深井低孔隙率煤層混合式注水模擬及應(yīng)用

文金浩 周 剛 萬(wàn)純新 于巖斌

( 山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島266590)

隨著我國(guó)煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化開采程度的不斷提高及開采深度的逐步增加，采煤工作面粉塵災(zāi)害事故不斷發(fā)生。實(shí)踐證明，通過(guò)向煤層注水使煤體潤(rùn)濕，可降低煤層開采時(shí)的粉塵產(chǎn)生量。由于埋藏深度較大，與淺埋煤層相比，深部煤層具有高地應(yīng)力、煤體較為堅(jiān)硬、孔隙裂隙不發(fā)育、低滲透率等特點(diǎn)，因此在煤層注水時(shí)會(huì)遇到注水困難的問(wèn)題［1-5］。且長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)煤層注水的認(rèn)識(shí)一直停留在定性認(rèn)識(shí)階段，對(duì)深部煤層注水模擬研究較少，缺乏對(duì)注水工藝的科學(xué)指導(dǎo)，從而影響煤層注水效果［6-9］。本研究在構(gòu)建滲流過(guò)程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)滕東生建煤礦3下105 綜放工作面鉆孔利用COMSOL Multiphysics 模擬軟件進(jìn)行了注水模擬，優(yōu)化了煤層注水工藝，提高了深井低孔隙率煤層的注水效果，進(jìn)而有效降低了工作面粉塵產(chǎn)生量，從而保證了礦井的安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 煤層注水滲流過(guò)程數(shù)學(xué)模型

由非飽和狀態(tài)到飽和狀態(tài)的滲流過(guò)程是典型的注水煤層浸潤(rùn)過(guò)程。在此過(guò)程，滲流過(guò)程符合達(dá)西定律，水的流動(dòng)需滿足質(zhì)量和能量守恒原理。統(tǒng)籌考慮非飽和域與飽和域，建立起非飽和－飽和流動(dòng)的連續(xù)方程［4-5］。

煤層注水的滲流與耦合分析是基于固液耦合的基本理論來(lái)完成的，對(duì)應(yīng)力與滲流的力學(xué)耦合作用規(guī)律進(jìn)行研究，它包含2 層含義: 一是在注水應(yīng)力場(chǎng)作用下，注水煤層中的滲流規(guī)律;二是在滲流場(chǎng)作用下，注水煤體的應(yīng)力應(yīng)變和強(qiáng)度問(wèn)題。

1.1 達(dá)西滲流規(guī)律

流體在多孔介質(zhì)內(nèi)以較低流速的滲流過(guò)程可以用Darcy 定律來(lái)描述［6］:

式中，snvn為單位面積上的自由液體體積速率，m3/s;k 為滲流系數(shù)矩陣; φ 為水頭，m; zc為參考點(diǎn)以上的高度坐標(biāo)，m; g 為重力加速度，m/s2; uw為壓強(qiáng)，Pa;ρw為流體密度，kg/m3。

1.2 滲流連續(xù)性方程

取一段單位長(zhǎng)度鉆孔作為研究對(duì)象，則非飽和－飽和二維非穩(wěn)定流的連續(xù)方程為［6-7］

式中，Tx、Ty為X、Y 軸方向的導(dǎo)水滲透系數(shù); H 為含水煤層的壓力水頭，m; S 為煤體貯水系數(shù); W 為煤體毛細(xì)孔隙對(duì)水的吸收量的補(bǔ)充項(xiàng)。

1.3 應(yīng)力場(chǎng)方程

由幾何方程、應(yīng)力平衡方程、本構(gòu)關(guān)系與有效應(yīng)力原理等公式聯(lián)立，可得到由應(yīng)力和位移表示的應(yīng)力平衡微分方程［8-9］

式中，G 為剪切模量，Pa; v 為泊松比; uj.ij、ui，ij為位移，m; P 為空隙壓力，N。

2 煤層混合式注水滲流壓力場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 滕東生建煤礦3下105 綜放工作面概況

3下105 綜放工作面是生建煤礦第二個(gè)工作面，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，位于一采區(qū)中部，工作面開采標(biāo)高為－847.7 m ～－892.6 m，東部為3下107綜放面采空區(qū)，西部為未開采區(qū)，北鄰DF19 斷層，工作面傾向長(zhǎng)121 m，走向長(zhǎng)1 037 m，煤層厚度為2.7 m ～9.9 m，面積約為124 872 m2，平均厚度為5.8 m，煤層傾角為2° ～11°，平均傾角為4°。主采的3 層煤?jiǎn)挝晃考s為0.000 153 6 m/( MPa·s) ，孔隙率為2.48% ～3.26%，屬難注水煤層。

2.2 初始參數(shù)及邊界條件設(shè)定

根據(jù)生建煤礦3下105 綜放工作面的地質(zhì)情況及煤層相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)模型的初始參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬初始參數(shù)設(shè)定Table 1 Initial parameters setting in numerical simulation

