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摘要：定向长钻孔超前注浆对工作面过断层时的顶板起到超前加固作用。为了探寻影响注浆因素，本文应用Fluent流体力学数值模拟软件，分析不同钻注浆压力、浆体的凝固时间、断层的破碎程度条件下的钻孔注浆半径和注浆量，得到各因素对断层超前注浆效果的影响规律。并在邢台煤矿7623充填工作面f313—4断层处进行现场工业实验，取得了明显应用效果。
关键词：定向长钻孔；注浆；数值模拟
中图分类号：TD
邢台煤矿由于开采年限久好的工作面越来越少，而边角煤和保护煤柱的开采对于该矿的可持续发展有着重大的意义，7623工作面为充填开采工作面位于工业广场下部，由于该面地质条件复杂斷层多。为了能协调高产高效生产和保证充填质量，对于工作面过断层就提出了更高的要求。定向长钻孔超前注浆对于工作面过断层起着超前加固断层处破碎顶板的作用，分析注浆的影响就显着至关重要了，本文用Fluent数值模拟软件模拟定向长钻孔浆在断层破碎区的流场特征，考察不同注浆参数下的注浆半径、注浆量的变化情况。结合7623工作面现场实施效果，最终找到适合该面的定向长钻孔超前注浆布置方案，解决7623工作面过断层问题。
1 定向长钻孔数学模型
1.1 定向长钻孔浆体流动方程
成煤过程受很多因素的影响，致使煤层具有非均质性。在一个较大的区域内，断层破碎可以看作是均质；浆体注入时的压力在一定的区域内也可以看作是均匀的[1]；浆体在断层破碎后的孔隙中的流动看作流体在多孔介质中的流动。为使问题简化，按以下基本假设推导浆体流动方程。
（1）基本假设
断层中浆体流动符合达西定律；视浆体为理想流体，渗流过程安等温处理；原始断层的破碎是均匀、各向同性，破碎区孔隙、裂隙结构稳定[2.3]。
（2）浆体流动方程
浆体在断层破碎区的流动为径向流动[1]，由以上假设根据多孔介质中流体的质量守恒定律，得到如下方程组：
1.2 煤层钻孔瓦斯流动方程求解
本构方程（1.4）是一个非线性的二阶偏微分方程，要获得数值解，常用有限元或有限差分来解，同时还要给出它的定解条件[2]。定解条件从时间和空间上考虑，包括初始条件和边界条件，具体如下：
2 煤层瓦斯抽放钻孔数值模拟
取现场一组注浆参数为参考，钻孔直径25mm钻孔长60m，孔口压力为0Kpa，断层破碎区破碎程度有渗透率为0.172m2/MPa2*d表示，断层破碎区处相对于注浆压力为-2MPa。钻孔位于模型中心处，采用长方形网格划分，其中共有10132个节点、16783个单元，如图1所示。
断层破碎区设为多孔介质渗流边界条件，湍流计算用k-ε模型，浆体在断层破碎区中流动用多孔介质模型。
2.1 注浆压力的影响
图2～3为注浆压力分别为1MPa、2M KPa情况下断层破碎区压力分布变化图。可以看出注浆压力对注浆半径的影响不大，对注浆量的影响也不大，因为浆体是粘性流体在一定范围内会固化，但是在注浆压力大的情况下初期注浆速度快可以有效的防止浆体凝固。因此然而考虑到现场注浆效果的影响及结合现场设备，根据以上分析注浆压力选择在2 MPa。
2.2 浆体凝固时间影响分析
图4～6为浆体发暴时间分别为为1 min、2min时注浆范围分布。浆体的发暴时间影响浆体在断层破碎区域的流动，发暴时间越短浆体的粘性就越大，渗流就越难，发暴时间长浆体的流动时间长注浆范围就越大，经历相同注浆时间，注浆量就越大。因此，条件允许下尽量用发暴时间长的浆体来注浆，结合现场情况选用波雷音。
2.3 断层破碎程度影响分析
图8～9不同破碎程度时的注浆半径与注浆量，由图可以看出断层的破碎越严重断层处的渗透系数就越高，注浆半径就越大注浆量就越多。
3 现场方案实施及效果考察
3.1 现场定向长钻孔布置
在7623充填工作面f313—4断层处实施定向长钻孔提前注浆措施，定向长钻孔布置示如图11所示。
定向长钻孔布置参数如表1所示。
3.2 效果考察
