煤层高压水力割缝增透技术地质条件适用性探讨

龙威成，孙四清，郑凯歌，王 博，黑 雪

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054）

煤层高压水力割缝增透技术地质条件适用性探讨

龙威成，孙四清，郑凯歌，王 博，黑 雪

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054）

我国煤层透气性差，煤层瓦斯预抽难度大，提高煤层透气性是提高瓦斯抽采效果的关键，煤层高压水力割缝增透技术的应用取得较好的效果，但因矿井地质条件的差异，也存在部分矿区应用效果不理想的情况。通过理论分析、数值模拟和工程实例，研究了不同地质条件下高压水力切割煤层后地应力、煤层位移的变化规律，采用储层数值模拟软件进一步研究了水力切割后钻孔的产气效果，分析了国内工程应用效果。研究结果表明，煤层高压水力割缝增透技术能有效提高煤层透气性能，大幅提升瓦斯抽采效果；在煤层较厚、瓦斯含量大、煤体碎软及低渗的煤层中应用效果更为显著。

高压水力割缝；地质条件；适用性；数值模拟

0 引言

瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯问题、利用瓦斯清洁能源和缓解大气温室效应的有效措施。瓦斯抽采技术在我国煤矿中应用广泛，取得了很好的效果。但我国煤层地质条件复杂，煤层透气性差，煤层瓦斯预抽难度大，提高煤层透气性是提高瓦斯抽采效果的关键[1-3]。目前，用于煤矿瓦斯抽采的煤层增透措施主要有深孔预裂爆破、水力压裂和水力扩孔等措施[4-5]，每一种强化激励措施使用过程中均不同程度受到多种因素的制约，推广使用也受到了一定的限制。高压水射流切割技术是近年来迅速发展起来的新型冷切割工艺，相对于其他热切割工艺，具有良好的切割、磨削、冲蚀、粉碎功能，且没有切割热，能排除热变质、热变形的可能性，同时水射流切割比其他常规的切割方法更为经济、有效。由于高压水射流切割是在常温下进行，切割时无火花、无尘、无味、无气体产生，切割时不会使切割体产生大量的位移和变形。尽管高压水射流割缝技术迅速发展，其推广应用受到各行各业的高度关注，在地面应用比较成熟。但将其引入煤矿井下，对煤层瓦斯抽采钻孔进行高压水射流切割，仍需要开展大量研究工作。国内外许多专家学者对于高压水射流割缝技术做了大量研究[6-10]，并在许多矿区进行了工程实践，取得了较好的效果。射流喷嘴射出的水流压力达到30 MPa及以上，高压水流能迅速在煤层中切割出缝隙，造成煤层煤体卸压，有效提高煤层瓦斯抽采量，缩短瓦斯抽采达标时间，但因为矿井地质条件的差异，水力割缝技术也存在部分矿区应用效果不理想的情况，因此水力割缝增透技术在不同地质条件下的适用性也需要进一步研究。鉴于此，本文对井下煤层水力割缝增透技术适用的地质条件进行研究，并选择典型矿井进行技术应用考察，以期为井下煤层水力割缝增透技术的推广应用提供技术支撑。

1 煤层水力割缝增透机理

资料表明，增大抽采钻孔的孔径，增加抽采孔的长度均能提高抽采孔产量，但在实际工作中，抽采孔孔径和长度增加有限，其效果不理想。相比较而言，改造煤层透气性对于提高煤层瓦斯抽采效率更为有效。煤层透气性大小不仅取决于煤层结构，还与煤层应力和其中流体压力有关，其关系式如下[11]：

式中：K为煤层渗透率，cm2/（MPa·s）；K0为煤层原始渗透率，cm2/（MPa·s）；α为系数，取决于煤层裂隙状态；σ为煤层应力，MPa；p为流体孔隙压力，MPa。

由（1）式可知，对于特定煤层而言，煤层渗透率与应力成反比关系，即煤层应力越小，煤层渗透率越大。通过开采解放层或本煤层割缝等措施，使煤层变形破裂，降低作用在煤体上应力，可有效改善煤层透气性。