本次模擬設(shè)置的邊界條件如下［6-8，10］。

(1) 注水過(guò)程中，忽略煤層傾角對(duì)注水滲流的影響，水的密度視作一個(gè)定值。

(2) 注水孔上下邊界、左右邊界設(shè)為恒壓透水邊界，其他邊界設(shè)置為不透水邊界，定壓處理。

(3) 模型四周法線方向的位移都被約束。

2.3 物理模型建立

鑒于3下105 綜放工作面已進(jìn)入正常生產(chǎn)且運(yùn)輸巷對(duì)注水工作影響較大，因此采用單向鉆孔布置?；诿簩幼⑺疂B流過(guò)程數(shù)學(xué)模型，建立了50 m、80 m 這2 種長(zhǎng)度的單向注水鉆孔的物理模型，以2 個(gè)鉆孔為研究對(duì)象，模型如圖1 所示。

圖1 注水模型Fig.1 Water injection model

注水模型均取工作面長(zhǎng)度120 m，煤厚6 m，注水鉆孔直徑0.065 m，封孔長(zhǎng)度10 m，注水鉆孔開孔位置距底板1.5 m，鉆孔傾角取上傾4°。鉆孔長(zhǎng)度為50 m 和80 m 時(shí)鉆孔間距均為20 m。

利用建立的物理模型對(duì)在低壓3 MPa、高壓20 MPa 注水壓力下的兩種不同長(zhǎng)度鉆孔的滲流壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬，進(jìn)而分析煤體中注水壓力的分布規(guī)律。

2.4 結(jié)果分析

對(duì)長(zhǎng)度為50 m 的單向注水鉆孔進(jìn)行模擬，同時(shí)從鉆孔徑向設(shè)置截面，模擬結(jié)果如圖2 所示。

圖2 50 m 鉆孔煤層注水滲透壓力場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.2 50 m borehole coal seam osmotic pressure field simulation results

從圖2 模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn): 注水壓力以鉆孔為中心，沿著鉆孔向兩側(cè)有規(guī)律的漸變衰減。其中，在鉆孔徑向方向，當(dāng)水壓為3 MPa 時(shí)，2 m 范圍內(nèi)壓力衰減到0.519 6 MPa，衰減了82.68%;水壓為20 MPa 時(shí)，4 m范圍內(nèi)壓力衰減到2.966 1 MPa，衰減了85.17%?？梢钥闯觯退畨簵l件下，注水所影響的范圍小于高水壓條件下所影響的范圍。

對(duì)鉆孔長(zhǎng)度為80 m 的單向注水鉆孔進(jìn)行模擬，同時(shí)從鉆孔徑向設(shè)置截面，模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 80 m 鉆孔煤層注水滲流壓力場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.3 80 m borehole coal seam osmotic pressure field simulation results

從圖3 可以看出:80 m 鉆孔長(zhǎng)度條件下煤層注水滲流壓力場(chǎng)同50 m 鉆孔長(zhǎng)度條件下注水滲流壓力場(chǎng)類似。80 m 鉆孔長(zhǎng)度條件下，水壓為3 MPa 時(shí)，鉆孔徑向方向3 m 范圍內(nèi)壓力衰減至0.644 1 MPa，衰減了78.53%，20 MPa 水壓下鉆孔徑向7.5 m 范圍內(nèi)壓力衰減至4.816 MPa，衰減了75.92%，相比50 m鉆孔條件下注水壓力作用范圍不僅擴(kuò)大了，而且水壓衰減程度也有一定的降低。

由以上模擬分析可知，在水壓作用范圍內(nèi)，相比50 m 鉆孔，80 m 鉆孔條件下的注水滲流壓力場(chǎng)分布與作用效果均有較大幅度的提高。對(duì)比80 m 鉆孔條件下不同水壓下作用時(shí)的滲流壓力場(chǎng)可知，高壓力條件下，水壓作用范圍明顯大于低壓條件下的作用范圍。

3 煤層混合式注水技術(shù)工藝

3.1 煤層混合式注水技術(shù)簡(jiǎn)介

煤層混合式注水技術(shù)是根據(jù)采煤工作面煤層應(yīng)力分布狀態(tài)，將工作面開采影響范圍之外，未受采動(dòng)影響的區(qū)域劃分為靜壓區(qū)，受采動(dòng)影響的區(qū)域劃分為動(dòng)壓區(qū)。靜壓區(qū)煤體基本保持原有的完整性，煤層裂隙孔隙處于壓密閉合狀態(tài)，對(duì)該區(qū)域采用動(dòng)壓注水，即利用高壓水迫使原本壓實(shí)的裂隙孔隙再度張開，從而達(dá)到提高煤層滲透率，增加煤層注水量的目的。動(dòng)壓區(qū)的煤體受集中應(yīng)力的作用發(fā)生破壞，煤層裂隙孔隙發(fā)育，有利于煤層低壓注水工作的開展，因此動(dòng)壓區(qū)內(nèi)采用靜壓注水技術(shù)工藝［9，11］。

