低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

摘要：针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题，利用数值模拟软件RFPA^2D-Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后，瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律。研究结果表明，预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高，煤层透气性显著增加，但当裂隙圈之间不相交时，瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移，因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯。现场试验证实，低透气性煤层预裂后，有效导通裂隙增加，布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果，从而降低煤与瓦斯突出危险性。

关键词：高瓦斯煤层；深孔爆破；预裂圈；瓦斯运移

中图分类号：TD713.1

文献标识码：A

文章编号：1672－1098(2009)04－0017－05

煤炭是我国的主要能源，2007年全国煤炭产量25.5亿吨，95％以上为井下开采，其中国有重点煤矿产煤12.4亿吨，占49％。2008年全国煤炭产量为2z.16亿吨，同比增长7.63％。三类煤矿产量累计增速均下降，其中乡镇煤矿降幅较大，国有重点煤矿相对稳定。国有重点煤矿大部分是高瓦斯矿井，长期以来技术问题没有解决，瓦斯事故多发、生产效率低下，安全高效开采难以实现。

煤矿采掘过程中，瓦斯带来的灾害主要有两种，即瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出。为了防治瓦斯灾害的发生，人们一直进行着不懈的努力，主要从两方面着手研究，一是研究导致瓦斯灾害发生原因、机理，寻求瓦斯灾害发生的规律；二是研究防治瓦斯灾害发生技术方法、措施和装备，保障煤矿安全生产。关于防治瓦斯爆炸灾害，近年来从防治理论研究、防治措施、技术装备和监控体系等日趋成熟。在煤与瓦斯突出灾害防治理方面，地应力、瓦斯压力及煤的力学性质等综合因素作用学说普遍被认可。但是，由于煤与瓦斯突出灾害发生过程复杂，影响因素较多，关于煤与瓦斯突出发生的机理、规律和动态过程的表征，至今尚无可靠的、完整的理论体系，防治煤瓦斯突出的预测预报、监控体系和防治措施与方法技还存在一些不足。

低透气性煤层(λ＜0.1m²／(MPa²·d))的瓦斯由于难以抽采，原始煤体内的瓦斯含量和瓦斯压力难以降低，在采掘生产过程中经常发生瓦斯积聚和煤与瓦斯突出灾害事故，为解决这一难题，国内外进行大量的研究工作。强化增透方面：一是利用液体介质对煤体作用效果与流体机械相配合，处理煤体的措施，如水力冲孔技术，水力割缝技术，水力压裂技术；再是利用炸药爆炸对煤体的破碎和子弹对煤层造孔作用，增加煤层透气性，如深孔松动爆破，煤层射孔技术。保护层卸压增透方面：如上保护层，下保护层，掏心式保护层等。上述各项技术在煤矿中的应用，对防治瓦斯灾害的发生起到了一定的作用。本文将介绍采用深孔爆破预裂煤层后，预裂圈内瓦斯运移规律的数值模拟及现场试验结果。

2　深孔爆破裂隙瓦斯运移数值模拟

2.1预裂作用

原始煤体在炸药爆炸能量的作用下，炮眼周围煤体破裂与松动形成卸压圈，多个裂隙卸压圈的交合形成煤层预裂卸压带，致使煤体原始集中应力带及高压瓦斯带向煤体深部转移，卸压松动区域煤体的应力趋于一个新的平衡状态，由煤层因软硬不均及地质构造引起的应力集中得以消除，降低煤体瓦斯压力梯度和应力梯度，有利于防止煤与瓦斯突出的发生和发展，为工作面掘进创造了较长的安全区和防护区。由于深孔预裂爆破使工作面前方煤体裂隙增大，即煤体透气性大大增加，有利于煤层内吸附瓦斯向游离瓦斯的转变和工作面前方煤体瓦斯排放，使煤体瓦斯压力降低，瓦斯含量减少，从而降低煤体瓦斯压缩内能，同时提高了煤体的机械强度，达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险。

