松軟低透煤層高壓水射流破煤增透技術研究

梁建明, 吳瓊

（1.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西呂梁033602；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點試驗室，遼寧撫順113122）

0 引 言

隨著煤礦開采深度不斷加深，開采強度不斷加大，由于深度軟巖的地應力影響，對深度軟巖煤層的瓦斯防治應從地應力及瓦斯壓力方面考慮[1]。開采深度的增加以及瓦斯壓力的持續(xù)增大，對于單一煤層的透氣性逐漸降低，不具備開采條件。我國高瓦斯礦井有90%以上煤層均屬于高瓦斯低透氣性煤層，透氣性只有10-3～10-4mD左右，比美國低將近4個數(shù)量級[2]。

國內外學者專家對低透氣性煤層的研究采用的方法大致分為兩類：一類是水力化措施，如水力壓裂、水力割縫、深孔爆破等方式；另一類是物理化學方式，如井下脈沖放電、超聲波、惰性氣體置換、酸性處理等[3]。寶坤等[4]基于煤層賦存條件，通過數(shù)值模擬軟件對水力沖孔方式卸壓煤體應力以及增加煤層透氣性進行分析，得出水力沖孔鉆孔周圍煤體透氣性變化及分布規(guī)律。周西華等[5]以馬堡煤礦作為研究背景，對高瓦斯低透氣性煤層進行研究，采用RFPA 2D-Flow模擬軟件對水力壓裂增透進行分析，得出增透后裂隙的發(fā)展規(guī)律，通過現(xiàn)場試驗增透前后透氣性的比較，得出增透后有良好的透氣作用。魏緣等[6]通過水力化措施對卸壓后的煤層區(qū)域進行劃分，大致劃分為原始瓦斯壓力區(qū)、瓦斯壓力過渡區(qū)、瓦斯排放區(qū)、瓦斯充分釋放區(qū)4個區(qū)域，并通過數(shù)值模擬軟件對其排放機理進行研究。王兆豐等[7]以羅卜安煤礦為工程背景，通過水力沖孔措施對松軟低透氣性煤層進行區(qū)域消突，效果顯著，單孔沖煤量可達6.8 t，有效抽采半徑可達2～4倍。這些方法雖然可以增加煤巖的透氣性系數(shù)，但若在松軟低透氣性煤層用該法增透，受松軟破碎煤質的影響很難維持裂隙的穩(wěn)定性[8-10]。

基于松軟煤層的煤質特點，本文提出高壓水射流破煤方法，高壓水射流具有能量集中、無火花、降塵等優(yōu)點，最早是在1961年由Singh和Hartman提出應力波破碎理論用于巖石破壞和失穩(wěn)[11-12]。

1 理論研究

根據(jù)準靜態(tài)彈性破碎理論，高壓水射流對煤巖產生高壓沖擊力。根據(jù)彈性力學理論，將巖石看做半彈性體，當高壓射流沖擊巖石的應力作用超過巖石的抗拉、抗壓、抗剪強度時，巖石發(fā)生失穩(wěn)破壞，在高壓水射流沖擊區(qū)域會出現(xiàn)剪應力集中，在與高壓水射流接觸區(qū)域會出現(xiàn)拉應力，進而發(fā)生剪切破壞和拉壓破壞[13]。根據(jù)密實核-劈拉破巖原理，把高壓水射流破煤過程假想是剛體以一定的初動能壓入到巖石內部的無限體，模型簡化圖如圖1所示。當巖石發(fā)生剪切拉壓破壞后，內部裂隙發(fā)育擴展到接觸面，在接觸面處產生密實核，隨著外界壓力不斷增大，密度增大，能量升高，然后膨脹釋放能量，達到抗拉強度時，發(fā)生拉伸破壞產生裂隙[14-15]。

1）根據(jù)密實核-劈拉破巖理論對巖石裂隙發(fā)育擴展及壓力分布有如下關系：

式中：pc為巖石破碎壓力，MPa；τs為抗剪強度，MPa；μ為泊松比。

2）巖石損傷破碎體積為

式中，r為沖擊域半徑，m。

3）巖石破碎所需能量為

U=kτs2V/E。

式中：k= ｛64(1－μ) [(3.5－μ)(1+d)1/2]}%/ ｛3π [0.5－μ+0.315(1+μ)3/2]% }；d為水射流直徑，mm；E為彈性模量，MPa。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

對高壓的水射流采用SPH算法，材料模型選用Mat-Null材料，狀態(tài)方程選擇Grueisen方程，根據(jù)水射流模擬經(jīng)驗及水射流材料參數(shù)，各相關參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)及Grueisen狀態(tài)方程參數(shù)

水射流SPH粒子模型如圖2所示，模型半徑為40 mm，截面分布90個粒子，軸線長度為200 mm，劃分60層，水射流SPH粒子總數(shù)5000個。沖擊煤體模型參數(shù)如表2所示。

