0 引言
我国煤炭资源丰富，煤炭在相当长时间内依然是我国最重要的能源资源[1]。然而，我国大多数煤田地质构造复杂，断层构造多。断层破坏了煤层的连续性，是造成煤矿事故灾害多发的重要因素，尤其是煤与瓦斯突出的发生与断层构造密切相关[2-3]。正断层是煤矿生产过程中常见的一类断层构造，大量突出案例统计显示，发生在正断层上盘的突出次数与强度明显大于正断层下盘[4]。研究也表明，采动前后正断层上盘地应力集中升高，导致正断层上盘更易发生煤与瓦斯突出[5]，可见正断层上盘是煤与瓦斯突出灾害防治的重点。断层与煤层瓦斯赋存关系复杂[6]，断层的复杂性加剧了煤与瓦斯突出发生的可变性[7]，增加了矿井瓦斯突出预防的难度，从而严重威胁到煤矿安全生产。因此，防控正断层上盘的煤与瓦斯突出对煤矿安全生产十分重要。当前，高效抽采瓦斯依然是防控煤与瓦斯突出的重要措施，合理的有效抽采半径是保证抽采效果的关键[8]。
许多学者对有效抽采半径开展了研究，取得了较好的成果。鲁义等[8]利用数值模拟与现场验证的方式分析了顺层钻孔抽采半径与布孔间距的关系。余陶等[9]基于钻孔瓦斯流量和压力对穿层钻孔的有效抽采半径进行了研究。刘殿平等[10]提出了以工作面抽采达标为判据的有效抽采半径测定方法。韩承强等[11]系统地对压降法、示踪气体法、瓦斯含量法和钻孔抽采瓦斯量法进行了总结。舒才等[12]以抽采钻孔周围残余瓦斯含量为基础，提出了基于瓦斯抽采量确定有效抽采半径的数学模型。王刚等[13]确定了急倾斜煤层复杂地质条件下的钻孔有效抽采范围。目前大部分研究主要集中于钻孔有效抽采半径测定方法，缺乏对正断层特殊地质条件下的钻孔有效抽采半径研究。在现场工程应用中,为确保生产安全，正断层附近的瓦斯抽采钻孔布置一般相对密集，导致现场施工工程量大，造成人力、物力、财力的浪费。因此，亟需对正断层附近的有效抽采半径与钻孔布置进行研究与优化。
针对上述问题，本文构建了流固耦合模型，以贵州某矿采煤工作面为工程背景，采用数值模拟与钻孔抽采瓦斯量法相互验证的方式对顺层钻孔有效抽采半径进行研究；为确保正断层上、下盘工作面的安全生产且不延长抽采时间，选取正断层上盘及断层带岩性等作为正断层影响下抽采半径的研究要素，再利用数值模拟分析正断层附近钻孔有效抽采半径的变化规律，以期对类似地质条件下正断层附近瓦斯抽采钻孔的布置提供借鉴。
1 工程概况
贵州某矿为高瓦斯矿井，矿井地质构造复杂，主要以正断层为主。笔者研究的采煤工作面位于该矿第1开采水平，开采12号煤层，平均煤厚为2.8 m，12号煤层基本物性参数见表1。在运输巷与开切眼交会位置有1个倾角为50°的正断层，由于断层未延伸至采煤工作面内，对回采不造成影响。12号煤层顶底板及断层填充带大多为泥岩、砂质泥岩等软性岩石，上覆岩层与下伏岩层的物理参数见表2。12号煤层透气性系数为0.118 m2/(MPa2·d)，煤层透气性较差。
2 顺层钻孔有效抽采半径
根据《防治煤与瓦斯突出细则》等规定，本文数值模拟部分以煤层残余瓦斯压力值降到0.74 MPa以下的区域范围视为有效抽采半径的判断依据，现场试验部分以抽采钻孔影响范围内残余瓦斯压力小于0.74 MPa且预抽率大于30%为指标作为判断依据[9]。
表1 12号煤层基本物性参数
Table 1 Basic physical parameters of Na 12 coal seam
参数数值参数数值弹性模量/MPa 2 913标态下瓦斯密度/(kg·m-3)0.716泊松比0.32瓦斯动力黏度/(Pa·s)1.08×10-5初始孔隙率/%6.12Klikenberg系数/Pa0.251初始渗透率/m22.56×10-16煤体密度/(kg·m-3)1 300煤的水分0.013 7煤的灰分0.174 2煤的极限瓦斯吸附量/(m3·t-1)28.02吸附常数/MPa-10.839
表2 岩层物理参数
Table 2 Table of physical parameters of rock formation
岩性弹性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-3)泥岩3.760.262 483粉砂岩9.520.202 650粉砂质泥岩4.420.242 530细砂岩5.210.212 873
2.1 顺层钻孔数值模拟分析
煤岩体是一种含吸附瓦斯的多孔介质[3]，假设煤体各向同性且为完全线弹性材料，煤体变形属微小变形，服从Hooke定律[8]。基于多孔介质的有效应力原理[14]，含瓦斯煤体流固耦合应力场方程为
