低渗煤层高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究*

2019-08-13刘志伟

中国安全生产科学技术 2019年7期

刘志伟

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引言

我国煤矿地质构造复杂，瓦斯灾害严重，改革开放以来，随着大量先进技术装备的研发应用，全国平均煤矿百万吨死亡率由1978年的9.436下降到2018年的0.1以下，煤矿安全生产形式有了大幅好转。但是随着开采深度的延伸，地应力增大，渗透率急剧下降，瓦斯压力及含量相应升高，高瓦斯、突出矿井数量增多，突出矿井危险系数增大，治理瓦斯灾害、充分利用资源仍然是当前及未来若干年内我国煤矿安全领域中的重大研究课题[1-3]。

高效瓦斯治理的关键技术措施在于卸压增渗强化促抽，经过长期的研究和大量实践，形成了多种煤层改造卸压增渗技术，主要有开采保护层、水力压裂[4-7]、水力冲孔[8-9]、水力割缝、三区联动抽采[10-11]等强化抽采技术。不同技术适应于不同瓦斯地质条件的煤层和矿区，保护层开采是多煤层井田区域防突首选的经济有效的技术，具有很好的卸压增渗作用，渗透率和瓦斯抽采效率大幅度提高。但是，对于开采单一煤层或首采煤层来讲，若要开采岩层作为其保护层，成本高，推广难；三区联动立体瓦斯抽采技术在渗透性较好的煤层中具有全面治理瓦斯的效果，但在低渗透煤层矿区，由于地面井抽采产量较低，不具备全面推广条件；水力压裂卸压增渗影响范围较大，在不少矿井获得了良好的应用效果，但很难保证控制范围内实现煤体均匀卸压、增渗而不留空白带，并且易诱发灾害事故的发生。

近年来随着高压水射流技术的发展，国内外学者对水力割缝卸压增透强化抽采技术进行了大量研究，张帅等[12]对超高水力割缝周围煤体渗透率提高程度进行了量化表征；刘厅等[13]基于孔隙结构测试方法的敏感性和精确性及液氮吸附法和压汞法测定原理系统研究了割缝预抽后钻孔周围煤体孔隙结构变化特征;黄飞等[14]对不同水射流冲击速度作用于砂岩破坏模式的影响进行了研究；林柏泉等[15]通过建立水力割缝煤体多场耦合模型，对水力割缝扰动裂隙圈、有效抽采半径进行了研究；沈春明等[16]对切槽煤岩试样裂纹扩展影响因素进行了研究，确定了合理的槽面与主应力夹角。

以上研究主要从水力割缝孔隙结构、裂纹扩展、射流速度特征等方面进行研究，针对水力割缝缝槽周围煤体卸压特征进行研究较少，因此对高压水射流割缝后缝槽周围煤体卸压特征进行研究，确定合理割缝布置参数具有重要意义。

1 高压水射流割缝强化瓦斯抽采影响因素分析

随着高压水射流技术的发展，高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术是由常压水经超高压清水泵提供动力转化成压力可达100 MPa高压水射流，高压水射流随钻杆旋转的过程中经喷嘴喷出冲击煤体，煤体受到剪应力和拉应力的综合作用，达到其屈服极限而发生破坏，破坏煤体随尾水排出，形成扁平缝槽，缝槽的形成一方面增大煤层暴露面积，另一方面为处于原岩应力状态下缝槽周围煤体提供变形空间，示意如图1所示。通过图1可以看出，高压水射流割缝强化瓦斯抽采效果主要受缝槽间距、缝槽宽度等因素的影响。

图1 高压水射流割缝瓦斯运移模型Fig.1 Model of gas migration with high pressure water jet slotting

1)缝槽间距是指高压水射流割缝形成缝槽之间的垂直距离，即间距越小，100 m钻孔长度卸压次数越多。

2)缝槽宽度是指高压水射流割缝煤屑排出以后为周围煤体提供的纵向变形空间大小，缝槽宽度越宽，为周围煤体提供的纵向变形空间越大。

因此，分析不同水力缝槽间距、宽度对抽采效果的现象，确定其合理的参数具有重要意义。

2 高压水射流割缝工艺参数确定

为了确定高压水射流割缝合理缝槽间距、宽度以达到最佳卸压增透效果，以五轮山煤矿1809回采工作面为工程背景，采用FLAC3D数值模拟软件建立三维空间数值模型，对不同缝槽间距、缝槽宽度条件下围岩应力分布特征、塑性破坏规律进行研究[17]。依据其地质条件，分别建立缝槽间距为2，3，4 m，缝槽宽度50，100，150 mm，缝槽直径2 m，钻孔直径0.1 m的高压水射流割缝简化模型，模型最外侧围岩建立圆柱体外环绕放射状网格，考虑到其距离钻孔较远，只承受地应力作用，较难产生变形及破坏，因此网格设置较大；内侧煤体建立柱形壳体网格，考虑到其距离钻孔较近，容易产生变形及破坏，网格设置较小，模型中心部分是钻孔模型。割缝模型顶部采用均布载荷，水平X,Y方向及竖直Z方向应力分别为8,12,11.5 MPa。求解选用Mohr-Coulumb力学模型，1809回采工作面顶底板煤岩层物理力学参数见表1。

