高压空气冲击条件下煤体气体压力分步模拟研究

胡宗源HU Zong-yuan

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

0 引言

矿井瓦斯严重威胁着煤矿的安全生产，近年来随着采深的逐步增加，此类问题日趋严重，因此，此类问题是目前矿井安全生产急需解决的问题。而我国多数矿井煤层瓦斯透气性低，抽采效果差，严重影响了矿井的安全生产。同时，煤质松软、高瓦斯、高应力、低透气性是我国煤层的普遍特点，因此要提高矿井瓦斯抽采效率，就必须增加煤层的透气性。

煤体内部裂隙网络提供了煤层的渗透性，大量相互连通的裂隙网络为煤层内部气体流动提供了通道。几十年来，国内外科研人员都对低透气性煤层瓦斯抽采技术进行过研究，通过增强矿井煤层透气性来提高煤层瓦斯抽采效果，国内外学者通过水力压裂（割缝）、深孔欲裂爆破、施工密集钻孔（交叉钻孔）等方法来增加煤层透气性。

1 高压空气冲击煤体增透技术介绍

1.1 高压空气冲击煤体增透技术的提出

高压空气冲击制裂技术是室世界上新兴的技术，它起源于上个世纪80 年代。目前俄罗斯、美国、等都进行了理论与实践的研究，并且取得了成功。我国于80 年代末在高能气体压裂方面也取得了成功，目前在油田提高油气产出率方面使用高能气体压裂技术较多。煤层与油气储层在原理上相类似，把高能气体压裂技术应用在煤层瓦斯的抽采领域在我国还处于尝试阶段，该技术为治理矿井瓦斯提供了新的方法[1-3]。

1.2 高压空气冲击煤体增透技术的原理

高压空气冲击煤体增透技术原理即通过使用高压空气流冲击煤层来提高其透气性。主要设备有空气压缩机、管道和高压喷射嘴。空气压缩机提供50～100MPa 高压空气，喷射嘴喷射出的高压空气来切割周围煤体，使其不断产生裂隙和孔洞。首先高压空气通过喷嘴在煤体中产生应力波，这些应力波不断向四周传递，钻孔周围煤体在应力波的作用下不断卸压产生松动圈。

图1 高压空气制裂示意图

高压空气冲击孔周围煤体在高压空气作用下产生微观裂隙，微观裂隙持续不断的萌生扩展并转换为宏观裂隙，这些裂隙不断扩展贯通进而增大煤层的透气性[3~8]。

图2 煤体裂隙

1.3 高压空气冲击煤体的目的

高压空气冲击的目的是改变煤体微观结构，促进煤体内部裂隙的发育，增加煤体结构进而增强其透气性，提高煤层瓦斯抽采效率，从而有助于煤层瓦斯灾害治理。

图3 高压空气爆裂前煤体中裂隙示意

2 高压空气冲击煤体气体压力分布模拟研究

2.1 数学模型

煤体介质是一种地质材料，在其形成过程中受埋藏深度、变质程度、围岩性质等多种因素的影响，其物理、力学性质（如弹性模量、强度等）并不相同，即煤层是非均质的。为简化模型，在除火成岩侵入、断层、陷落柱等地质构造带外的煤层赋存稳定区域，可以将煤层看作是均质的，并将该区域内煤层原始瓦斯压力看作是均匀的。按以下设定建立瓦斯流动数学模型：

煤体介质是地质材料中的一种，煤层中的煤体在形成过程中经过漫长的变质程度，同时受到煤体围岩和煤体埋藏深度的影响，其弹性模量和强度等力学性质存在很大变化，也造就了煤体内部结构的不均匀性。为了简化整个数学模型，定义未受到火成岩侵入、陷落柱和断层等地质构造带影响的煤层赋存区煤体内部结构为均匀的。并建立以下模型：①计算区域内煤体内部结构是均匀的，并且煤层透气性系数、孔隙率和煤层瓦斯压力均为一个常量。②煤体围岩没有变形且为均质的。③煤体围岩内部不含瓦斯且不透气，同时煤层透气性很差。④煤层瓦斯处于饱和吸附状态，且符合朗格缪尔方程。⑤煤层瓦斯渗流为恒温过程，符合达西定律。

根据煤层瓦斯气体运动方程、理想气体状态方程和煤岩体的变形场方程，建立高压空气冲击煤体煤层瓦斯渗流-演化数学模型。利用煤层瓦斯朗格缪尔方程、有效应力方程和克林肯博格方程，经过计算简化得到：

2.2 工程背景

本文煤样以新疆焦煤集团2130 煤矿5 号煤层特性为例进行定义，井田有2 个含煤地层，从上至下为中统西山窑组和下统八道湾组。5 号煤层在下统八道湾组，煤层平均厚度4.29m，煤层较稳定，结构简单，井田范围全区可采。顶板为粗砂岩和砾岩，局部为细砂岩；煤层底板为粉砂岩。

2.3 数值模拟

应 用 模 拟 软 件 分 别 模 拟40MPa、60MPa、80MPa、100MPa 和120MPa 空气压力和其在不同应力条件下对媒体冲击的模拟计算，并用模拟软件进行处理和分析以上结果。采用平面应力-应变分析，模型尺寸为标准的10m×10m，本模型通过求解共划分若干个单元。边界为不透气岩体，即围岩瓦斯气体流量为0m3/min，煤层原始瓦斯压力设定为5MPa，物理参数见表1 所示。

表1 煤岩体物理参数

顺 层 冲 击 分 别 以120MPa、100MPa、80MPa、60MPa、40MPa 高压空气以多点连续方式冲击煤体进行模拟，得出高压空气冲击煤体煤层气体压力场分布图，取部分煤层中气体压力曲线图。（图4-图6）

图4 40MPa 高压空气时气体压力场分布

图6 120MPa 高压空气时压力场分布图

通过计算分析，将以上不同压力情况下冲击煤体后煤体中的压力分布情况进行对比分析，得出图7[9-11]。

图7 多点连续式冲击时煤层中的气体压力分布曲线对比图

图5 80MPa 高压空气时气体压力场分布图

由图7 多点连续式冲击时煤层中的气体压力分布曲线图可知，高压空气对媒体的冲击大大提高了煤体的透气性，并且随着冲击空气压力的增大，冲击后煤体中冲击空气的压力梯度也逐渐变大。靠近喷嘴的地方其空气压力值最高，对煤体冲击效果也越好，煤体中随着距离喷嘴长度增大，其效果不断降低，当距离进入到临近喷嘴的影响范围时，气体压力又呈现出增大的趋势。

3 结论

①高压空气波的冲使煤体内部出现大量孔隙，使煤层透气性大大提高。

②高压空气冲击条件下，煤层中气体压力梯度随着气体压力的增大而增大。在同一气体压力冲击条件下，距离喷嘴出口越近的煤体其气体的压力梯度变化越大。