煤层高压水力割缝增透技术是指在井下采用高压水流在钻孔内切割煤层，利用高压水流的切割、冲击作用，使钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，煤体内形成扁平缝槽空间，在地压作用下，煤体向缝槽空间移动，增加煤体中的裂隙，大幅度地增加了瓦斯的运移通道，改善煤层中的瓦斯流动状态[12-13]。水力切割形成的缝槽，相当于在煤层中开采一层极薄的保护层，形成煤层卸压区，达到增加煤层透气性的效果。

2 水力割缝增透效果数值模拟

由于高压水力割缝技术主要依靠水力破煤达到割缝的目的，因此煤体抗破坏能力是割缝效果的关键，为了表述方便，文中提出了硬煤和软煤概念，硬煤是指煤层煤体较完整、煤的坚固性系数较大（f值一般大于0.5）的煤层，软煤是指煤层煤体碎软、煤的坚固性系数较小（f值一般小于0.5）的煤层。为了考察水力割缝技术对硬煤、软煤在钻孔及水力割缝的影响下力学及变形的分布特征，选择FLAC3D作为模拟依托进行数值模拟。

2.1 模型边界及参数

考虑模拟实验的有效性和已有工程实践等因素，本次选择某矿区主采煤层为计算对象，通过现场资料收集和文献查阅等方式获取建模数据（表1），并确定仿真模型。煤层钻孔开挖沿y方向即煤层走向进行，建立模型尺寸为长50 m×倾向宽16 m×垂直方向10 m，煤层厚度取5 m。在计算范围内取煤层平均埋深400 m。

表1 模拟所需物理参数Table 1 Numerical simulation needed physical parameters

模型边界：为了消除边界效应，在模型走向上，钻孔前端边界为10 m，倾向两端留7 m边界。力学边界：模型下端采用全部约束，左右侧面分别约束x方向位移，前后侧面约束y方向位移，上端面为自由端。模型顶面受到上覆地应力作用，根据岩体自重计算公式（P=γH）计算获得上覆岩层初模型外垂直应力为10 MPa。

本次主要针对水力切割分别在软煤及硬煤煤层中施工后对煤层应力及变形特征的影响效果进行模拟。切割环厚设定为0.05 m，切割半径为0.5 m，钻孔直径按照常规施工钻孔的直径，即94 mm，根据岩体自重计算公式（P=γH）计算获得上覆岩层初模型外垂直应力为10 MPa。

2.2 模拟结果分析

根据前述参数建立的模型，模拟获得了钻孔实施0.5 m切割环下软煤和硬煤的应力及变形的效果。软煤中水力切割钻孔应力应变效果见图1、图2，常规钻孔本身、硬煤中切割钻孔切割0.5 m缝隙的煤体卸压及变形效果统计见表2。

图1 软煤中水力切割钻孔应力分布效果图Figure 1 Resultant of soft coal hydraulic slotting borehole stress distribution

图2 软煤中水力切割钻孔应变效果图Figure 2 Resultant of soft coal hydraulic slotting borehole straining

表2 数值模拟结果统计Table 2 Statistics of numerical simulated results

图1、图2为模拟软煤中切割0.5 m半径切割环的应力和变形分布效果图，分析可知：软煤中实施0.5 m的切割环时，其卸压范围为垂向上9.8 m，比钻孔本身的影响范围显著增大，另外压力降低到90%的范围增大至4.1 m；水力切割环施工后，上部变形最大值增大至3.5 mm，下部变形增大至3 mm，且下部变形范围由钻孔时的1 m增大至3 m，上部变形范围由1 m增至4.8 m，且其范围是切割缝本身直径的7.8倍左右。

从表2可看出，同样是施工0.5 m半径的切割环，硬煤中垂向上卸压范围为4.4 m，软煤中垂向上卸压范围为9.8 m，后者约为前者的2.2倍；硬煤中最大变形量为0.12 mm，软煤中最大变形量为3.5 mm，后者约为前者的29倍。