(1)
式中:G,λ为拉梅常数；ui为含瓦斯煤在i(i=1,2，3，表示含瓦斯煤微小单元体的三轴方向)方向变形位移矢量；xi为张量法中的坐标；υ为泊松比；Ky为煤体骨架压缩系数，1/MPa；p为瓦斯压力，Pa；a为单位质量煤的极限瓦斯吸附量，m3/t；ρv为煤体的密度，kg/m3；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为标准状态下绝对温度，T=273 K；Vm为煤体的总体积，m3；b为煤的吸附常数，1/MPa；φ为煤体孔隙率；Fi为体积力，N/m3。
根据孔隙率的定义，将整个抽采过程视为等温过程，同时考虑吸附瓦斯解吸和弹性应变，煤体孔隙率动态变化为[15]
(2)
式中：φ0为煤体初始孔隙率,%；εv为煤体体积应变；p0为煤体初始瓦斯压力,Pa。
根据Kozeny-Carman方程，忽略煤粒表面积增量，优化后的渗透率动态方程为
(3)
式中k0为煤体初始渗透率，m2。
将瓦斯视为理想气体，其在裂隙中的流动遵循达西定律，在微孔隙流中的迁移满足菲克定律[3]。基于质量守恒定律，考虑Klikenberg效应，瓦斯渗流场控制方程为[8]
∇
(4)
式中:t为时间,d;c为煤质校正参数，kg/m3；pn为标准大气压，Pa；μ为瓦斯动力黏度，Pa·s；h为Klikenberg系数，Pa；I为瓦斯质量源项。
式(2)和式(3)为耦合项，再由式(1)和式(4)联合构成流固耦合模型。根据该矿实际地质情况及生产条件，设置抽采参数：钻孔直径为94 mm，瓦斯初始压力为1.04 MPa，抽采负压为14 kPa。
无断层影响下顺层钻孔直径为94 mm的抽采模拟结果如图1所示。由图1(b)可知，抽采天数为10，30，60，90 d时，钻孔有效抽采半径分别为0.83，1.61，2.22，2.68 m。当抽采到120 d时，有效抽采半径为3.10 m。
2.2 现场试验
采用钻孔抽采瓦斯量法验证流固耦合模型与数值模拟结果的可靠性。在12号煤层合理位置施工顺层抽采钻孔和考查孔。钻孔施工要求：在巷道中沿煤层倾角向上每隔5 m均匀布置钻孔，每个钻孔施工完成后立即插入抽采管封孔并封堵抽采管口，钻孔封孔与该矿目前封孔工艺一致。待所有钻孔全部施工完成后再全部连接抽采管路。
根据煤层瓦斯流动理论可知，煤层钻孔瓦斯抽采纯量随时间变化为[9]
qct=qc0exp(-αt)
(5)
式中：qct为抽采时间t内平均瓦斯抽采纯量，m3/min；qc0为初始瓦斯抽采纯量,m3/min;α为钻孔瓦斯抽采量衰减系数，1/d。
图1 无断层影响下顺层钻孔直径为94 mm的抽采模拟结果
Fig.1 Extraction simulation results of bedding borehole with 94 mm diameter under the impact of no fault
从现场试验中选取可靠度较高的钻孔数据作为考查对象，钻孔瓦斯抽采纯量与抽采时间的关系如图2所示。二者相关系数r2为0.981 4，拟合度较好。
图2 12号煤层抽采孔瓦斯抽采纯量变化曲线
Fig.2 Variation curve of pure gas extraction volume with time in extraction borehole of No.12 coal seam
以抽采率作为考查指标，有效抽采半径为
(6)
式中：R为钻孔有效抽采半径，m；η为达标预抽率，%；m为煤层厚度，m；L为抽采钻孔长度，m；W为煤层原始瓦斯含量，m3/t。
当12号煤层抽采120 d时，有效抽采半径为2.93 m。数值模拟结果为3.10 m，二者相差0.17 m。现场试验结果与数值模拟结果基本一致，说明流固耦合模型具有一定的可靠性。
3 正断层附近瓦斯抽采钻孔布置优化
利用多物理场耦合仿真软件建立平面应变模型，模型尺寸为200 m×80 m(长×宽)，煤层采高为2.8 m，在上盘工作面距离正断层10 m的地方设置抽采钻孔，模型网格划分如图3所示。煤层底部边界固定，横向两边为滚筒边界[3]，煤层上部岩层载荷均匀分布于煤层，大小为地应力值；钻孔周边边界采用狄氏边界条件设定，其他设定为不透气边界。初始值：当t=0,p(t)|t=0=p0,ui=0。
图3 模型网格划分
Fig.3 Model meshing
