不同水力割縫布置方式對卸壓防突效果影響數值模擬

唐巨鵬，楊森林，李利萍

（遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

煤與瓦斯突出是井下煤礦生產中遇到的一種極其復雜的礦井瓦斯動力現象［1］。它能在極短的時間內，向巷道或采場空間拋出大量煤炭，同時噴出瓦斯，造成重大人員傷亡和財產損失，威脅煤礦安全生產。隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，我國多數煤礦相繼進入深部開采階段，深部煤層表現出顯著的“高地應力、高孔隙壓、高溫度和低滲透性”特征，煤與瓦斯突出等動力災害愈趨嚴重。目前，防治煤與瓦斯突出主要采用排放鉆孔的方法，深部煤層卸壓預抽瓦斯是降低瓦斯災害的主要措施［2］。但由于煤層透氣性低，導致排放鉆孔密度大，抽放半徑較小，施工工期長。針對此問題，國內外相關專家學者提出了多種防突措施。主要有：深孔預裂爆破、水力沖孔、煤層注水、水力割縫、水力壓裂等。深孔預裂爆破能夠使鉆孔底部形成表面積較大孔穴，但若裝藥不能滿足要求，易誘導突出發生［3］。水力沖孔、煤層注水一般在瓦斯壓力大的松軟煤層能夠取得較好效果，但由于鉆孔直徑較大，鉆孔時存在塌孔、夾鉆以及施工操作復雜等缺點［4，5］。水力割縫技術屬于一種新型射孔完井技術，趙嵐等［6］研究了在固 -氣耦合作用下，通過水力割縫釋放低滲透煤層的部分有效體積應力，使部分煤層在割縫后發生垮落，應力場重新分布；王婕、林柏泉［7］模擬了割縫排放低透氣性煤層內瓦斯的過程，驗證了割縫排放煤層內瓦斯是降低低透氣性煤層煤與瓦斯突出危險的有效方式；唐建新、賈劍青［8］按照高壓水射流技術應用的原理，設計了應用于抽采鉆孔中切割煤體的高壓水射擊流裝置，并在現場對噴嘴和射流器進行了試驗；宋維源等［9］從水力割縫技術致煤層應力變化角度，將理論分析和數值模擬方法相結合，根據滲流力學平面徑向流理論，分析給出了水力割縫技術增透抽采瓦斯原理；林柏泉等［10］通過對鉆孔周圍應力分布的研究，指出“瓶塞效應”是制約其影響范圍的主要因素，割縫可以消除此效應；張其智，林柏泉等［11］通過現場實驗和數值模擬方法得出，煤體水力割縫后割縫鉆孔起始瓦斯抽采量是普通鉆孔的2.5倍，且在考察時間內割縫孔的抽采流量遠大于普通孔，提高了瓦斯抽采效率；沈春明，林柏泉等［12］基于高壓水射流割縫卸壓增透技術，對割縫后瓦斯抽采和煤體透氣性的變化進行研究，模擬計算了割縫后煤體卸壓影響范圍的變化特性。由此可見，考慮水力割縫布置方式對深部煤層卸壓防突效果影響的研究還未有報道。本文針對平頂山某煤礦深部開采特征，建立了三維有限元模型，用數值分析方法模擬了不同水力割縫布置方式對深部煤層卸壓防突的影響規律，通過比較，給出了卸壓效果較好的交錯式水力割縫布置方式，研究結果可為現場煤與瓦斯突出的防治提供一些參考。

1 水力割縫橫向深度確定

水力割縫技術是利用割縫設備兩側噴頭射出高壓水射流，通過不斷沖擊煤層表面，使得煤碎屑不斷剝落，煤體縫隙不斷加深，直至達到臨界深度，引起煤體結構破壞，最終工作面前方煤體得到充分卸壓，同時排放瓦斯，從而消除煤與瓦斯突出危險，保證煤礦安全生產。高壓水射流最大切割橫向深度決定了煤體卸壓范圍和效果，若忽略流體粘性和重力，則其公式為［13］：

式中：Er——煤層彈性模量（MPa）；ρr、cr分別為煤層密度和聲速（kg/m3），（m/s）；

ρm、cm——射流流體密度和聲速（kg/m3），（m/s）；

σd——動強度極限（MPa）；

ν0——噴嘴出口速度（m/s）；

b——射流進入接觸煤體后的高度（m）。

該突出煤層參數為：Er=10GPa，ρr=1380kg/m3，cr=2692m/s，ρm=1000kg/m3，cm=1400m/s，σd=15.8MPa，ν0=210m/s，b=0.0045m。計算得到單側最大切割深度為xmax=2.37m，卸壓范圍可達4.74m。