3.2 混合式注水工藝實(shí)施

由于數(shù)值模擬結(jié)果表示的是宏觀意義上的結(jié)論，和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況會(huì)有一定的誤差。為達(dá)到較好的注水降塵效果，在現(xiàn)場(chǎng)選擇長(zhǎng)度為80 m 的鉆孔，將鉆孔間距調(diào)整為15 m。其他注水鉆孔參數(shù)保持和模擬中的數(shù)值不變。采用ZL －500 型鉆機(jī)在軌道巷內(nèi)打注水孔。通過(guò)實(shí)測(cè)得3下105 工作面原始地應(yīng)力σ1為26.3 MPa、σ3為14.8 MPa，煤體抗拉強(qiáng)度σt為1.67 MPa，注水煤體產(chǎn)生裂隙的注水壓力為

P ≥3σ3－ σ1+ σt［12］，

即為19.77 MPa。因此，本次煤層注水高壓取20 MPa，低壓為3 MPa，采用固邦特高分子材料封孔，封孔長(zhǎng)度為10 m。3下105 工作面注水系統(tǒng)的布置方式如圖4、圖5 所示。

圖4 靜壓注水系統(tǒng)Fig.4 Static water injection system

圖5 高壓混合式注水系統(tǒng)Fig.5 High-pressure hybrid water injection system

受工作面推進(jìn)長(zhǎng)度所限，在停采線前300 m 處開始實(shí)施鉆孔，鉆孔由里向外依次編號(hào)。由礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，受工作面采動(dòng)影響的范圍約為150m，而第一個(gè)鉆孔距離工作面遠(yuǎn)大于150 m，因此，鉆孔區(qū)域位于靜壓區(qū)。試驗(yàn)初始階段使用2BZ －40/12 型注水泵對(duì)煤體實(shí)施高壓注水。鉆孔采取隨打隨注的方式，待第一個(gè)注水孔進(jìn)入動(dòng)壓區(qū)后改為靜壓注水，其他鉆孔以此效法。待鉆孔超前工作面10 m 時(shí)停止注水，依靠毛細(xì)作用力，吸收注入的水分，使煤體潤(rùn)濕。

4 注水后降塵效果考察

預(yù)濕煤體是煤層注水的主要目的之一，從而減少破煤時(shí)的粉塵產(chǎn)生量，按照《粉塵濃度與分散度測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)及《煤礦井下粉塵測(cè)試規(guī)范》對(duì)井下正常生產(chǎn)時(shí)主要作業(yè)地點(diǎn)的粉塵濃度進(jìn)行了測(cè)定。

為了直觀體現(xiàn)注水后的降塵效果，在3下105 工作面布置測(cè)塵點(diǎn)，分別測(cè)定注水前、注水后各主要生產(chǎn)工序的粉塵濃度，并通過(guò)2 種情況之間的相互比較得出相應(yīng)的降塵率。3下105 工作面煤層注水前后各工序的粉塵濃度數(shù)據(jù)見表2 所示。

由表2 可以看出，在應(yīng)用了優(yōu)化過(guò)的注水工藝后，3下105 工作面現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度有了較為明顯的減少，采用設(shè)計(jì)的煤層注水措施后，工作面現(xiàn)場(chǎng)的全塵平均降塵率為65.9%，呼塵的平均降塵率為60.6%，較大程度地降低了工作面的粉塵濃度，注水工作取得了較好的防塵效果，可見，煤層注水對(duì)降塵有著積極的促進(jìn)作用。

表2 3下105 工作面各主要生產(chǎn)工序粉塵濃度記錄Table 2 Dust concentration record in main production process in 3 lower 105 working face

5 結(jié) 論

(1) 基于構(gòu)建的煤層注水滲流過(guò)程數(shù)學(xué)模型，對(duì)注水煤層進(jìn)行了滲流壓力場(chǎng)的數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以鉆孔為中心注水壓力不斷向外遞減，注水孔附近的壓力分布呈橢圓狀向周圍擴(kuò)展，并且在一定注水壓力下，隨著注水壓力的增大，滲流壓力場(chǎng)的影響范圍也隨之?dāng)U大。

(2) 傳統(tǒng)注水方式是將注水壓力設(shè)定在某一定值進(jìn)行煤層注水，對(duì)此，提出了在動(dòng)壓區(qū)采用靜壓注水、靜壓區(qū)采用動(dòng)壓注水的混合式注水方式，結(jié)合COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬結(jié)果以及3下105 綜放工作面煤層賦存特點(diǎn)，確定煤層鉆孔長(zhǎng)度80 m，鉆孔間距15 m，注水高壓取20 MPa，注水低壓取3 MPa。

(3)3下105 工作面通過(guò)采用混合式煤層注水方式后，工作面現(xiàn)場(chǎng)的全塵平均降塵率為65.96%，呼塵平均降塵率為60.60%，較大程度地降低了工作面的粉塵濃度。

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