3.1 正断层影响下钻孔有效抽采半径数值模拟
抽采钻孔距断层10 m时，钻孔周围瓦斯压力变化如图4所示。可看出随着抽采时间的增加，钻孔周围存在明显的卸压现象。不同抽采时间瓦斯压力变化规律如图5所示。在整个抽采时间内，煤层瓦斯压力出现多次驼峰曲线，峰值间隔3.5 m左右。出现该现象的原因：正断层附近的围岩大多破碎，裂隙极度发育，正断层的存在改变了煤体应力状态和瓦斯赋存状态，正断层区域形成的应力集中区和释放区导致断层构造附近的瓦斯含量与瓦斯压力出现不均匀分布。
图4 正断层附近钻孔周围瓦斯压力变化
Fig.4 Gas pressure changes around the boreholes near the fault
图5 距正断层10 m处钻孔周围瓦斯压力变化曲线
Fig.5 Gas pressure variation curve around the borehole at 10 m from the normal fault
距正断层10 m处钻孔周围渗透率变化趋势如图6所示。在抽采时间范围内，渗透率随着距抽采钻孔距离的增大，呈先增大后减小的趋势。对比图5可看出，渗透率在距抽采钻孔11 m左右时突然变小，对应的瓦斯压力在距抽采钻孔11 m处具有上升趋势，二者在变化时间和规律上具有相关性，也说明了正断层附近钻孔周围瓦斯压力呈驼峰曲线分布。
图6 距正断层10 m处钻孔周围渗透率变化趋势
Fig.6 Variation trend of permeability around the borehole at 10 m from the normal fault
3.2 正断层对抽采钻孔影响分析
为研究正断层对抽采钻孔的影响，分别在距正断层30，60，70 m处布置抽采钻孔进行数值模拟，不同钻孔位置周围瓦斯压力变化如图7所示。可看出距断层30 m处瓦斯压力依然呈现有规律的小驼峰曲线分布,而距断层60，70 m处瓦斯压力曲线并没有出现驼峰状分布,表明在60 m之外的区域，断层对瓦斯压力的影响已逐渐消失。
图7 距断层30,60,70 m处不同时刻钻孔周围的瓦斯压力变化曲线
Fig.7 Gas pressure variation curve around the borehole at 30, 60, 70 m from the fault
由图5、图7可知，距正断层10，30，60，70 m处抽采120 d时的有效抽采半径分别为1.83，2.08，2.81，2.99 m。由此可知，在同等抽采条件下，距正断层越远的钻孔有效抽采半径越大。距正断层70 m处抽采120 d时的有效抽采半径为2.99 m，无断层影响下的有效抽采半径为3.10 m，二者仅相差0.11 m，表明正断层对钻孔有效抽采半径的影响范围在距断层70 m内。
3.3 正断层附近抽采孔布置分析
当煤层开采靠近正断层时，正断层因周围应力平衡的破坏有时出现活化现象，如果瓦斯抽采孔布置不合理，抽采效果不达标，很容易发生煤与瓦斯突出事故。在现场工程应用中，正断层附近瓦斯抽采钻孔布置一般都相对密集，不仅造成现场施工工程量大，严重时还会影响煤矿正常的“抽、掘、采”接替。结合本文数值模拟结果，在完全保证抽采效果且不延长抽采时间的前提下，对正断层附近瓦斯抽采孔布孔间距实施分段布置。据此，该工作面正断层附近抽采钻孔布置如下：在距断层30 m内，密集布置钻孔，布孔间距应不大于数值模拟中距断层10 m时的有效抽采半径(1.83 m)；在距断层30～70 m范围内，在保证安全的情况下，可适当加大钻孔的布孔间距;在距断层70 m外，可逐步恢复至无正断层影响下顺层钻孔的布孔间距。
4 结论
(1) 无断层影响下，顺层钻孔抽采120 d时有效抽采半径数值模拟结果为3.10 m，现场试验结果为2.93 m，数值模拟结果与现场试验结果基本一致，说明流固耦合模型具有一定的可靠性。
(2) 距断层一定距离时，在整个抽采时间内，钻孔周围瓦斯压力变化呈驼峰曲线分布。通过数值模拟得出,距正断层越远的钻孔有效抽采半径越大，正断层对钻孔有效抽采半径的影响范围在距断层70 m内。
(3) 在正断层附近瓦斯抽采钻孔布置过程中，结合现场实际情况，按照靠近断层30 m内、距断层30～70 m及距断层70 m外对正断层附近的瓦斯抽采钻孔实施分段布置。
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