由数值模拟结果分析可知，无论是在软煤还是硬煤中，施工钻孔高压水力切割措施，其钻孔应力卸压范围及煤体变形量均比常规钻孔有所增加；软煤中应力及变形的影响范围均大于硬煤。

3 水力割缝钻孔抽采产能数值模拟

为了分析研究煤层高压水力割缝增透后瓦斯抽采的效果，借助计算机进行了钻孔水力切割前后瓦斯抽采产能数值模拟[14-15]。考虑到不同煤质对于高压水力割缝增透技术的应用效果，选择具有代表性的中硬煤层（晋城）和松软煤层（淮北）进行数值模拟实验。

采用高压水力割缝增透技术对煤层进行改造，高压泵水压设定为30 MPa，硬煤中切割煤层形成长度为700 mm、高度为20 mm的缝槽，煤体充分卸压，煤层渗透率由原始的2.06 mD增大到4.12 mD（参考水力切割煤层应力释放范围模拟实验取值），钻孔抽采影响半径达到3 m；软煤中煤层渗透率由改造前的0.68 mD增大到2.18 mD（参考吴海进，林柏泉等人在淮北芦岭矿试验），钻孔抽采影响半径达到5 m。通过模拟计算，获得了常规钻孔和水力切割钻孔365天内单孔瓦斯抽采纯流量及抽采纯瓦斯总量数据，见图3。

图3 煤层水力切割前后抽采纯瓦斯流量和抽采纯瓦斯总量变化Figure 3 Drained net gas flow and total drained net gas flow variation before and after slotting

由图3（a）可知，硬煤中水力切割钻孔抽采纯瓦斯流量和抽采总量均比常规钻孔有了显著增加，在水力切割措施实施后的几天内，抽采纯瓦斯流量急剧上升达到峰值，尔后迅速下降。此现象表明，中硬煤层中瓦斯释放速度快，煤体坚硬难破碎，实施高压水力切割改造煤层程度有限。根据数据统计，水力切割钻孔抽采纯瓦斯流量约为常规钻孔的1.0～2.2倍，考察期内切割孔抽采纯瓦斯总量约为常规钻孔抽采量的1.8倍。

由图3（b）可知，软煤中水力切割钻孔抽采纯瓦斯流量比常规钻孔有了显著增加，同样在水力切割措施实施后的几天内，抽采纯瓦斯流量急剧上升，但相比硬煤，其峰值持续时间较长，曲线下降趋势较缓，随着抽采时间延长而趋于平稳。此现象表明，松软煤层中瓦斯流动速度较慢，煤体易切割出缝槽，甚至在高压水冲刷下容易扩大槽穴，增大煤体暴露面积并增加卸压范围，因此实施高压水力切割改造煤层效果较好。根据数据统计，考察期内切割孔单孔抽采瓦斯纯流量约为常规孔的1.3～8.3倍；单孔瓦斯抽采总量约为常规钻孔抽采量的2.7倍。

综上所述，无论硬煤或软煤中，煤层高压水力割缝增透技术均能够改善煤储层瓦斯流动环境，提高瓦斯抽采速度和抽采量。相对而言，水力割缝措施在松软煤层中的应用对于改造煤层增透和提高瓦斯抽采效果更为显著。此产能模拟结果也验证了煤体应力及变形数值模拟试验结果的正确性。

4 水力割缝增透工程实践考察分析

笔者统计了平煤十二矿、淮北芦岭矿等部分国内煤矿水射流割缝煤层增透的实例[16-19]，资料显示煤层高压水力割缝增透技术目前主要应用于煤层瓦斯抽采和煤层消突等方面，分析发现：

（1）高压水力割缝增透技术改造煤层的效果与切割设备能力有关，水压越大，切割煤层缝槽规模越大，越有利于煤层卸压与瓦斯流动。如鸡西城山煤矿高压水力切割试验，水压由20 MPa增至40 MPa，割缝深度由180 mm增大到970 mm。但由于受煤矿井下条件、增大水压带来的高能量损失和设备体积过于庞大等问题限制，增大高压水射流切割水压的条件有限。

