水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机理研究

　第37卷第3期煤　　炭　　学　　报Vol.37　No.3　　2012年3月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMar.　2012　　　文章编号:0253-9993(2012)03-0467-05水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机理研究王新新,石必明,穆朝民(安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南　232001)摘　要:为了探究水力冲孔之后煤层中瓦斯的分布规律,基于潘三矿13-1煤层的赋存条件,介绍了水力冲孔后瓦斯压力考察的现场试验。并结合RFPA2D-Flow软件模拟水力冲孔后煤层裂隙发育的过程,研究了水力冲孔对煤层地应力和瓦斯压力分布的影响。结果表明:水力冲孔卸压增透就是在冲孔孔洞周围煤体重新构建不稳定平衡状态的过程;水力冲孔之后会在孔洞周围由近及远依次形成瓦斯充分排放区、瓦斯排放区、瓦斯压力过渡区和原始瓦斯压力区;在冲孔的卸压增透区域会经历应力升高、裂隙发育、应力快速释放和恢复平衡的过程。关键词:水力冲孔;瓦斯分区排放;卸压增透;瓦斯抽采中图分类号:TD713．34　　　文献标志码:A收稿日期:2011-04-02　　责任编辑:毕永华　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(50874005)　　作者简介:王新新(1987—),男,安徽肥西人,硕士研究生。E-mail:[e-mail]nismofgasemissionpartitioninhydraulicflushingcoalseamWANGXin-xin,SHIBi-ming,MUChao-min(CollegeofEnergyandSafety,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan　232001,China)Abstract:Inordertosearchforthegasdistributioninthecoalseamafterhydraulicflushing,introducedahydraulicflushingfieldtestontheinvestigationofgaspressurebasedonPansanNo．13-1coalseamoccurrencecondition.Byu-singRFPA2D-Flowsoftwaretosimulatetheprocessofcoalfracturewithhydraulicflushing,studiedtheeffectsofhy-draulicflushinginseamstressandgaspressuredistribution.Theresultsindicatthathydraulicflushingpressure-reliefandpermeabilityisaprocessofthecoalaroundpunchingholesandrebuilditsunstableequilibrium.Aroundtheholesfromnearandfarwouldformfourregions:gasfullemissionregion,gasemissionregion,gaspressuretransitionregionandnaturalgasregion.Thecoalinthepressure-reliefandpermeabilityregioncouldexperiencetheprocessesofstressincrease,fracturedevelopment,stressquickreleaseandrecoveryequilibrium.Keywords:hydraulicflushing;gasregionalemissions;pressure-reliefandpermeability;gasextraction　　目前,水力冲孔卸压增透技术已经得到了较为广泛的应用,并取得了明显的区域性的消突效果[1-6]。