不发育，上部为粉砂质泥岩和粉砂岩，直接底板为泥岩，底板下大概有三层煤线，煤线间夹泥岩。根据《地勘报告》，5煤瓦斯含量取7.9～15.45 m3/t，煤层硬度系数[f]为0.37，煤层透气性系数为0.607～2.67 m2/（MPa2·d）。

2 CO2预裂过程数值模拟研究

钻孔长度约为100 m，在钻孔底部下放CO2爆破器主管，进行启爆。CO2从泄能头两侧的出气孔急速冲出，时间约为40 ms，本文主要模拟这一时间段内CO2对煤岩的影响。实验研究表明，CO2发爆器启动之后，会在钻孔内产生一个约20 MPa的瞬间压力，该压力会对含瓦斯煤层产生一种瞬态的能量，同时CO2会置换出含瓦斯煤中的瓦斯气体。

2.1 模拟方程

通过现场实际考察可知，进行CO2预裂过程中，温度对瓦斯解析的影响较小，故本文所建立的数学模型不考虑温度对预裂过程的影响。在CO2释放过程中，压力逐渐衰减，而以往的模拟忽略了这一点，根据实验研究得出压力衰减方程[5]。泄能头两侧的出气孔喷出CO2压力方程为：

[P=P0-tB]                             （1）

式中：[P]表示泄能头两侧的出气孔喷出CO2压力;[P0]表示泄能头两侧出气孔喷出CO2初始压力;[B]表示压力衰减系数;[t]表示时间。

煤层内的瓦斯含量动态方程为[6-7]：

[MS=abcpρS1+bp]                         （2）

式中：[MS]表示瓦斯含量;[a]表示吸附常数;[b]表示吸附常数;[c]表示煤质校正参数，计算公式如式（3）所示;[p]表示瓦斯压力;[ρS]表示煤的密度。

[c=ρs11+0.31M×100-A-M100]                   （3）

式中：[M]表示煤的水分;[A]表示煤的灰分。

瓦斯运动方程[8-11]：

[V=-kμ1+mp?p]                        （4）

式中：[V]表示瓦斯渗流速度;[k]表示渗透率;[μ]表示瓦斯黏度系数;[m]表示Klinkerberg系数。

[?Ms?t+??ρV=0]                     （5）

式中：[V]表示瓦斯滲流速度;[ρ]表示瓦斯密度。

2.2 模拟参数

将现场采集的煤样带到实验室进行实验参数测定，得到煤岩基本参数，具体见表1。

2.3 数值模拟

现有的基本设计图如图1所示。数值模拟所建立的几何模型如图2所示。

建立的几何模型中，钻孔长度为90 m，将建立的基本数学模型编译成MATLAB（矩阵实验室软件）文件，链接到耦合模拟软件COMSOL Multiphysics（康模数尔软件）中，模拟时间为40 ms，步长为5 ms，现场进行测试得到顶板压力为2.3 MPa，底板压力为2 MPa，轴向压力为0.8 MPa。根据实验室测量的煤岩样本基本参数级进行数值模拟，分别得出预裂之后10 ms、20 ms、30 ms和40 ms的渗透率如图3至图6所示。

由图3至图6可知，进行CO2预裂技术之后，钻孔孔底渗透率逐渐增大，随着时间的推移，渗透率增大，影响的范围也逐渐增加。渗透率变化范围较大的区域为钻孔之间耦合区域，而钻孔非耦合区域仅仅依靠孔底的CO2预裂仍旧无法到达致裂要求。

2.4 模拟结果分析

由模拟结果可知：进行CO2预裂之后，10 ms时渗透率的影响范围约为5 m;20 ms时渗透率的影响范围约为30 m;30 ms时渗透率的影响范围约为40 m;40 ms时渗透率的影响范围约为60 m;随着时间的推移，渗透率的影响范围会不断增大，渗透率提高会提升瓦斯抽采效率。可见，影响煤层渗透率较大的区域为钻孔耦合区域，而虽然非耦合区域的煤层渗透率发生了变化，但变化并不明显，不能满足预裂要求。通过深孔快速取样对耦合区域和非耦合区域的煤样进行渗透率参数检测，检测结果与数值模拟结果基本一致。因此，在实际施工过程中，需要对原方案进行优化，不仅要在孔底放置CO2预裂爆破装置，还要在钻孔中间段一定位置放置CO2预裂爆破装置;同时，对于渗透率变化不大的非耦合区域，仍需要进行CO2预裂，消除低渗透率盲区。

3 结语

本文针对矿井高瓦斯低透气性煤层的特点，建立含瓦斯煤层流-固耦合模型。针对现场工程实践进行数值模拟，得出进行CO2预裂技术后不同时间段的煤层渗透率分布云图。同时，进行深孔快速定点取样，将样本带到实验室中进行测定，测得的渗透率与数值模拟对比，二者结果基本一致。研究结果对推进山西省高瓦斯低透气性煤层CO2预裂技术具有一定的指导意义和现实意义。在实际施工中，要不断优化CO2预裂技术，以满足低成本消除矿井煤与瓦斯突出危险的要求。

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