低滲煤層高壓水射流割縫強化瓦斯抽采技術研究*

劉志偉

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

我國煤礦地質構造復雜，瓦斯災害嚴重，改革開放以來，隨著大量先進技術裝備的研發應用，全國平均煤礦百萬噸死亡率由1978年的9.436下降到2018年的0.1以下，煤礦安全生產形式有了大幅好轉。但是隨著開采深度的延伸，地應力增大，滲透率急劇下降，瓦斯壓力及含量相應升高，高瓦斯、突出礦井數量增多，突出礦井危險系數增大，治理瓦斯災害、充分利用資源仍然是當前及未來若干年內我國煤礦安全領域中的重大研究課題[1-3]。

高效瓦斯治理的關鍵技術措施在于卸壓增滲強化促抽，經過長期的研究和大量實踐，形成了多種煤層改造卸壓增滲技術，主要有開采保護層、水力壓裂[4-7]、水力沖孔[8-9]、水力割縫、三區聯動抽采[10-11]等強化抽采技術。不同技術適應于不同瓦斯地質條件的煤層和礦區，保護層開采是多煤層井田區域防突首選的經濟有效的技術，具有很好的卸壓增滲作用，滲透率和瓦斯抽采效率大幅度提高。但是，對于開采單一煤層或首采煤層來講，若要開采巖層作為其保護層，成本高，推廣難；三區聯動立體瓦斯抽采技術在滲透性較好的煤層中具有全面治理瓦斯的效果，但在低滲透煤層礦區，由于地面井抽采產量較低，不具備全面推廣條件；水力壓裂卸壓增滲影響范圍較大，在不少礦井獲得了良好的應用效果，但很難保證控制范圍內實現煤體均勻卸壓、增滲而不留空白帶，并且易誘發災害事故的發生。

近年來隨著高壓水射流技術的發展，國內外學者對水力割縫卸壓增透強化抽采技術進行了大量研究，張帥等[12]對超高水力割縫周圍煤體滲透率提高程度進行了量化表征；劉廳等[13]基于孔隙結構測試方法的敏感性和精確性及液氮吸附法和壓汞法測定原理系統研究了割縫預抽后鉆孔周圍煤體孔隙結構變化特征;黃飛等[14]對不同水射流沖擊速度作用于砂巖破壞模式的影響進行了研究；林柏泉等[15]通過建立水力割縫煤體多場耦合模型，對水力割縫擾動裂隙圈、有效抽采半徑進行了研究；沈春明等[16]對切槽煤巖試樣裂紋擴展影響因素進行了研究，確定了合理的槽面與主應力夾角。

以上研究主要從水力割縫孔隙結構、裂紋擴展、射流速度特征等方面進行研究，針對水力割縫縫槽周圍煤體卸壓特征進行研究較少，因此對高壓水射流割縫后縫槽周圍煤體卸壓特征進行研究，確定合理割縫布置參數具有重要意義。

1 高壓水射流割縫強化瓦斯抽采影響因素分析

隨著高壓水射流技術的發展，高壓水射流割縫強化瓦斯抽采技術是由常壓水經超高壓清水泵提供動力轉化成壓力可達100 MPa高壓水射流，高壓水射流隨鉆桿旋轉的過程中經噴嘴噴出沖擊煤體，煤體受到剪應力和拉應力的綜合作用，達到其屈服極限而發生破壞，破壞煤體隨尾水排出，形成扁平縫槽，縫槽的形成一方面增大煤層暴露面積，另一方面為處于原巖應力狀態下縫槽周圍煤體提供變形空間，示意如圖1所示。通過圖1可以看出，高壓水射流割縫強化瓦斯抽采效果主要受縫槽間距、縫槽寬度等因素的影響。

圖1 高壓水射流割縫瓦斯運移模型Fig.1 Model of gas migration with high pressure water jet slotting