（2）水力割缝增透技术在松软煤层或构造煤软分层中应用，相较于硬煤中应用，改造煤层和抽采瓦斯效果更为显著。在淮北芦岭矿试验，8、9煤坚固性系数为0.1～0.3，应用高压水射流切割煤层后，煤层透气性约为原始煤层的1.95～3.2倍，30天考察期内割缝孔日抽采纯量最大达到未割缝钻孔的11倍，抽采纯总量为7.64倍。在重庆盐井一矿试验，煤层极其松软，坚固性系数f值0.01～0.22，应用高压水射流切割煤层后，孔口瓦斯浓度提高1.5倍以上，单孔瓦斯流量提高接近5倍。

（3）水射流切割技术在煤层厚度较大、瓦斯含量较高的煤层中应用效果更为显著。统计的实践工程资料，煤层厚度均在3 m以上，瓦斯含量均大于10 m3/t。如在平煤十二矿的试验，煤层厚度3.6m，瓦斯含量达到22 m3/t，应用高压水射流切割煤层后，钻孔影响范围达到15 m（普通孔2～3 m），流量衰减周期延长7～10倍，瓦斯抽采量提高6～8倍。

资料统计表明，煤层高压水力割缝增透技术较适用于煤层较厚、瓦斯含量大、煤体碎软及低渗的煤层，使用该技术能够有效改造煤层透气性能，大幅提升瓦斯抽采和防突效果。

5 结论

煤层钻孔中施工0.5 m半径的切割环，通过应力应变模拟试验，硬煤中垂向上卸压范围为4.4 m，软煤中垂向上卸压范围为9.8 m，后者约为前者的2.2倍；硬煤中最大变形量为0.12 mm，软煤中最大变形量为3.5 mm，后者约为前者的29倍。产能模拟试验表明，硬煤中切割孔抽采纯瓦斯总量约为常规钻孔抽采量的1.8倍，而在软煤中，前者约为后者的2.7倍。数值模拟试验和工程应用考察均表明，煤层高压水力割缝增透技术能有效增大钻孔周围煤体卸压范围，提高煤层透气性能，改善煤层瓦斯流动通道，大幅提升瓦斯抽采效果；相对而言，煤层高压水力割缝增透技术在煤层较厚、瓦斯含量大、煤体碎软及低渗的煤层中应用效果更为显著。

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Probe into Geological Condition Adaptability in Coal Seam High Pressure Hydraulic Slotting Permeability Enhancement

Long Weicheng,Sun Siqing,Zheng Kaige,Wang Bo and Hei Xue
(Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi’an Shaanxi 710054)

Because of poor coal seam gas permeability in the country will cause difficulties in predrainage,thus to improve permeability is the crux in the issue.The application of coal seam high pressure hydraulic slotting technology can achieve good results,since the dif⁃ferent mine geological conditions;the application effect in part of mine areas is still unsatisfactory.Through theoretical analysis,numer⁃ical simulation and project example analysis have studied ground stress,coal seam displacement variation pattern after hydraulic slot⁃ting under different geological conditions.Using the reservoir numerical simulation software,further studied borehole gas production ef⁃fect and analyzed application effect in domestic projects.The result has shown that the technology can enhance coal seam gas permea⁃bility effectively,greatly enhance gas drainage effect.The application of the technology in thick,large gas content,cracked soft coal mass and low permeability coal seams will achieve more significant effect.

high pressure hydraulic slotting;geological condition;adaptability;numerical simulation

TD723.32

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.07

1674-1803(2017)03-0037-04

国家科技重大专项（2011ZX05041-003-004-003）、中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目（2016XAYMS08）资助

龙威成（1982—），男，广西博白人，硕士，副研究员，注册安全工程师，从事煤矿瓦斯灾害预测与治理、煤层气测试及开发研究工作。

2016-11-24

责任编辑：宋博辇