水力冲孔对煤层卸压增透的作用主用体现在以下几个方面。首先,水力冲孔利用高压水射流冲出大量煤与瓦斯,释放煤体的突出潜能和瓦斯的内能。其次,冲孔过程中,高压水进入并湿润煤体,增加了煤的流变性,降低了煤体内部的应力集中,进一步消除其突出危险性。再次,高压水进入煤体裂隙,促进煤层裂隙的扩张和发育,增加了煤层的透气性,使得水力冲孔的瓦斯抽采半径要比一般的钻孔大得多,从而增加了瓦斯抽采量,增大了煤层中卸压增透的范围。在水力冲孔卸压增透技术中,瓦斯抽采是达到卸压增透的一个重要环节。由于水力冲孔过程中排除了大量的煤与瓦斯,煤体发生了强烈的变形和移动,造成钻孔附近的应力重新分布,进而使得水力冲孔之后煤层中的瓦斯流动和瓦斯压力的分布与一般钻孔相比具有较大的区别。因此,深入研究水力冲孔之后煤层中瓦斯的分布规律具有十分重要的意义。煤　　炭　　学　　报2012年第37卷本文将水力冲孔现场试验和数值模拟结合起来,探究水力冲孔之后煤层中瓦斯的分布规律及其形成机理,为进一步研究水力冲孔瓦斯抽采和卸压增透的机理提供参考。1　水力冲孔的现场试验在淮南矿区的潘三矿对13-1煤层进行水力冲孔现场试验。经过现场试验和实验室测试,13-1煤层瓦斯吸附常数和煤样的工业分析值见表1。据此计算13-1煤层的瓦斯压力为2．6MPa,瓦斯含量为9．35m3/t。2010-10-25在71-5号钻孔进行水力冲孔影响半径的考察试验,钻孔布置如图1所示。其中5号钻孔是水力冲孔钻孔,70-1号、71-1号、71-4号和71-6号均为考察孔。71-5号钻孔的方位角92°,倾角47°,孔深49．5m,钻孔孔径113mm。表1　13-1煤工业分析及瓦斯吸附常数Table1　13-1coalindustryanalysisandgasadsorptionconstant水分Mad/%灰分Aad/%挥发分Vdaf/%真密度TRD/(t·m-3)视密度ARD/(t·m-3)孔隙率F/%吸附常数a/(m3·t-1)吸附常数b/MPa-11．1714．7435．141．421．31719．29970．765图1　水力冲孔影响半径考察试验钻孔布置Fig．1　Drillinglayoutofexperimentalinvestigationonhydraulicflushinginfluenceradius　　试验地点为潘三矿东四运输巷(-650m),冲孔钻孔编号为71组5号孔,孔径113mm。进行水力冲孔前后耗时约65min,冲孔深度约为4m,冲出煤量约为3t。冲孔过程中多次发生猛烈的瓦斯喷孔现象,水力冲孔诱突作用明显。水力冲孔结束后,立即进行合茬抽采。通过在线监测,得到压力表连续37d的观测数据,对数据的处理结果如图2所示。图2　考察孔瓦斯抽采压力对比Fig．2　Comparisongasextractionpressureofinvestigationholes由图2可知,71-4号考察孔瓦斯压力迅速下降,在不到3d的时间里瓦斯压力迅速地从4．7MPa下降至1．0MPa以下。这说明此处钻孔附近的煤体受水力冲孔的影响较大,煤体裂隙快速发育。该处煤体的裂隙可能发育至抽采钻孔即5号钻孔附近,从而导致瓦斯压力急剧下降。71-4号考察孔距71-5号冲孔钻孔4．5m,可以认为此处煤体处于瓦斯充分排放区[7]。71-6号和70-1号考察孔的瓦斯压力随时间的变化如图2所示。从起初的波动性升高,到抽采15d左右瓦斯压力开始波动下降,进而到抽采25d左右瓦斯压力逐渐趋于一致,两者瓦斯压力的变化趋势比较接近。71-6号和70-1号考察孔距71-5号冲孔钻孔地距离分别为4．5m和8．5m。据此,可以认为71-6号和70-1号考察孔附近的煤体处于瓦斯排放区。从图2可以看出,71-1号考察孔的瓦斯压力呈现出较为明显的先升后降的趋势。