（1）通过定向长钻孔在工作面过断层时提前注浆，有效的控制了断层内破碎区顶板破碎情况。
（2）工作面冒漏顶和偏帮明显减少，对工作面安全生产提供有利保障。
（3）通过在7623工作面f313—4断层处有效实施定向长钻孔提前注浆措施，可以为7623工作面遇到断层提供有利定向长钻孔注浆的技术支持。
4 结论
（1）Fluent数值模拟是在理想的状态下进行的，可以为定向长钻孔因素分析提供定性参考，对现场具有一定的理论指导意义。
（2）通过数值模拟可以看出，注浆压力对注浆半径不大，但是对初期的注浆速度有较大的影响，浆体的凝固时间和断层处的破碎情况对注浆半径和注浆量都有较大的影响。
（3）由于断层的形成受诸多因素的影响，破碎及裂隙情况不确定，在注浆时浆体的流动存在不确定因素，因此在现场施工时注意及时记录注浆量和注浆压力的变化，为7623充填工作面以后定向长钻孔提前注浆提供强有力的数据支持。
（4）在7623充填工作面f313—4断层处有效实施定向长钻孔提前注浆措施取，在工作面过断层时取得了明显的效果，为以后工作面遇到断层提供技术支持。
参考文献
[1] 周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1999.
[2] 丁厚成，蒋仲安，韩云龙.顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用[J].北京科技大学学报.2008. 30 （11）
[3] 许蛮贵，林海飞，李树刚.钻孔预抽煤层瓦斯影响规律研究.矿业安全与环[J].2010.30（5）.
[4] 谭学术，袁静.矿井煤层真实瓦斯渗流方程的研究[J].重庆建筑大学学报，1986（ 1）.
[5] 王国际.注浆技术理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.
[6] 牛建鹏，郎志俊.综放工作面极破碎煤岩体化学注浆加固技术[J].煤炭工程，2008.（9）.
[7] 秦定国，肖知国.化学注浆加固技术在采面冒顶防治中的应用[J].中州煤炭，2009.（7）.
[8] 王建鹏.顶板破碎带应用化学注浆加固技术的研究[J].山西焦煤科技，2008.（12）.
关键词：定向长钻孔；注浆；数值模拟
中图分类号：TD
邢台煤矿由于开采年限久好的工作面越来越少，而边角煤和保护煤柱的开采对于该矿的可持续发展有着重大的意义，7623工作面为充填开采工作面位于工业广场下部，由于该面地质条件复杂斷层多。为了能协调高产高效生产和保证充填质量，对于工作面过断层就提出了更高的要求。定向长钻孔超前注浆对于工作面过断层起着超前加固断层处破碎顶板的作用，分析注浆的影响就显着至关重要了，本文用Fluent数值模拟软件模拟定向长钻孔浆在断层破碎区的流场特征，考察不同注浆参数下的注浆半径、注浆量的变化情况。结合7623工作面现场实施效果，最终找到适合该面的定向长钻孔超前注浆布置方案，解决7623工作面过断层问题。
1 定向长钻孔数学模型
1.1 定向长钻孔浆体流动方程
成煤过程受很多因素的影响，致使煤层具有非均质性。在一个较大的区域内，断层破碎可以看作是均质；浆体注入时的压力在一定的区域内也可以看作是均匀的[1]；浆体在断层破碎后的孔隙中的流动看作流体在多孔介质中的流动。为使问题简化，按以下基本假设推导浆体流动方程。
（1）基本假设
断层中浆体流动符合达西定律；视浆体为理想流体，渗流过程安等温处理；原始断层的破碎是均匀、各向同性，破碎区孔隙、裂隙结构稳定[2.3]。
（2）浆体流动方程
浆体在断层破碎区的流动为径向流动[1]，由以上假设根据多孔介质中流体的质量守恒定律，得到如下方程组：
1.2 煤层钻孔瓦斯流动方程求解
本构方程（1.4）是一个非线性的二阶偏微分方程，要获得数值解，常用有限元或有限差分来解，同时还要给出它的定解条件[2]。定解条件从时间和空间上考虑，包括初始条件和边界条件，具体如下：
