, 许开立1, 雷云2,31. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 西南石油大学 地球科学与技术学院, 四川 成都 610500;
3. 煤科集团 沈阳研究院有限公司, 辽宁 沈阳 110016
收稿日期：2016-05-18
基金项目：国家科技重大专项资助项目(2016ZX05067);辽宁省自然科学基金资助项目(2013020137)。
作者简介：张伟(1985-), 女, 河北沧州人, 东北大学博士研究生;
许开立(1965-), 男, 山东郓城人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：针对在研究本煤层瓦斯涌出规律时, 没有准确方法确定煤层巷道预排瓦斯带宽度的问题, 基于瓦斯渗流和煤岩变形理论, 建立含瓦斯煤岩体瓦斯渗流方程和煤岩巷道变形场方程, 确立了煤层巷道预排瓦斯带流固耦合数学模型, 以沁水煤田综掘煤层巷道作为实例进行数值模拟计算, 研究得出含瓦斯煤岩巷道损伤的时空演化规律.提出基于示踪原理的实测煤层巷道预排瓦斯带宽度的方法, 实测考察与数值计算结果具有一致性.研究提出的方法能够解决煤矿工作面瓦斯涌出量预测精度问题.
关键词：煤层巷道瓦斯预测预排瓦斯流固耦合示踪气体
Numerical Simulation of the Flow Solid Coupling Effect in the Seam Roadway Pre-exhaust Gas Zone
ZHANG Wei1
, XU Kai-li1, LEI Yun2,31. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
3. Shenyang Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group Co., Shenyang 110016, China
Corresponding author: ZHANG Wei, E-mail: zhangwei_neu@163.com
Abstract: The gas emission law during excavation in coal mining is the fundamentals of prevention and control of gas disasters. For the gas emission law in the study, there is no accurate method to determine the problem of pre-exhaust gas zone width of seam roadway. Based on the theory of gas flow and coal and rock deformation, the gas flow equation of gas-containing coal and rock and the coal and rock roadway deformation equation were established, the flow solid coupling mathematical model of the seam roadway pre-exhaust gas zone was established as well. The Qinshui mining area excavated roadway was taken as an example of numerical simulation to obtain the characteristics of temporal and spatial evolution of gas-containing coal and rock roadway damage. Based on the tracing principle, the method of measuring the pre-exhaust gas zone width of the seam roadway was proposed, and the measured results were consistent with that of the numerical calculation. The research results help to solve the problem of prediction accuracy of gas emission in coal working face.
Key Words: seam roadwaygas predictionpre-exhaust gasflow solid couplingtracer gas
随着中国浅埋煤炭资源开采殆尽, 井工煤矿逐渐进入煤层埋藏深部区域, 深部矿井在开采过程中将面临更大的瓦斯防治压力[1-3].煤矿回采工作面瓦斯防治技术包括瓦斯涌出量预测和瓦斯抽采两个方面, 而瓦斯涌出量预测是瓦斯抽采的基础, 只有准确判断瓦斯来源才能准确实施瓦斯抽采工艺[4-7].煤矿回采工作面在生产过程中主要瓦斯来源有:本煤层、邻近层和围岩, 其中本煤层瓦斯是影响采掘过程中的主要来源[8-9].中国煤矿采用国家规范《煤矿瓦斯涌出量预测规范》(AQ1018－2006)进行瓦斯涌出量预测, 在本煤层瓦斯涌出量预测过程中, 基础参数包括煤体原始瓦斯含量、瓦斯残存量、煤层厚度、开采厚度、工作面长度和巷道宽度，均可以采用现有仪器设备测定, 但其中煤层巷道预排瓦斯带宽度值无法实际测定, 规范只给出不同煤质情况下的区间估计值.众所周知, 中国煤矿分布范围广泛, 煤炭成煤和赋存条件差异性非常大, 由于没有方法直接测定煤层巷道预排瓦斯带宽度值, 按照规范取估计值将导致采掘过程中本煤层瓦斯涌出量预测值误差较大.
