木城涧矿煤层高压注水的数值模拟分析_李宗翔

第 24 卷 第 11 期 2005 年 6 月岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringVol.24 No.11 June，2005木城涧矿煤层高压注水的数值模拟分析李宗翔 1，潘一山 2，题正义 1，张智慧 2(1. 辽宁工程技术大学 职业技术学院，辽宁 阜新 123000；2. 辽宁工程技术大学 力学与工程科学系，辽宁 阜新 123000)摘要：为解决京煤公司木城涧矿冲击地压灾害问题，在煤巷掘进时实施预先煤层注水。

为研究煤体的渗透特征， 在该矿北 8 槽煤掘进工作面进行了现场单孔等压注水试验，测定了钻孔两侧煤体的湿润水分增值。

依据该试验数 据用可变容差最优化搜索方法对模型参数进行反演， 得到煤体的导水和贮水特征参数， 表明该北 8 槽煤属低湿润 饱和煤层，导水性差，适合用高压注水。

用数值模拟方法详细描述了在 7.0 MPa 压力下的煤层注水动态过程，通 过模拟计算，给出了注水压力–时间–湿润范围三者的动态变化关系。

分析了在不同注水压力下的湿润分布的特 点，指出合理湿润效果的注水压力在 10.0 MPa 以上。

关键词：岩石力学；冲击地压；煤层掘进注水；渗透特征；参数反演；数值模拟 中图分类号：TD 713.33 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)11–1895–05NUMERICAL SIMULATION STUDY ON THE HIGH-PRESSURE WATER INJECTION INTO COAL SEAM IN MUCHENGJIAN COAL MINELI Zong-xiang1，PAN Yi-shan2，TI Zheng-yi1，ZHANG Zhi-hui2(1. College of Vocational，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China； 2. Department of Mechanics and Engineering Science，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)Abstract：The previous water injection into coal seam was applied when the tunnel was excavated in order to solve the rockburst problem in Muchengjian coal mine. The single drilling hole isobaric water injection was put into effect on site in 6178 excavation working face of this coal mine and the water increment around the drilling hole was measured. Then the model parameter was inversed by using variable-tolerance-band optimization search method and the water transmission and storage characteristic parameters were obtained，which showed that this coal seam has bad water transmissibility and belongs to low-wetted saturation， the high-pressure water injection so is suitable for the coal mine. The dynamic changing processes of water injection under 7.0 MPa are described by visual numerical simulation in detail. The dynamic variable relation among pressure-time-wetted perimeter of water injection was formulated by numerical simulation trial in the end. Key words：rock mechanics；rockburst；excavation water injection into coal seam；permeability character； parametric inversion；numerical simulation 瓦斯突出，以及坚硬煤岩软化等诸多煤矿安全与技1引言术问题的行之有效的方法[1， 2]。

其应用基础研究的最根本在于对注水过程中湿润的掌握与控制，目前 煤层注水是从根本上综合解决煤尘、 冲击地压、收稿日期：2004–02–25；修回日期：2004–04–29 作者简介：李宗翔(1962–)，男，硕士，1984 年毕业于黑龙江矿业学院，现任副教授，主要从事系统工程和安全工程(煤岩体注水、采空区自然发火、 瓦斯及采场渗流规律等)数值模拟方面的教学与研究工作。

E-mail：zongxli7@。

国内外这方面研究，主要是细观尺度上的理论探讨• 1896 •岩石力学与工程学报～ 5]2005 年和大量的试验研究成果[3，尚缺乏具有工艺实用体注水承压饱和–非饱和非稳定渗流定解模型 [6] 为S ∂p ∂ ⎛ ∂p ⎞ ∂ ⎛ ∂p ⎞ ⎟ = ⎜ K xx ⎟ + ⎜ K yy ⎜ ∂t ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎟ ⎠性和宏观意义的湿润过程的描述。