爆破对煤层的预裂作用效果与炸药的爆炸释放能量、煤层的力学特性和爆破孔与控制孔的布局结构密切相关。当有两个爆破孔和一个控制孔时，爆破煤层致裂过程如图1所示。在裂纹扩展阶段初期爆破孔之间的相互影响是非常小的，裂纹生长均在各自爆生气体的控制范围之内。在应力波、爆生气体产生准静态应力场和媒体中的瓦斯压力的共同作用，两爆破孔3850μs时完全沟通，加速了两孔间煤体的破碎，形成大量径向交叉裂隙网；对于有两个爆破孔和一个控制孔存在时，由于控制孔为爆破提供了辅助自由面，增加煤体裂隙的产生速度，并于3800μs时三孔之间完全贯通，裂隙发育完全，产生的裂纹、裂隙呈网状相互交织。并且发现当有控制孔存在时，两爆破孔的裂纹密度明显大于没有控制孔时的裂纹密度。由于爆破裂纹、裂隙的生成，增加了高瓦斯低透气性煤层的透气性，为瓦斯的运移提供了充足的通道，增加了煤层的瓦斯抽采效果，为瓦斯的防治提供了技术保障。

低速高威力炸药有利于煤层预裂，脆硬型煤体较软煤体有利于裂隙的形成，使用同样的爆破器材，脆硬型煤产生的裂隙松动圈大于软煤层，越靠近爆破孔，增透效果越显著，淮南矿区硬度，f＝0.3～0.5煤层，爆破增透影响半径3～4.m。为提高孔钻孔和裂隙的利用率，待深孔爆破完成以后，所有爆破孔中的炮泥用高压水冲出，用当作抽放孔抽采瓦斯。

2.2数值模拟

采用大连力软公司的数值模拟软件RFPA^2D－Flow进行建模(见图2)。模型采用二维平面应变分析，尺寸是5m×5m，划分为200×200个网格，计算共分为30步，每步计算表示0.5天，爆破孔(爆后当作抽采孔)抽放负压为13kPa。因只研究抽放作用下瓦斯流场和瓦斯压力演化情况，不考虑煤体内质点单元的位移变化，故X方向与y方向为固定约束(位移约束)。具体煤体和裂隙的力学和渗流参数如表1所示。

2.3数值模拟结果及分析

将抽放作用下的裂隙内瓦斯运移情况进行数值模拟可了解孔隙压力(见图3)和瓦斯的流场(见图4)。

从图3可以看出，随着抽采时间的推移，第28计算步(第14天)抽放孔周围2.5m处(坐标(200，100))的质点单元孔隙压力由原来的2.7791MPa降低为0.1691MPa，瓦斯流速由初始阶段的16.57m／s降低为0.79m／s。

由图4可以看出，随着时间推移，抽采孔附近裂隙内的瓦斯被抽出，如果没有新生游离瓦斯继续补充便会枯竭。若煤体透气性很低，裂隙不发育，吸附状态的瓦斯很难运移进入裂隙通道，演变为游离状态，也就很难被抽出。可见，瓦斯抽采的关键是，增加煤体的裂隙发育程度，增加长期有效的裂隙通道，使吸附瓦斯尽可能多地转变为游离瓦斯，进入与抽放钻孔导通的裂隙通道。

3　现场试验

3.1试验区概况

皖北某矿为新建矿井，该矿地质条件复杂，且岩浆岩普遍发育，主要以顺层侵入的方式侵入煤层，对煤层的破坏作用较大。建井期间，南翼回风巷揭开8煤层时，发生了炮后煤与瓦斯突出动力灾害，突出煤岩量92t，其中煤量68t，抛出距离4.2m，