表1 1809工作面顶底板岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata at roof and floor of 1809 working face

2.1 合理缝槽间距确定数值分析

高压水射流割缝力学模型初始应力场平衡以后，施工割缝钻孔，其后按照缝槽间距2，3，4 m对煤体进行切割，力学模型重新平衡以后塑性破坏特征如图2所示。通过图2可以看出，高压水射流割缝以后塑性破坏主要发生在缝槽间煤体，基本不向外侧延伸。当缝槽间距2 m时，割缝过程中高压水射流冲击扰动，致使割缝后两缝槽中间煤体塑性破坏区域相互贯通，缺少弹性煤体支撑，增大割缝期间煤体压钻抱死风险，而且割缝以后容易塌孔，影响抽采效果，同时造成工程量浪费；当缝槽间距增加到3 m时，缝槽间塑性破坏区范围减小，弹性核区开始出现，降低钻孔塌孔程度；缝槽间距继续增大到4 m时，塑性破坏区范围基本不变，弹性核区渐渐增大，中间煤体无法受到卸压缝槽的影响。

图2 不同缝槽间距条件下的塑性破坏特征Fig.2 Plastic failure characteristics under different conditions of slot spacing

为便于分析割缝以后缝槽周围煤体三向应力变化，沿Y方向(与钻孔平行)与钻孔间距0.5 m作直线AB为煤体三向应力观测线(见图1)。数值模拟完成以后提取煤体三向应力数据，经整理分析，缝槽间距2，3，4 m时煤体三向应力变化曲线结果如图3所示，从图3中可以看出，X方向水平应力不产生应力集中，Y方向水平应力出现卸压，Z方向垂直应力出现集中现象。当缝槽间距2 m时，由缝槽引起的垂直应力集中区域相互叠加，不利于钻孔周围煤体的稳定，塌孔概率增加影响抽采效果；随着缝槽间距增加到3，4 m时，在缝槽间煤体中存在由缝槽各自形成的应力集中区，但应力峰值在不断减小，应力曲线由单峰曲线逐渐转变为双峰曲线，峰值中间煤体没有卸压。综上分析：高压水射流割缝合理的缝槽间距为3 m。

图3 不同缝槽间距条件下煤体三向应力分布曲线Fig.3 Curves of three-dimensional stress distribution of coal body under different conditions of slot spacing

2.2 合理缝槽宽度确定数值分析

力学模型初始应力状态平衡以后，分别按照缝槽宽度50,100,150 mm对煤体进行切割，重新平衡以后塑性区变化云图如图4所示，通过图4可以看出，缝槽宽度较小时(50 mm)，缝槽周围塑性破坏区域沿纵向(钻孔方向)较小，仅有0.5 m左右，随着缝槽宽度的增加(100 mm)，缝槽周围塑性破坏区域沿纵向约0.8 m，当缝槽宽度增加到150 mm时，缝槽周围塑性破坏区域沿纵向约1.0 m左右。图5为缝槽周围三向应力变化曲线，通过对图5缝槽宽度50,100,150 mm的应力曲线分析发现，缝槽周围煤体X,Y,Z方向应力都出现了不同程度的卸压，应力向中间弹性核区转移。通过对比分析，缝槽宽度越大，卸压槽宽度越大，是由于缝槽宽度越大，高压水射流割缝期间冲出了更多的煤量，缝槽体积增大为周围煤体向缝槽移动提供了更大的空间，因此缝槽宽度越大，卸压程度越高，越有利于瓦斯运移促进瓦斯抽采。但是割缝宽度主要受水射流喷嘴直径、钻机拖动钻杆幅度及割缝时间等因素的影响，拖动钻杆来改变缝槽宽度操作不便，GF-100清水泵为了保证泵压可供选择的最大喷嘴直径为3 mm，割缝宽度可达100 mm。因此高压水射流割缝合理缝槽宽度为100 mm。

图4 不同缝槽宽度条件下的塑性区破坏分布云图Fig.4 Cloud map of plastic area failure distribution under different conditions of slot width

图5 不同缝槽宽度条件下三向应力重新分布变化曲线Fig.5 Variation curves of three-dimensional stress re-distribution under different conditions of slot width slotting in 1809 working face

3 高压水射流割缝工艺及现场应用效果考察

五论山煤矿1809回采工作面区域运输巷侧预抽钻孔于2018年5月16日开始施工，钻孔施工到位以后采用GF-100型高压水射流割缝设备按照确定第2节确定的合理割缝参数进行水力割缝，割缝压力95～100 MPa，缝槽间距3 m，缝槽宽度100 mm(喷嘴直径3 mm)，钻孔间距4 m。

通过现场实验，每刀割缝时间8～10 min，基本能割穿煤层(煤层厚度2 m左右)，每个钻孔割缝完成后利用PE50管封孔连抽，然后汇流到108高负压支管，支管瓦斯浓度流量采用自动计量装置计量。本次实验支管汇流了30个钻孔，支管瓦斯纯量和瓦斯浓度如图6所示。由图6可以看出，瓦斯抽采纯量在0.7～1.1 m3/min，与相同钻孔间距相同钻孔量传统普通钻孔支管瓦斯纯量相比，提高了2～4倍，瓦斯浓度在50%以上，也有较大幅度提升。