在采掘活动作用下破坏了煤岩体原始应力和瓦斯赋存状态, Yang等[10]针对多煤层开采技术条件下, 数值模拟研究长距离抽采煤层卸压瓦斯的流固耦合规律; Gao等[11]研究高压水射流割缝技术增加煤层透气性时数值模拟煤层瓦斯流固耦合效应; 王宏图等[12]建立了急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合数学模型, 数值模拟得到上保护层工作面开采后被保护层瓦斯压力的分布规律; 魏晨慧等[13]构建了深部煤层瓦斯运移的热流固耦合模型, 开展了煤层瓦斯赋存规律的数值模拟; 徐涛等[14]引入煤体变形过程中细观单元损伤与透气性演化的耦合作用方程, 数值模拟瓦斯抽采过程中煤层透气性的演化和抽采孔周围瓦斯压力的变化规律.基于前人的研究成果, 本文以回采工作面综掘煤层巷道预排瓦斯带为研究对象, 构建煤层巷道含瓦斯煤岩损伤过程中预排瓦斯带流固耦合数学模型, 数值模拟煤层巷道预排瓦斯带时空演化规律, 并提出基于示踪原理实测煤层巷道预排瓦斯带宽度的方法.
1 含瓦斯煤岩损伤流固耦合模型1.1 煤岩瓦斯渗流场控制方程在煤巷掘进过程中, 可将煤层影响区域视为等温环境, 瓦斯在多孔介质煤体里流动符合气体质量守恒方程, 则掘进煤层瓦斯渗流连续性方程[12]:
 | (1) |
根据文献, 由式(1)可得
 | (2) |
已有研究结果表明, 瓦斯在煤体内渗流存在科林贝尔效应, 含瓦斯煤体有效渗透率k与煤体的体积应力可以表示为
 | (3) |
在煤层巷道掘进过程中, 含瓦斯煤体的瓦斯压力和采动应力的变化引起孔隙率的变化, 则存在：
 | (4) |
 | (5) |
由式(2)和式(5)耦合后得到含瓦斯煤体瓦斯渗流的控制方程:
 | (6) |
1.2 含瓦斯煤岩体变形场控制方程掘进过程中煤岩巷道在地应力和施工诱发应力作用下处于塑性变形状态, 甚至有时超出峰值强度, 则含瓦斯煤岩体变形场控制方程采用弹塑性方程.
本构方程:
 | (7) |
动载平衡方程:
 | (8) |
几何方程:
 | (9) |
在煤岩巷道掘进条件下, 由本构方程、动载平衡方程和几何方程得到含瓦斯煤岩巷道应力场方程:
 | (10) |
2 数值模拟实例2.1 实验工作面概况及模型构建选取山西省沁水煤田东部某煤层作为研究对象, 该区域内的研究煤层位于石炭系上统太原组, 煤质为无烟煤, 煤层厚度为7.2 m且无矸石夹层, 煤层顶板主要为泥岩, 底板主要为砂质泥岩.回采工作面煤层倾角为6°, 属于近水平煤层, 回采区域煤层赋存稳定, 无断层和陷落柱影响.实验工作面顺槽煤层巷道沿底板掘进, 巷道宽度为5 m, 高度为3.7 m.研究煤层巷道布置区域平均埋藏深度为420 m, 则上覆岩体载荷约为10 mPa.模型长度为25 m, 高度为7.2 m, 底部为固定边界, 左右两侧为竖直自由边界.含瓦斯煤层巷道几何模型见图 1所示, 网格划分见图 2所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 含瓦斯煤层巷道几何模型Fig.1 Geometry model of gas-containing seam roadway |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 含瓦斯煤层巷道网格划分图Fig.2 Mesh graph of gas-containing seam roadway |
2.2 模型的初始条件和边界条件1) 模型初始条件.
煤层瓦斯渗流场初始条件:
 | (11) |
煤岩应力场初始条件:
 | (12) |
煤层瓦斯渗流场边界条件:
 | (13) |
煤岩应力场边界条件:
 | (14) |
 | (15) |
3) 含瓦斯煤岩物性参数.