1)縫槽間距是指高壓水射流割縫形成縫槽之間的垂直距離，即間距越小，100 m鉆孔長度卸壓次數越多。

2)縫槽寬度是指高壓水射流割縫煤屑排出以后為周圍煤體提供的縱向變形空間大小，縫槽寬度越寬，為周圍煤體提供的縱向變形空間越大。

因此，分析不同水力縫槽間距、寬度對抽采效果的現象，確定其合理的參數具有重要意義。

2 高壓水射流割縫工藝參數確定

為了確定高壓水射流割縫合理縫槽間距、寬度以達到最佳卸壓增透效果，以五輪山煤礦1809回采工作面為工程背景，采用FLAC3D數值模擬軟件建立三維空間數值模型，對不同縫槽間距、縫槽寬度條件下圍巖應力分布特征、塑性破壞規律進行研究[17]。依據其地質條件，分別建立縫槽間距為2，3，4 m，縫槽寬度50，100，150 mm，縫槽直徑2 m，鉆孔直徑0.1 m的高壓水射流割縫簡化模型，模型最外側圍巖建立圓柱體外環繞放射狀網格，考慮到其距離鉆孔較遠，只承受地應力作用，較難產生變形及破壞，因此網格設置較大；內側煤體建立柱形殼體網格，考慮到其距離鉆孔較近，容易產生變形及破壞，網格設置較小，模型中心部分是鉆孔模型。割縫模型頂部采用均布載荷，水平X,Y方向及豎直Z方向應力分別為8,12,11.5 MPa。求解選用Mohr-Coulumb力學模型，1809回采工作面頂底板煤巖層物理力學參數見表1。

表1 1809工作面頂底板巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata at roof and floor of 1809 working face

2.1 合理縫槽間距確定數值分析

高壓水射流割縫力學模型初始應力場平衡以后，施工割縫鉆孔，其后按照縫槽間距2，3，4 m對煤體進行切割，力學模型重新平衡以后塑性破壞特征如圖2所示。通過圖2可以看出，高壓水射流割縫以后塑性破壞主要發生在縫槽間煤體，基本不向外側延伸。當縫槽間距2 m時，割縫過程中高壓水射流沖擊擾動，致使割縫后兩縫槽中間煤體塑性破壞區域相互貫通，缺少彈性煤體支撐，增大割縫期間煤體壓鉆抱死風險，而且割縫以后容易塌孔，影響抽采效果，同時造成工程量浪費；當縫槽間距增加到3 m時，縫槽間塑性破壞區范圍減小，彈性核區開始出現，降低鉆孔塌孔程度；縫槽間距繼續增大到4 m時，塑性破壞區范圍基本不變，彈性核區漸漸增大，中間煤體無法受到卸壓縫槽的影響。

圖2 不同縫槽間距條件下的塑性破壞特征Fig.2 Plastic failure characteristics under different conditions of slot spacing

為便于分析割縫以后縫槽周圍煤體三向應力變化，沿Y方向(與鉆孔平行)與鉆孔間距0.5 m作直線AB為煤體三向應力觀測線(見圖1)。數值模擬完成以后提取煤體三向應力數據，經整理分析，縫槽間距2，3，4 m時煤體三向應力變化曲線結果如圖3所示，從圖3中可以看出，X方向水平應力不產生應力集中，Y方向水平應力出現卸壓，Z方向垂直應力出現集中現象。當縫槽間距2 m時，由縫槽引起的垂直應力集中區域相互疊加，不利于鉆孔周圍煤體的穩定，塌孔概率增加影響抽采效果；隨著縫槽間距增加到3，4 m時，在縫槽間煤體中存在由縫槽各自形成的應力集中區，但應力峰值在不斷減小，應力曲線由單峰曲線逐漸轉變為雙峰曲線，峰值中間煤體沒有卸壓。綜上分析：高壓水射流割縫合理的縫槽間距為3 m。

圖3 不同縫槽間距條件下煤體三向應力分布曲線Fig.3 Curves of three-dimensional stress distribution of coal body under different conditions of slot spacing