2 水力割縫模型建立

以平頂山某煤礦某開采工作面為例，建立三維有限元模型（圖1）。采面標高為-720m。

圖1 三維有限元模型Fig.1 Three dimentional finite element model

數值模擬模型尺寸參數取值：長、寬、高均為30m，頂、底板厚度13m，煤層厚度4m，割縫橫向剖面簡化為矩形，經公式（1）計算得到該煤層最大水力割縫橫向深度為4.74m，考慮實際水力割縫橫向切割深度受地質條件、割縫工藝等影響，取水力割縫切割深度為4m，寬0.2m，割縫縱向深度為10m。模型底面、Z向側面施以固定約束，頂面、X向側面均施以均布載荷，其垂直應力為16MPa，水平應力為22.4MPa。煤層及頂板、底板力學參數如表1所示。

圖2 割縫前應力云圖Fig.2 Stress contour before cutting seam

3 數值模擬計算

3.1 水力割縫前應力分布

開采煤層標高為-720m，處于深部開采階段，割縫前煤層附近 X向應力呈扇形輻射狀遞增（圖2（a）），應力值為8.84～11.7MPa，煤層左右端面深色區域產生壓應力集中區，應力最大值為34.7MPa；割縫前Y向應力以煤層為中心向外輻射成橢圓形變化（圖 2（b）），應力值為 12.8～13.6MPa。

圖4 三種水力割縫布置方式下應力曲線圖Fig.4 Stress curves of three kinds of cutting arrangement

表1 模型力學參數Table 1 Mechanical parameters of model

割縫前對煤層應力場分布規律分析表明：盡管煤層水平應力（即X向應力）和垂直應力（即Y向應力）均小于頂底板應力，但局部區域由于上覆巖層垂直應力和地質構造水平應力形成的高地應力場長期作用，深煤層更趨于松軟破碎，部分煤體應力得到初步釋放，應力場重新分布，形成了新的應力集中區。因此開采深部突出煤層時，必須一方面對應力集中區進行采前有效卸壓，釋放煤體集中應力，另一方面預抽瓦斯，降低深煤層瓦斯壓力，才能保證煤礦安全生產。水力割縫技術就是采前通過對煤層布孔割縫，人為制造深達煤體十幾米甚至幾十米的立體孔縫網絡，從而達到既充分釋放煤體集中應力，使應力場重新分布，對煤體卸壓，又溝通了突出煤層瓦斯解吸、運移、抽采的通道，為煤與瓦斯突出的防治提供保障。

3.2 不同水力割縫布置方式卸壓效果模擬

水力割縫布置方式是影響煤層卸壓防突效果的重要因素，因此對平行、菱形和交錯三種不同水力割縫布置方式下煤層應力變化進行了數值模擬。相同的割縫參數為：割縫數量均取為4條（上下各2條），割縫橫向距離均為6m，縱向距離均為2m。分析在同一煤層、同等割縫數量條件下，三種水力割縫布置方式對煤層卸壓情況，通過比較，選擇合理割縫布置方式。由圖3數值模擬結果可知，三種水力割縫布置方式均具有較好的卸壓效果，但卸壓區范圍有較大差異。通過比較可知，交錯式水力割縫布置方式卸壓區范圍基本覆蓋整個煤層，而平行布置與菱形布置方式的割縫卸壓影響區范圍產生重疊，沒有充分發揮水力割縫卸壓優勢。取不同水力割縫布置方式卸壓云圖右側不同顏色區域所對應數值為應力觀測區值，分別為1～9觀測區，畫出三種布置方式下X向、Y向應力觀測區與應力值關系曲線圖。由圖4（a）可知，三種布置方式下X向應力變化差別不大，曲線變化趨勢基本一致。觀測區8為應力降最大區域，可以看出菱形與交錯排列水力割縫布置方式卸壓效果較為明顯，卸壓區域應力降分別為97.5％和91.6％，而平行布置方式僅為72.4％。由圖4（b）可以得出，三種布置方式下Y向應力中菱形布置方式平均應力值比其他兩種方式都大，因此菱形布置方式卸壓效果最不理想。除此之外，交錯布置方式應力降為97.8％，而平行與菱形布置方式分別為56.6％和87.5％。綜合以上分析可以得出，交錯式水力割縫布置方式既可以滿足卸壓范圍的需要，又能夠較好的釋放深部煤層應力，其與平行和菱形布置方式相比，卸壓效果更為理想。

4 結論

（1）割縫前對煤層應力場分布規律分析表明：由于深煤層更趨于松軟破碎，部分煤體應力得到初步釋放，應力場重新分布，形成了新的應力集中區。因此開采深部突出煤層時，必須一方面對應力集中區進行采前有效卸壓，釋放煤體集中應力，另一方面預抽瓦斯，降低深煤層瓦斯壓力，才能保證煤礦安全生產；

（2）相同割縫參數下，不同水力割縫布置方式對煤層卸壓效果數值模擬表明：三種水力割縫布置方式（平行、菱形、交錯）均具有較好卸壓效果，但對煤層卸壓區范圍有很大差異。比較分析可知，交錯式水力割縫布置方式不但卸壓效果顯著，而且卸壓區范圍波及最大，卸壓效果比其它兩種更為理想。

［1］程五一，張序明，吳福昌.煤與瓦斯突出區域預測理論及技術［M］.北京：煤炭工業出版社，2005.CHENG Wuyi，ZHANG Xuming，WU Fuchang.Theory and technology of regional prediction of coal and gas outburst［M］.Beijing：China Coal Industry Publishing House，2005.