实验室测定目标煤层主要相关参数如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 模型的主要参数Table 1 Main parameters of model
| 表 1 模型的主要参数 Table 1 Main parameters of model |
2.3 计算结果及分析基于COMSOL Multiphysic软件中的结构力学模块和PDE模块建立含瓦斯煤岩巷道预排瓦斯带流固耦合模型, 研究综掘煤层巷道掘进过程中煤层巷道预排瓦斯带演化的时空规律, 数值计算结果见图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 煤层巷道预排瓦斯带演化时空分布图Fig.3 Graph of temporal and spatial evolution of the seam roadway pre-exhaust gas zone (a)－30 d; (b)－60 d; (c)－90 d; (d)－120 d; (e)－240 d; (f)－360 d. |
由图 3可以明显看出, 图 3a~图 3d显示煤层巷道煤壁暴露30至120 d瓦斯压力分布图, 计算结果得出煤巷预排瓦斯带逐渐由3 m演化至7.5 m左右; 图 3e显示煤层巷道煤壁持续暴露240 d时煤巷预排瓦斯带宽度为8.5 m左右; 图 3f显示煤层巷道煤壁持续暴露360 d时煤巷预排瓦斯带宽度为9 m左右.
根据上述煤层巷道预排瓦斯带流固耦合数值模拟结果, 可以得出实验煤层巷道有效预排瓦斯时间为120 d, 增加煤壁暴露时间, 煤巷预排瓦斯带宽度扩展范围趋于常数, 从而确立实验煤层极限预排瓦斯带宽度为9 m左右.
3 示踪原理实测验证煤巷瓦斯预排带宽度为了考察数值模拟计算结果的可靠性, 提出基于示踪原理的方法, 实测实验工作面煤层巷道预排瓦斯带宽度.本次测试采用在含瓦斯煤层中稳定弥散的示踪剂SF6气体, 测试实验在采区大巷内布置4个测试钻孔, 每个测试钻孔由水泥封孔段和示踪气体段组成, 钻孔沿煤层倾向布置, 每个测试钻孔的示踪气体段间距20 m, 以保证每组实验为独立研究单元, 测试实验布置见图 4所示.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 示踪气体测定煤层巷道预排瓦斯带宽度平面布置图Fig.4 Layout plan of the determination of seam roadway pre-exhaust gas zone width with trace gas |
由图 5可以看出实测煤层巷道煤壁不同暴露时间条件下, 监测示踪气体体积分数变化规律, 图 5a数据显示示踪气体段在距离煤壁3 m时, 煤壁暴露25到42 d示踪气体逐渐弥散至煤层巷道; 图 5b数据显示示踪气体段在距离煤壁5 m时, 煤壁暴露58至78 d示踪气体逐渐弥散至煤层巷道; 图 5c数据显示示踪气体段在距离煤壁7m时, 煤壁暴露110至132 d示踪气体逐渐弥散至煤层巷道; 图 5d数据显示示踪气体段在距离煤壁9 m时, 煤壁暴露340至360 d示踪气体逐渐弥散至煤层巷道.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 煤层巷道煤壁不同暴露时间与示踪气体SF6体积分数关系图Fig.5 Relationship diagram of different exposure time of seam roadway coal wall with volume fraction of trace gas SF6 (a)－距离煤壁3 m的实验孔1；(b)－距离煤壁5 m的实验孔2; (c)－距离煤壁7 m的实验孔3；(d)－距离煤壁9 m的实验孔4. |
对比数值计算与实测煤层巷道预排瓦斯带宽度结果, 两种方法确定的煤层巷道预排瓦斯带宽度基本一致, 该实验煤层巷道有效预排瓦斯带宽度为7 m左右, 时间为120~135 d左右, 煤层巷道极限预排瓦斯带宽度为9 m左右.
4 结论1) 通过建立含瓦斯煤岩体瓦斯渗流方程和煤岩巷道变形场方程, 确立了煤层巷道预排瓦斯带流固耦合数学模型, 以沁水煤田某矿综掘煤层巷道作为实例进行数值计算, 并基于示踪原理实测考察验证, 确定该数学模型具有较高的可靠度.
2) 数值计算方法和示踪气体实测煤层巷道有效预排瓦斯带宽度为7 m左右, 极限预排瓦斯带宽度为9 m左右.
