[转帖]割缝排放低透气性煤层瓦斯过程的数值试验

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<strong>割缝排放低透气性煤层瓦斯过程的数值试验</strong> <hr noshade="true" size="1"/><table cellspacing="8" cellpadding="0" width="500" border="0"><tbody><tr><td class="da"><p>作者：高婕，林柏泉，茹阿鹏<br/><br/>1　引言<br/><br/> 我国煤层地质变化大，赋存状况复杂，煤与瓦斯突出极为严重，严重影响矿井的正常、安全生产。有效地抽排放煤层中的瓦斯是矿井区域防治煤与瓦斯突出的最有力措施之一，通过瓦斯抽放可降低煤层瓦斯的含量和压力，使煤层透气性增大，煤岩应力降低，从而消除煤与瓦斯突出隐患。目前我国煤矿一般采用单一钻孔预抽放煤中的瓦斯，这受到煤岩坚固性、煤体密实程度等条件的限制，抽放效果较不理想。一般情况下，低透气性高瓦斯煤层的内部的孔隙和裂隙都很少，而现有的密集钻孔抽放，交叉钻孔扩孔，水压致裂等方法的抽放效果均不太理想，而且有周期长或工艺要求高的问题存在，影响矿井采掘间的正常接续。所以寻找一些有效地提高瓦斯预排放效率的方法，就显得非常重要。<br/><br/> 割缝排放煤层内瓦斯是对低透气性煤层进行瓦斯排放的一种新思路，现场测试和实验室研究是验证其有效性的最有利方式，但是由于受到各种因素的影响，含瓦斯煤岩的破坏性试验受到一定的限制，而应用数学和力学等研究方法，对煤岩体的破坏过程中的瓦斯渗流情况及应力应变关系进行解析，是现场试验的有效辅助方式和验证手段。本文即采用数值试验的方式，对割缝排放瓦斯的过程中瓦斯压力的变化规律和瓦斯渗流场的颁布规律进行模拟。<br/><br/> 数值试验采用PFPA^2D-Flow进行，该软件根据煤岩变形与瓦斯渗流的基本理论，由可压缩瓦斯气体运动方程与煤岩体变形相互耦合，建立含瓦斯煤岩破裂过程的固气耦合模型，并用弹性有限元方程进行计算。有关RFPA的详细原理可参见相关文献。<br/><br/>2　试验方案设计<br/><br/> 煤层的储气条件对于煤层瓦斯赋存及含量具有重要作用，其中，煤层的透气性又对煤层瓦斯含量及瓦斯排放有着重大的影响。本文所设的数值模型均为在煤层透气性系数为1的条件下的割缝排放瓦斯模型。<br/><br/> 为验证割缝方式排放瓦斯的有效性和适用范围，分析研究在割缝过程中煤层内的瓦斯深流场及地应力场的变化情况，在同样的力学及控制条件下设计了3组试验方案――未割缝时的瓦斯单向流动模型；在煤层中割缝3m的模型：在煤层中的割缝7.5m的模型。模型中缝体的高度均为50mm，割缝模型中的3条割缝按照中-下-上的顺序开挖，均匀布置。3m割缝模型设置的割缝方式为分步开挖，每孔一步完成；7.5m割缝模型设置的瓦斯排放割缝方式为分步开挖，每孔均分3步完成，每步长2.5m。每步时间为0.02d，共设计算步200步。<br/><br/>3　数值试验模型的建立<br/><br/> 模型（见图1）采用平面应变分析。模型尺寸为5m×15m，划分为100×300个单元。每单元实际尺寸为500mm×50mm，模型的上下边界（1m×15m）均为不透气的岩层，即上下边界气体流量为零。水平方向固定无载荷，煤层的掘进面的瓦斯气体压力为0.1MPa来模拟掘进工作面的大气压状况。远离掘进面的煤层边界瓦斯压力为1.8MPa，即处于原始的瓦斯压力状态。垂直方向的加载由岩层自重控制，模型的具体力学及控制参数表见表1。试验过程中采用修正的带拉伸截断（tensile cut-off）的摩尔-库仑准则作为破坏的判别准则。<br/><br/> <img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20051227-0501.gif" align="center" alt=""/><br/><br/> 图1　排放煤层瓦斯数值试验模型<br/><br/>4　数值试验结果<br/><br/> （1）煤层瓦斯压力的变化情况。即割缝长度不同时，在沿巷道方向同一水平上排放过程中煤层内瓦斯压力的变化情况（见图2）。煤层瓦斯的渗流情况。即割缝长度不同时，相同时间点上沿巷道方向煤层内瓦斯渗流情况（见图3）。