不同水力割缝布置方式对卸压防突效果影响数值模拟

唐巨鹏，杨森林，李利萍

（辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

0 引言

煤与瓦斯突出是井下煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象［1］。它能在极短的时间内，向巷道或采场空间抛出大量煤炭，同时喷出瓦斯，造成重大人员伤亡和财产损失，威胁煤矿安全生产。随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，我国多数煤矿相继进入深部开采阶段，深部煤层表现出显著的“高地应力、高孔隙压、高温度和低渗透性”特征，煤与瓦斯突出等动力灾害愈趋严重。目前，防治煤与瓦斯突出主要采用排放钻孔的方法，深部煤层卸压预抽瓦斯是降低瓦斯灾害的主要措施［2］。但由于煤层透气性低，导致排放钻孔密度大，抽放半径较小，施工工期长。针对此问题，国内外相关专家学者提出了多种防突措施。主要有：深孔预裂爆破、水力冲孔、煤层注水、水力割缝、水力压裂等。深孔预裂爆破能够使钻孔底部形成表面积较大孔穴，但若装药不能满足要求，易诱导突出发生［3］。水力冲孔、煤层注水一般在瓦斯压力大的松软煤层能够取得较好效果，但由于钻孔直径较大，钻孔时存在塌孔、夹钻以及施工操作复杂等缺点［4，5］。水力割缝技术属于一种新型射孔完井技术，赵岚等［6］研究了在固 -气耦合作用下，通过水力割缝释放低渗透煤层的部分有效体积应力，使部分煤层在割缝后发生垮落，应力场重新分布；王婕、林柏泉［7］模拟了割缝排放低透气性煤层内瓦斯的过程，验证了割缝排放煤层内瓦斯是降低低透气性煤层煤与瓦斯突出危险的有效方式；唐建新、贾剑青［8］按照高压水射流技术应用的原理，设计了应用于抽采钻孔中切割煤体的高压水射击流装置，并在现场对喷嘴和射流器进行了试验；宋维源等［9］从水力割缝技术致煤层应力变化角度，将理论分析和数值模拟方法相结合，根据渗流力学平面径向流理论，分析给出了水力割缝技术增透抽采瓦斯原理；林柏泉等［10］通过对钻孔周围应力分布的研究，指出“瓶塞效应”是制约其影响范围的主要因素，割缝可以消除此效应；张其智，林柏泉等［11］通过现场实验和数值模拟方法得出，煤体水力割缝后割缝钻孔起始瓦斯抽采量是普通钻孔的2.5倍，且在考察时间内割缝孔的抽采流量远大于普通孔，提高了瓦斯抽采效率；沈春明，林柏泉等［12］基于高压水射流割缝卸压增透技术，对割缝后瓦斯抽采和煤体透气性的变化进行研究，模拟计算了割缝后煤体卸压影响范围的变化特性。由此可见，考虑水力割缝布置方式对深部煤层卸压防突效果影响的研究还未有报道。本文针对平顶山某煤矿深部开采特征，建立了三维有限元模型，用数值分析方法模拟了不同水力割缝布置方式对深部煤层卸压防突的影响规律，通过比较，给出了卸压效果较好的交错式水力割缝布置方式，研究结果可为现场煤与瓦斯突出的防治提供一些参考。

1 水力割缝横向深度确定

水力割缝技术是利用割缝设备两侧喷头射出高压水射流，通过不断冲击煤层表面，使得煤碎屑不断剥落，煤体缝隙不断加深，直至达到临界深度，引起煤体结构破坏，最终工作面前方煤体得到充分卸压，同时排放瓦斯，从而消除煤与瓦斯突出危险，保证煤矿安全生产。高压水射流最大切割横向深度决定了煤体卸压范围和效果，若忽略流体粘性和重力，则其公式为［13］：

式中：Er——煤层弹性模量（MPa）；ρr、cr分别为煤层密度和声速（kg/m3），（m/s）；

ρm、cm——射流流体密度和声速（kg/m3），（m/s）；

σd——动强度极限（MPa）；

ν0——喷嘴出口速度（m/s）；

b——射流进入接触煤体后的高度（m）。

该突出煤层参数为：Er=10GPa，ρr=1380kg/m3，cr=2692m/s，ρm=1000kg/m3，cm=1400m/s，σd=15.8MPa，ν0=210m/s，b=0.0045m。计算得到单侧最大切割深度为xmax=2.37m，卸压范围可达4.74m。