笔者曾用数值模 拟方法结合参数反演方法描述了煤层注水工艺过程 与湿润范围的变化关系[6～ 9]，其手段先进，为该问(1)题的解决提供了一种有效途径。

在注水方案设计时， 首先必须了解被注煤层的渗透特征，最贴近实际的 方法是进行注水试验，通过注水试验数据获得模型 参数。

这一方法便于在实践中煤体参数变化时对注 水工艺参数的调整，达到合理地控制注水工作，以 有效防治灾害的发生。

以下就木城涧煤矿防冲击地 压煤层掘进注水试验和注水问题进行分析和讨论。

其中，⎡ ⎛ γH - p ⎞3 ⎤ ⎟ ⎥ K xx = K P ⎢1 - ⎜ ⎢ ⎜ γH - pL ⎟ ⎥ ⎠ ⎦ ⎣ ⎝K yy = λK xx2现场概况及注水试验方案木城涧矿注水地点为 6178 工作面，煤层为北 8⎛ b ⎞ nb ⎟ S = ⎜1 + ⎜ pm ⎟ (b + p ) 2 ⎠ ⎝ p = p1 (在钻孔边界上) ∂p = 0 (在其他边界上) ∂n p t =0 = 0式中：p 为煤体中水压(MPa)；Kxx，Kyy 分别为沿 x，槽煤，煤层平均倾角 65° ，最大厚度 1.63 m，最小 厚度 1.00 m， 试验地点煤层厚度为 1.2 m， 煤的埋藏 深度 H = 500 m，煤的容重( γ 1 )为 1.34 t/m3，属无瓦 斯煤层。

煤层顶底板均为粉砂岩，不透水，该煤层 干燥，原始含水率为 0.1%，具有冲击地压倾向，决 定在掘进时进行煤层注水。

为弄清北 8 槽煤注水渗 透特征，先进行单孔等压注水试验，注水钻孔及取 样钻孔布置如图 1 所示。

注水压力为 7.0 MPa，60 h 后停注(不影响掘进工作)，12 h 后随巷道掘成后及 时打钻取样测煤体含水率，试验中在 15.0 MPa 压力 下发生泄水， 煤的最大饱和度为 4.6%。

掘进速度 2～ 4 m/d，钻孔钻进速度 15 m/h。

y 主方向的渗透系数(m2/(MPa·h))；KP 为煤体无应力载荷时的渗透系数[6](m2/(MPa·h))；λ为 y 与 x 方 向上的各向异性比；S 为煤体贮水系数(Pa 1)；b 为－与 p 同单位的待定系数；p1 为钻孔注水压力(MPa)；pL 为初始进水压力(MPa)；n 为煤有效孔隙度；pm为泄水压力(MPa)； 为煤层上覆岩层重度(MN/m3)； γH 为煤层的赋存深度(m)；t 为时间变量。

模型中 S 和 Kxx， yy 是水压 p 的函数[2]， K 由识别 参数 b 和 KP 确定。

高压注水是一种很特殊的渗流 形式，因水对煤体的劈裂和孔隙不断贯通，煤体容 水空间不断扩大，可近似为单向的吸吮过程 ( 不返 水)，对每个时间步长湿润值(水分增值 f )的计算可 表示为顶板 x 30 m yf (t +1) = f (t ) + S (t +1 / 2 ) ( p (t +1) − p (t ) ) / γ 1(2)式中：t，t + 1，t + 1/2 分别为某一时间步长的初、65°o末及中间时刻； S (t +1 / 2 ) 为中间时刻水头对应的贮水 系数； γ 1 为煤的重度。

上述注水模型用有限元数值方法求解后，钻孔 周围沿 x 方向煤体的水分增值的湿润分布为3.5 m 掘进 巷道 北 8 槽煤层 底板图1 Fig.1掘进面注水试验钻孔及取样钻孔布置f (T，x，y ) = WFEM(T，p1，b，K P )(3)Layout of water injection test hole and sampling hole along excavation working face式中：T 为注水时间(h)，WFEM 为注水数值模型。

4 3 煤层注水数值模型煤层渗透特征参数反演计算由试验测得煤层层面法向方向与侧向的各向异根据几何对称性(如图 1 所示)，取钻孔截面的 1/4 区作为计算区域，忽略煤层的倾斜影响，则煤性比λ = 0.33，而 b 和 KP 在实验室中一般很难得到 贴近实际的值，这里结合现场试验反演，目标函数第 24 卷第 11 期李宗翔等. 木城涧矿煤层高压注水的数值模拟分析• 1897 •为min E (b，K P ) = ∑ wi s. t. f i - f i′ ⎫ ⎪ fi i =1 ⎬ ⎪ b＞0，K P＞0 ⎭s理出 6 个测点数据，参数反演结果见表 1，收敛过 程见图 2。

用最佳参数模拟计算结果详见图 3， 其中 (4)表1 Table 1 反演参数迭代计算结果 Calculation results of iterative solution for the inversion algorithm parameter初值( b(0) K p0)式中：f i 为注水试验后取样测定的水分增值(%)，f i′ 为测点理论计算值(%)，s 为取样点个数，wi 为测点 的权重系数。