根據(jù)模擬尺寸，將煤巖體模型尺寸設置為300 mm×300 mm×300 mm，模型中包括28 000個單元和929 863個節(jié)點，模型建立如圖2所示。

表2 沖擊煤體模型材料參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬過程

高壓水泵噴射出的水射流經(jīng)過噴嘴可加速形成大的動能，沖擊煤體進而破碎煤體，經(jīng)過噴射嘴的水流速度可超過200 m/s，本次模擬選擇噴射的水射流速度為200 m/s，對水射流破煤過程中不同的作用時間進行模擬分析，對高壓水射流與煤作用時間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 ms的破煤狀態(tài)如圖3所示。

2.3 結果分析

在水射流剛經(jīng)噴嘴噴出時，破煤形成的破碎坑體幾何形狀較為規(guī)整，水流分散程度較低，當高壓水射流與煤作用時間為0.5 ms時，形成破碎坑體深度約為68 mm，隨著高壓水射流向煤體深部推進，水射流與煤體相互作用力增強，隨著作用時間逐漸延長，水射流的分散程度逐漸增大，當沖擊時間為1.0 ms時，水射流沖擊的坑底寬度的幾何尺寸逐漸變大，當作用時間為1.5 ms時，沖擊形成的坑底寬度達到200 mm，隨之形成的坑底部增幅的加速度逐漸變小，部分水流在底部積聚，煤體發(fā)生損傷破壞的單元數(shù)維持定值，隨著后續(xù)水流的不斷增加，能量不斷升高，會繼續(xù)對煤體進行損傷破壞，造成高壓水射流形成的坑體幾何尺寸持續(xù)增大，進而破壞煤體，達到增透效果。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 礦井概況

斜溝煤礦主要開采8#煤和13#煤，井田面積為88.6 km2，東西寬約4.5 km，南北長約22 km。8#煤厚平均厚度為4.70 m，平均傾角為9.4°，透氣性系數(shù)為0.01416 m2/(MPa2·d)，屬于低透性煤層。18205工作面長度是264 m，走向長度是2800 m，采用U形上行通風方式，瓦斯涌出量是14.15 m3/min，導致上隅角、工作面瓦斯?jié)舛容^大，嚴重制約著工作面的快速開采。

3.2 現(xiàn)場開展情況

試驗地點為18205材料巷，鉆孔開孔高度約為0.8 m，向孔內加壓注水，在巷道前方分別施工本煤層9個鉆孔，對鉆孔分別編號，其中5#鉆孔為輔助抽采鉆孔，其余鉆孔均為高壓造穴鉆孔。將高壓密封鉆桿鉆進設計深度，將水泵站壓力調至20 MPa，每后退10 m進行一次切割煤體沖孔造穴作業(yè)，多次沖孔直到無大量煤體沖出為止。

對工程過程進行統(tǒng)計，單次沖孔時間約為30 min，沖出煤量約為0.9～2.3 t，推算造穴半徑為0.38～0.78 m，總鉆孔累計沖出煤量65 t，平均每個造穴孔洞沖煤量1.2 t，試驗過程中未出現(xiàn)噴孔和瓦斯超限現(xiàn)象。

3.3 試驗結果

高壓水射流造穴結束布置抽采管路進行瓦斯抽采，選取4#孔進行瓦斯?jié)舛燃俺椴闪康挠^測，抽采過程瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪咳鐖D5所示。在抽采過程中，瓦斯最高濃度可達到92%，平均瓦斯抽采濃度約為48.6%，鉆孔累計抽采瓦斯純量約為42 598.13 m3，單孔瓦斯平均抽采純量約為0.168 m3/min，單孔平均瓦斯抽采濃度為12.12%，與之前未進行高壓水射流沖孔造穴比，平均瓦斯抽采濃度提高3.2倍，平均抽采純量提高7.3倍。

4 結 論

1）通過理論分析出高壓水射流破煤的力學特性，并計算出高壓水射流的沖擊力分布。

2）采用SPH-FEM數(shù)值模擬建立高壓水射流破煤模型，并模擬高壓水射流破煤過程，分別對高壓水射流與煤體接觸不同時間進行模擬，模擬結果表明：高壓水射流沖擊煤體形成的坑體最大寬度可達200 mm，部分水流在底部積聚，隨著后續(xù)高壓水射流的不斷補充，能量積聚，達到煤體可承載最大剪切強度時，煤體發(fā)生損傷破壞，進而達到增透效果。

3）現(xiàn)場試驗表明：通過應用高壓水射流技術，瓦斯最高濃度可達到92%，鉆孔累計抽采瓦斯純量約為42 598.13 m3，與之前未進行高壓水射流沖孔造穴比，平均瓦斯抽采濃度提高3.2倍，平均抽采純量提高7.3倍。