2 水力割缝模型建立

以平顶山某煤矿某开采工作面为例，建立三维有限元模型（图1）。采面标高为-720m。

图1 三维有限元模型Fig.1 Three dimentional finite element model

数值模拟模型尺寸参数取值：长、宽、高均为30m，顶、底板厚度13m，煤层厚度4m，割缝横向剖面简化为矩形，经公式（1）计算得到该煤层最大水力割缝横向深度为4.74m，考虑实际水力割缝横向切割深度受地质条件、割缝工艺等影响，取水力割缝切割深度为4m，宽0.2m，割缝纵向深度为10m。模型底面、Z向侧面施以固定约束，顶面、X向侧面均施以均布载荷，其垂直应力为16MPa，水平应力为22.4MPa。煤层及顶板、底板力学参数如表1所示。

图2 割缝前应力云图Fig.2 Stress contour before cutting seam

3 数值模拟计算

3.1 水力割缝前应力分布

开采煤层标高为-720m，处于深部开采阶段，割缝前煤层附近 X向应力呈扇形辐射状递增（图2（a）），应力值为8.84～11.7MPa，煤层左右端面深色区域产生压应力集中区，应力最大值为34.7MPa；割缝前Y向应力以煤层为中心向外辐射成椭圆形变化（图 2（b）），应力值为 12.8～13.6MPa。

图4 三种水力割缝布置方式下应力曲线图Fig.4 Stress curves of three kinds of cutting arrangement

表1 模型力学参数Table 1 Mechanical parameters of model

割缝前对煤层应力场分布规律分析表明：尽管煤层水平应力（即X向应力）和垂直应力（即Y向应力）均小于顶底板应力，但局部区域由于上覆岩层垂直应力和地质构造水平应力形成的高地应力场长期作用，深煤层更趋于松软破碎，部分煤体应力得到初步释放，应力场重新分布，形成了新的应力集中区。因此开采深部突出煤层时，必须一方面对应力集中区进行采前有效卸压，释放煤体集中应力，另一方面预抽瓦斯，降低深煤层瓦斯压力，才能保证煤矿安全生产。水力割缝技术就是采前通过对煤层布孔割缝，人为制造深达煤体十几米甚至几十米的立体孔缝网络，从而达到既充分释放煤体集中应力，使应力场重新分布，对煤体卸压，又沟通了突出煤层瓦斯解吸、运移、抽采的通道，为煤与瓦斯突出的防治提供保障。

3.2 不同水力割缝布置方式卸压效果模拟

水力割缝布置方式是影响煤层卸压防突效果的重要因素，因此对平行、菱形和交错三种不同水力割缝布置方式下煤层应力变化进行了数值模拟。相同的割缝参数为：割缝数量均取为4条（上下各2条），割缝横向距离均为6m，纵向距离均为2m。分析在同一煤层、同等割缝数量条件下，三种水力割缝布置方式对煤层卸压情况，通过比较，选择合理割缝布置方式。由图3数值模拟结果可知，三种水力割缝布置方式均具有较好的卸压效果，但卸压区范围有较大差异。通过比较可知，交错式水力割缝布置方式卸压区范围基本覆盖整个煤层，而平行布置与菱形布置方式的割缝卸压影响区范围产生重叠，没有充分发挥水力割缝卸压优势。取不同水力割缝布置方式卸压云图右侧不同颜色区域所对应数值为应力观测区值，分别为1～9观测区，画出三种布置方式下X向、Y向应力观测区与应力值关系曲线图。由图4（a）可知，三种布置方式下X向应力变化差别不大，曲线变化趋势基本一致。观测区8为应力降最大区域，可以看出菱形与交错排列水力割缝布置方式卸压效果较为明显，卸压区域应力降分别为97.5％和91.6％，而平行布置方式仅为72.4％。由图4（b）可以得出，三种布置方式下Y向应力中菱形布置方式平均应力值比其他两种方式都大，因此菱形布置方式卸压效果最不理想。除此之外，交错布置方式应力降为97.8％，而平行与菱形布置方式分别为56.6％和87.5％。综合以上分析可以得出，交错式水力割缝布置方式既可以满足卸压范围的需要，又能够较好的释放深部煤层应力，其与平行和菱形布置方式相比，卸压效果更为理想。

4 结论

（1）割缝前对煤层应力场分布规律分析表明：由于深煤层更趋于松软破碎，部分煤体应力得到初步释放，应力场重新分布，形成了新的应力集中区。因此开采深部突出煤层时，必须一方面对应力集中区进行采前有效卸压，释放煤体集中应力，另一方面预抽瓦斯，降低深煤层瓦斯压力，才能保证煤矿安全生产；

（2）相同割缝参数下，不同水力割缝布置方式对煤层卸压效果数值模拟表明：三种水力割缝布置方式（平行、菱形、交错）均具有较好卸压效果，但对煤层卸压区范围有很大差异。比较分析可知，交错式水力割缝布置方式不但卸压效果显著，而且卸压区范围波及最大，卸压效果比其它两种更为理想。

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