突出瓦斯6000m³。

试验区103工作面位于南一采区，为该矿首采工作面形开采10号煤层。工作面起止标高－530～－360m，工作面宽150m，长1050m。工作面位于岩浆岩侵入边界，区间有几条压性与压扭性断层，煤厚1.81m～3.05m，平均2.52m，瓦斯压力为3.1MPa瓦斯含量平均为9.9m³／t，煤层透气性系数小于0.1m³／(MPa²·d)，属于难以抽放煤层。

3.2布孔方式

在掘进工作面迎头布置5个钻孔，其中爆破孔3个，控制孔2个，孔深70m，孔径91mm，爆破孔与控制孔布置在同一水平(见图5)。同时在高抽巷向下布置扇形抽采瓦斯钻孔，抽采风巷待掘煤层内瓦斯，以掩护风巷掘进施工。在风巷两帮交错施工巷帮钻场，每个钻场布置3个瓦斯抽采钻孔。爆破后要求将爆破孔中炮泥冲出，当作抽放孔合茬抽放。

3.3爆破效果分析

2007年4月17日夜班3:02分在103风巷进行了深孔预裂爆破。原设计4#、6#、8#孔为爆破孔，考虑到装药和现场施工工程中，8#孔穿煤深度只有60m，故用7#孔代替8#孔进行装药爆破。

同时增加了对巷帮顺层钻孔(共施工顺层钻孔10个，选择了其中1个孔)进行深孔预裂爆破。本次深孔预裂爆破共装药234m，平均爆破孔装药孔深为58.5m，爆破孔封孔深度12m，控制孔封孔深度3.5m(见表2)。

根据爆破前后瓦斯抽采效果的考查，本次深孔预裂爆破后5天瓦斯抽放量共增加1.44万m³。103风巷深孔预裂爆破前，正常进尺(综掘机)瓦斯浓度平均为0.52％，深孔预裂爆破后正常进尺时瓦斯浓度平均为0.24％。同时爆破时，掘进工作面瓦斯浓度基本无大的变化。

经煤与瓦斯突出效果检验，突出危险性值指标明显降低。103风巷实施深孔预裂爆破前，该巷道未采取措施，效果检验K1值平均为0.43；实施深孔预裂爆破措施后，该巷道经采取措施效果检验K1值平均为0.3。由于实施了深孔预裂爆破增透技术和高抽巷和巷旁钻孔边抽边掘综合防突技术，促使煤层吸附瓦斯向游离瓦斯的快速转化，煤层瓦斯含量降低，提高了煤体的强度，瓦斯放散初速度大幅降低，使煤与瓦斯突出综合指标值K1、K处于正常值范围以内，有效地预防和消除了掘进工作面煤与瓦斯突出危险的可能性。

巷道掘进进尺大大提高。103风巷实施深孔预裂爆破前，每天最大进尺为5m，实施深孔预裂爆破后平均每天进尺超过6.5m，平均每天增加进尺1.5m。

4　结论

(1)在煤的瓦斯含量中，一般吸附瓦斯80％～90％。为使煤体中的吸附瓦斯通过渗透运移进入导通裂隙，成为可以抽采的游离瓦斯，必须保证有效的瓦斯运移空间和时间。因此，爆破增透技术的关键在于增加煤体的弹性裂隙，降低裂隙塑性，为吸附瓦斯在瓦斯压力梯度下进入导通裂隙演变为可以高效抽采的游离瓦斯提供宝贵的时间和空间。

(2)煤和岩石的透气性能的本质区别在于其孔隙率和裂隙发育程度。有效裂隙少、透气性低的煤层内的瓦斯同样不能被有效抽采。因此，通过深孔爆破增加煤体裂隙，提高其透气性，可以保证瓦斯的有效抽采，同时降低瓦斯压力、瓦斯含量，均匀集中应力场分布，降低煤与瓦斯突出危险性。

(3)深孔预裂控制爆破下一步研究的方向是增加有效导通裂隙，增长弹性裂隙保持时间，避免爆破新生裂隙因塑性变形而闭合，从而延长有效抽放时间，增加瓦斯抽放率。

(责任编辑：何学华，吴晓红)