3) 煤矿生产实践过程中, 可以采用本文提出的煤层巷道预排瓦斯带流固耦合数学模型和示踪气体实测预排瓦斯带宽度的方法, 能够提高煤矿工作面瓦斯涌出量预测的精确度.
参考文献
| [1] | Lei Y, Liu J, Zhang S N, et al. Contrast test of different permeability improvement technologies for gas-rich low-permeability coal seams[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016, 33(7): 1282–1290. |
| [2] | Liu J J, Song R, Cui M. Improvement of predictions of petrophysical transport behavior using three-dimensional finite volume element model with micro-CT images[J].Journal of Hydrodynamics, 2015, 27(2): 234–241.DOI:10.1016/S1001-6058(15)60477-2 |
| [3] | Liu J J, Song R. Investigation of water and CO2 flooding using pore-scale reconstructed model based on micro-CT images of Berea sandstone core[J].Progress in Computational Fluid Dynamics, 2015, 15(5): 317–326.DOI:10.1504/PCFD.2015.072013 |
| [4] | Huang B X, Wang Y Z, Cao S G. Cavability control by hydraulic fracturing for top coal caving in hard thick coal seams[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2015, 74(2): 45–57. |
| [5] | Zhu W C, Wei C H, Li S, et al. Numerical modeling on destress blasting in coal seam for enhancing gas drainage[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2013, 59(4): 179–190. |
| [6] | Yu L, Liu J J. Stability of interbed for salt cavern gas storage in solution mining considering cusp displacement catastrophe theory[J].Petroleum, 2015, 1(3): 82–90. |
| [7] | Shahtalebia A, Khana C, Dmyterkob A, et al. Investigation of thermal stimulation of coal seam gas fields for accelerated gas recovery[J].Fuel, 2016, 180(9): 301–313. |
| [8] | Lin H F, Huang M, Li S G, et al. Numerical simulation of influence of Langmuir adsorption constant on gas drainage radius of drilling in coal seam[J].International Journal of Mining Science and Technology, 2016, 26(5): 377–382. |
| [9] | Gao Y B, Lin B Q, Yang W, et al. Drilling large diameter cross-measure boreholes to improve gas drainage in highly gassy soft coal seams[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, 26(9): 193–204. |
| [10] | Yang T H, Xu T, Liu H Y, et al. Stress-damage-flow coupling model and its application to pressure relief coal bed methane in deep coal seam[J].International Journal of Coal Geology, 2011, 86(4): 357–366.DOI:10.1016/j.coal.2011.04.002 |
| [11] | Gao F, Xue Y, Gao Y, et al. Fully coupled thermo-hydro-mechanical model for extraction of coal seam gas with slotted boreholes[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016, 33(4): 226–235. |
| [12] | 王宏图, 黄光利, 袁志刚, 等. 急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合模型及保护范围[J].岩土力学, 2014, 35(5): 1377–1382. ( Wang Hong-tu, Huang Guang-li, Yuan Zhi-gang, et al. Model of gas leak flow coupled solid and gas for exploiting of steep-inclined upper-protective layer and its protection scope[J].Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(5): 1377–1382.) |
| [13] | 魏晨慧, 朱万成, 白羽, 等. 变温条件下深部煤层瓦斯分布规律的数值模拟[J].东北大学学报(自然科学版), 2015, 36(7): 1033–1036. ( Wei Chen-hui, Zhu Wan-cheng, Bai Yu, et al. Numerical Simulation on Methane Distribution Legularity in Deep Coal Seam Under Variable Temperatures[J].Journal of Northeastern University(Natural Science), 2015, 36(7): 1033–1036.) |
| [14] | 徐涛, 杨天鸿, 唐春安, 等. 含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合数值模拟[J].东北大学学报(自然科学版), 2006, 26(3): 293–296. ( Xu Tao, Yang Tian-hong, Tang Chun-an, et al. Numerical Simulation on Coupled Solid-Gas Flow in Failure Process of Gaseous Coal and Rock[J].Journal of Northeastern University(Natural Science), 2006, 26(3): 293–296.) |