2 煤层瓦斯抽放钻孔数值模拟
取现场一组注浆参数为参考，钻孔直径25mm钻孔长60m，孔口压力为0Kpa，断层破碎区破碎程度有渗透率为0.172m2/MPa2*d表示，断层破碎区处相对于注浆压力为-2MPa。钻孔位于模型中心处，采用长方形网格划分，其中共有10132个节点、16783个单元，如图1所示。
断层破碎区设为多孔介质渗流边界条件，湍流计算用k-ε模型，浆体在断层破碎区中流动用多孔介质模型。
2.1 注浆压力的影响
图2～3为注浆压力分别为1MPa、2M KPa情况下断层破碎区压力分布变化图。可以看出注浆压力对注浆半径的影响不大，对注浆量的影响也不大，因为浆体是粘性流体在一定范围内会固化，但是在注浆压力大的情况下初期注浆速度快可以有效的防止浆体凝固。因此然而考虑到现场注浆效果的影响及结合现场设备，根据以上分析注浆压力选择在2 MPa。
2.2 浆体凝固时间影响分析
图4～6为浆体发暴时间分别为为1 min、2min时注浆范围分布。浆体的发暴时间影响浆体在断层破碎区域的流动，发暴时间越短浆体的粘性就越大，渗流就越难，发暴时间长浆体的流动时间长注浆范围就越大，经历相同注浆时间，注浆量就越大。因此，条件允许下尽量用发暴时间长的浆体来注浆，结合现场情况选用波雷音。
2.3 断层破碎程度影响分析
图8～9不同破碎程度时的注浆半径与注浆量，由图可以看出断层的破碎越严重断层处的渗透系数就越高，注浆半径就越大注浆量就越多。
3 现场方案实施及效果考察
3.1 现场定向长钻孔布置
在7623充填工作面f313—4断层处实施定向长钻孔提前注浆措施，定向长钻孔布置示如图11所示。
定向长钻孔布置参数如表1所示。
3.2 效果考察
（1）通过定向长钻孔在工作面过断层时提前注浆，有效的控制了断层内破碎区顶板破碎情况。
（2）工作面冒漏顶和偏帮明显减少，对工作面安全生产提供有利保障。
（3）通过在7623工作面f313—4断层处有效实施定向长钻孔提前注浆措施，可以为7623工作面遇到断层提供有利定向长钻孔注浆的技术支持。
4 结论
（1）Fluent数值模拟是在理想的状态下进行的，可以为定向长钻孔因素分析提供定性参考，对现场具有一定的理论指导意义。
（2）通过数值模拟可以看出，注浆压力对注浆半径不大，但是对初期的注浆速度有较大的影响，浆体的凝固时间和断层处的破碎情况对注浆半径和注浆量都有较大的影响。
（3）由于断层的形成受诸多因素的影响，破碎及裂隙情况不确定，在注浆时浆体的流动存在不确定因素，因此在现场施工时注意及时记录注浆量和注浆压力的变化，为7623充填工作面以后定向长钻孔提前注浆提供强有力的数据支持。
（4）在7623充填工作面f313—4断层处有效实施定向长钻孔提前注浆措施取，在工作面过断层时取得了明显的效果，为以后工作面遇到断层提供技术支持。
参考文献
[1] 周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1999.
[2] 丁厚成，蒋仲安，韩云龙.顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用[J].北京科技大学学报.2008. 30 （11）
[3] 许蛮贵，林海飞，李树刚.钻孔预抽煤层瓦斯影响规律研究.矿业安全与环[J].2010.30（5）.
[4] 谭学术，袁静.矿井煤层真实瓦斯渗流方程的研究[J].重庆建筑大学学报，1986（ 1）.
[5] 王国际.注浆技术理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.
[6] 牛建鹏，郎志俊.综放工作面极破碎煤岩体化学注浆加固技术[J].煤炭工程，2008.（9）.
[7] 秦定国，肖知国.化学注浆加固技术在采面冒顶防治中的应用[J].中州煤炭，2009.（7）.
[8] 王建鹏.顶板破碎带应用化学注浆加固技术的研究[J].山西焦煤科技，2008.（12）.