虽然在后期瓦斯压力相较于原始瓦斯压力有了显著的降低,但是仍然明显高于其他考察孔的瓦斯压力。71-1号考察孔距71-5号冲孔钻孔9．5m,可以认为此处煤体处于瓦斯压力过渡区。综合上述分析可知,在水力冲孔37d之后,冲孔钻孔周围由近及远依次可以划分为瓦斯充分排放区、瓦斯排放区、瓦斯压力过渡区和原始瓦斯压力区。区域划分大致如下:距冲孔钻孔4．5m以内的区域为瓦斯充分排放区;4．5~8．5m为瓦斯排放区;8．5~9．5m是瓦斯压力过渡区;再往外是原始瓦斯压力区。瓦斯区域示意如图3所示。通过对70-1、71-1、71-4和71-6号考察孔瓦斯压力变化趋势的分析中可以得出如下的结论。首先,位于水力冲孔钻孔附近的煤体由于收到水力冲孔的直接影响,处于瓦斯充分排放区。煤层裂隙充分发育,绝大部分瓦斯在冲孔过程中就被排出,剩余的瓦斯也在冲孔结束后被迅速排除,瓦斯压力下降864第3期王新新等:水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机理研究图3　瓦斯区域示意Fig．3　GasregionsschematicdiagramⅠ—瓦斯充分排放区;Ⅱ—瓦斯排放区;Ⅲ—瓦斯压力过渡区;Ⅳ—原始瓦斯压力区很快。其次,位于瓦斯排放区和瓦斯压力过渡区的煤体,由于受到水力冲孔的影响,瓦斯压力都呈现出先升后降的趋势,但是各自的程度会有所不同。再次,虽然各个考察孔距水力冲孔的距离不同,但是瓦斯压力的变化趋势却大体上一致,在25d左右瓦斯压力都发生了明显的下降,而后瓦斯压力趋于稳定。这说明在水力冲孔之后煤层原有的应力和瓦斯压力的不稳定平衡状态被打破,煤层裂隙发育,透气性增加,瓦斯压力逐渐降低,25d之后煤层处于新的不稳定平衡状态。在煤-瓦斯体系中,瓦斯以游离状态和吸附状态存在于煤的孔隙和裂隙中,由于游离瓦斯而显示出瓦斯压力。当煤层埋藏在一定深度时,孔隙、裂隙及其中的瓦斯因承受地应力的作用,孔隙、裂隙中的瓦斯因而具有压力[7]。因而可以认为,考察孔中瓦斯压力的变化主要是受到地应力和煤层透气性变化的影响。为了进一步分析水力冲孔对煤层瓦斯压力变化影响的机理,本文将通过数值计算来模拟水力冲孔之后煤体的变化过程。2　数值模拟本文运用RFPA2D-Flow瓦斯版[8](瓦斯煤岩破裂过程分析系统)模拟水力冲孔之后含瓦斯煤岩的破裂过程。其基本思想是:通过考虑细观单元力学参数的非均质性,模拟煤岩宏观变形、破坏的非线性行为;通过考虑材料破坏后单元弱化描述基元的损伤,模拟材料的非连续和不可逆行为[9-10]。2．1　本构关系当单元的应力状态或者应变状态将满足某个给定的损伤阈值时,单元开始损伤,损伤单元的弹性模量为[11]E=(1-D)E0(1)式中,E为损伤单元的弹性模量,MPa;E0为无损伤单元的弹性模量,MPa;(1-D)为有效承受内力的相对面积。以单轴压缩和拉伸本构关系为例,介绍基元的透气系数-损伤耦合方程。当单元的剪应力达到Mohr-Coulomb损伤阈值时,F=σ1-σ31+sinφ1-sinφ≥fc(2)式中,φ为内摩擦角;fc为单轴抗压强度。当剪应力达到Mohr-Coulomb损伤阈值时,单元的损伤变量D可表示为D=0　　(εεc0)1-fcr/(E0ε)　　(ε≥εc0){(3)式中,fcr为单轴抗压残余强度,MPa;εc0为最大压应变,MPa;E0为初始弹性模量,MPa。单轴拉伸下的岩石细观单元的透气性系数-损伤关系方程服从类似的规律,如图4所示。当单元达到抗拉强度ft损伤阈值时σ3≤-ft(4)图4　单轴拉伸和压缩下细观单元本构模型Fig．4　Microscopicelementconstitutivemodelofuniaxialtensileandcompression　　当单元达到单轴抗拉强度损伤阈值时,单元的损伤变量D表示为D=0　　(εt0ε)1-ftr/(E0ε)　　(εtu≤ε≤εt0)1　　(εεtu)ìîí(5)式中,σtr为拉伸损伤残余强度,MPa;εt0为弹性极限拉应变,MPa;εtu为最大拉应变,MPa,也即当单元的拉应变达到εtu时,单元完全失去承载能力。2．2　建立计算模型水力冲孔就是利用钻头切割