［2］劉勇，盧義玉，李曉紅，等.高壓脈沖水射流頂底板鉆孔提高煤層瓦斯抽采率的應用研究［J］.煤炭學報，2010，35（7）：1115-1119.LIU Yong，LU Yiyu，LIXiaohong，et al.Application of drilling in roof or floor with high pulse pressure water jet to improve gas drainage［J］.Journal of China Coal Society，2010，35（7）：1115-1119.

［3］邢昭芳，閻永利，李會良.深孔控制卸壓爆破防突機理和效果考察［J］.煤炭學報，1991，16（2）：1-8.XING Zhaofang，YAN Yongli，LI Huiliang.Mechanism and results of prevention of rock burst by controlled pressure relief deep holes［J］.Journal of China Coal Society，1991，16（2）：1-8.

［4］劉明舉，孔留安，郝富昌，等.水力沖孔技術在嚴重突出煤 層 中 的 應 用［J］.煤炭學報，2005，30（4）：451-455.LIU Mingju，KONG Liuan，HAO Fuchang，et al.Application of hydraulic flushing technology insevere outburst coal［J］.Journal of China Coal Society，2005，30（4）：451-455.

［5］錢鳴高，劉聽成.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003.QIAN Minggao，LIU Tingcheng.Ground pressure and strata control［M］.Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2003.

［6］趙嵐，馮增朝，楊棟，等，水力割縫提高低滲透煤層滲透性實驗研究［J］，太原理工大學學報，2001，32（2）：109-111.ZHAO Lan，FENG Zengchao，YANG Dong，et al.Testing study of improving seepageflow laws of lowseepage coalbed by hydratic-cutting seams［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2001，32（2）：109-111.

［7］王婕，林柏泉，茹阿鵬.割縫排放低透氣性煤層瓦斯過程的數值試驗［J］.煤礦安全，2005，36（8）：4-7.WANG Jie，LIN Boquan，RU A’peng.Numerical test of gas drainage in low air permeability coal seam by rifting slots［J］.Journal of Coal Mine Safety，2005，36（8）：4-7.

［8］唐建新，賈劍青，胡國忠，等.鉆孔中煤體割縫的高壓水射流裝置設計及試驗［J］.巖土力學，2007，28（7）：1501-1504.TANG Jianxin，JIA Jiangqing，HU Guozhong，et al.Design and experimentation of high-pressure water jet set applied to incising coal seam in boreholes［J］.Rock and Soil Mechanics 2007，28（7）：1501-1504.

［9］宋維源，王忠峰，唐巨鵬.水力割縫增透抽采煤層瓦斯原理及應用［J］.中國安全科學學報，2011，21（4）：78-82.SONG Weiyuan，WANG Zhongfeng，TANG Jupeng.Principle of gas extraction by increasing permeability of coal seam with hydraulic cutting and its application［J］.China Safety Science Journal，2011，21（4）：78-82.

［10］林柏泉，楊威，等.影響割縫鉆孔卸壓效果因素的數值分析［J］.中國礦業大學學報，2010，39（2）：153-157.LIN Baiquan，YANG Wei，et al.Numerical analysis of the effects different factors on slotted drilling［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2010，39（2）：153-157.

［11］張其智，林柏泉，孟凡偉，等.高壓水射流割縫對煤體擾動影響規律研究及應用［J］，煤炭科學技術，2011，39（10）：49-53.ZHANG Qizhi，LIN Boquan，MENG Fanwei，et al.Research and application on disturbance influence law of seam slot cutting with high pressurized water jet［J］.Coal Science and Technology，2011，39（10）：49-53.

［12］沈春明，林柏泉，吳海進.高壓水射流割縫及其對煤體透氣性的影響［J］.煤炭學報，2011，36（12）：2058-2063.SHEN Chunming，LIN Baiquan，Wu Haijin.Highpressure water jet slotting and influence on permeability of coal seams［J］.Journal of China Coal Society，2011，36（12）：2058-2063.

［13］李忠華，潘一山，張嘯，等.高壓水射流切槽煤層卸壓機理［J］.遼寧工程技術大學學報，2009，28（1）：43-45.LI Zhonghua，PAN Yishan，ZHANG Xiao，et al.Testingmechanism of releasing pressure by high-pressure water jet applied to cutting coal seam ［J］.Journal of Liaoning Technical University（Natural Science），2009，28（1）：43-45.