<br/><br/> 表1　力学及控制参数表<br/><br/><a href="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/biao/20051227-0501.htm">见表</a><br/><br/> 从图2和图3中可以看出：<br/><br/> （1）当在煤层中割缝进行瓦斯排放时，随着时间的延长，煤层中的瓦斯在较高的瓦斯梯度作用下形成了瓦斯渗流场。由于现场工作时间的要求，在数值试验的4d排放时间内，瓦渗流场还未能由非稳定渗流状态达到稳定渗流状态。但已经可以看出随着时间的延长，煤层中瓦斯的压力梯度变化率不断降低，曲线逐渐走缓，流场趋于稳定的趋势。<br/><br/> （2）在瓦斯排放过程中，随割缝长度的增加，煤层受瓦斯预排放的影响范围显著增大，卸压带范围显示增大。当割缝长为3m时，当割缝完成并继续排放瓦斯0.6d时，在割缝范围内，煤层内的平均瓦斯压力已经降至0.85MPa，比初始瓦斯压力下降52.7%；当瓦斯排放时间达到4d时，割缝范围内平均瓦斯压力降至0.319MPa，与煤层内初始瓦斯压力相比，下降82.3%。当割缝长度增加为7.5m时，割缝完成并继续排放瓦斯1d后，在割缝的范围内，煤层内瓦斯压力已经平均降至的瓦斯突出临界值0.74MPa，比初始瓦斯压力下降59%。<br/><br/> 当瓦斯排放时间达到4d时，在割缝范围内的平均瓦斯压力降至0.363MPa，与煤层内初始瓦斯压力相比，下降80%，同时卸压带范围扩大为缝长3m时的205倍，突出危险显著降低。数值试验的结果反应出，在采煤工作开始之前，提前进行煤层内瓦斯的预排放，可以有效地降低煤层内瓦斯压力，使煤与瓦斯突出的可能性大幅度下降。<br/><br/> <img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20051227-0601.gif" align="center" alt=""/><br/><br/> 图2　割缝时煤层内瓦斯压力变化<br/><br/> <img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20051227-0602.gif" align="center" alt=""/><br/><br/> 图3　割缝时煤层内瓦斯渗流情况<br/><br/> （3）当在煤层中割缝进行瓦斯预排放时，裂缝在煤体中起到了保护层的作用，增大了煤体中瓦斯排放的表面积，使得煤层内的瓦斯得到了比较充分的排放。特别是当缝长为7.5m时，割缝过程扰动煤层，使一些煤体单元在瓦斯压力和地应力的作用下中产生破坏，裂隙增多，使煤层的透气性增强，增大了瓦斯的排放效率。同时，由于煤层内瓦斯压力的逐渐降低，由瓦斯作用引起的煤体单元破坏逐渐减少，在其他采动影响产生之前，煤层中的应力分布趋于稳定，没有明显的煤层垮落行为。<br/><br/>5　结论<br/><br/> 本文运用RFPA^2D-Flow对在低渗透性含瓦斯煤层中进行水力割缝预排放瓦斯的过程进行了数值试验，再现了煤瓦斯排放过程中的瓦斯压力和渗流场的分布规律，结果表明：（1）在割缝排放瓦斯的过程中，煤层内瓦斯压力梯度的分布状态得到了显著的改善，煤层内的瓦斯渗流场逐步趋于稳定，减小了突出危险。（2）增大了瓦斯排放的有效面积，使得瓦斯排放量显著增加，提高了排放效率。<br/><br/> 含瓦斯煤岩中的瓦斯排放一直是影响煤矿安全生产的国内外难题，对瓦斯进行预排放的主要目的是降低煤层中瓦斯压力，减小突出危险。通过对煤层割缝进行预排放过程进行数值试验研究证明，数值试验的结果，特别是瓦斯渗流场的分布规律，基本和现场实测情况相符合，可以认为采用割缝技术能够有效地实现煤层的卸压――排瓦斯作用，且比现用的密布钻孔排放方式能够更好的实现瓦斯预排放的目的。同时，通过数值试验，可以对含瓦斯煤岩的割缝过程中的力学性质及渗透气的演化规律进行细观上的分析和研究，为进一步理解瓦斯排放、煤与瓦斯突出机理等提供理论基础和科学依据。因此可以认为利用有限元方法对煤层割缝排放瓦斯过程进行数值试验并进行分析是一种可行的方法。但是，割缝排放煤层瓦斯是处于三相应力等复杂应力状态下的固、气、液多相介质耦合过程，而受到微机计算能力的限制，本文所讨论的数值试验是在二维条件下对含瓦斯煤层割缝过程中内部力学性质和渗透性的初步的数值模拟研究，未考虑到割缝技术对煤层性质的影响及中间应力的影响，并且所设模型受到二维数值模型本身固有缺陷的影响，也存在一定的不合理性，有待于下一步的优化和更深的研究。<br/><br/>　　资料来源：《煤矿安全2005.8》</p></td></tr></tbody></table>