2.2 合理縫槽寬度確定數值分析

力學模型初始應力狀態平衡以后，分別按照縫槽寬度50,100,150 mm對煤體進行切割，重新平衡以后塑性區變化云圖如圖4所示，通過圖4可以看出，縫槽寬度較小時(50 mm)，縫槽周圍塑性破壞區域沿縱向(鉆孔方向)較小，僅有0.5 m左右，隨著縫槽寬度的增加(100 mm)，縫槽周圍塑性破壞區域沿縱向約0.8 m，當縫槽寬度增加到150 mm時，縫槽周圍塑性破壞區域沿縱向約1.0 m左右。圖5為縫槽周圍三向應力變化曲線，通過對圖5縫槽寬度50,100,150 mm的應力曲線分析發現，縫槽周圍煤體X,Y,Z方向應力都出現了不同程度的卸壓，應力向中間彈性核區轉移。通過對比分析，縫槽寬度越大，卸壓槽寬度越大，是由于縫槽寬度越大，高壓水射流割縫期間沖出了更多的煤量，縫槽體積增大為周圍煤體向縫槽移動提供了更大的空間，因此縫槽寬度越大，卸壓程度越高，越有利于瓦斯運移促進瓦斯抽采。但是割縫寬度主要受水射流噴嘴直徑、鉆機拖動鉆桿幅度及割縫時間等因素的影響，拖動鉆桿來改變縫槽寬度操作不便，GF-100清水泵為了保證泵壓可供選擇的最大噴嘴直徑為3 mm，割縫寬度可達100 mm。因此高壓水射流割縫合理縫槽寬度為100 mm。

圖4 不同縫槽寬度條件下的塑性區破壞分布云圖Fig.4 Cloud map of plastic area failure distribution under different conditions of slot width

圖5 不同縫槽寬度條件下三向應力重新分布變化曲線Fig.5 Variation curves of three-dimensional stress re-distribution under different conditions of slot width slotting in 1809 working face

3 高壓水射流割縫工藝及現場應用效果考察

五論山煤礦1809回采工作面區域運輸巷側預抽鉆孔于2018年5月16日開始施工，鉆孔施工到位以后采用GF-100型高壓水射流割縫設備按照確定第2節確定的合理割縫參數進行水力割縫，割縫壓力95～100 MPa，縫槽間距3 m，縫槽寬度100 mm(噴嘴直徑3 mm)，鉆孔間距4 m。

通過現場實驗，每刀割縫時間8～10 min，基本能割穿煤層(煤層厚度2 m左右)，每個鉆孔割縫完成后利用PE50管封孔連抽，然后匯流到108高負壓支管，支管瓦斯濃度流量采用自動計量裝置計量。本次實驗支管匯流了30個鉆孔，支管瓦斯純量和瓦斯濃度如圖6所示。由圖6可以看出，瓦斯抽采純量在0.7～1.1 m3/min，與相同鉆孔間距相同鉆孔量傳統普通鉆孔支管瓦斯純量相比，提高了2～4倍，瓦斯濃度在50%以上，也有較大幅度提升。

圖6 1809工作面水力割縫試驗鉆孔瓦斯抽采結果Fig.6 Gas extraction results of testing borehole with hydraulic

4 結論

1)工作面順層鉆孔采用高壓水射流割縫增大煤層暴露面積，提供煤體變形空間，縫槽周圍煤體依靠自身重力轉移了縫槽周圍煤體應力，降低了煤體瓦斯運移阻力。

2)通過對不同縫槽間距、寬度條件下應力演化規律和塑性破壞特征進行了數值模擬，確定了合理的工藝參數，即縫槽間距3 m，縫槽寬度100 mm。

3)通過現場試驗表明：高壓水射流割縫強化瓦斯抽采技術的實施，瓦斯流量和濃度明顯提升，自動計量支管瓦斯抽采純量在0.7～1.1 m3/min，瓦斯濃度在50%以上，抽采效率大大提高。