松软低透煤层高压水射流破煤增透技术研究

梁建明, 吴琼

（1.山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁033602；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；3.煤矿安全技术国家重点试验室，辽宁抚顺113122）

0 引 言

随着煤矿开采深度不断加深，开采强度不断加大，由于深度软岩的地应力影响，对深度软岩煤层的瓦斯防治应从地应力及瓦斯压力方面考虑[1]。开采深度的增加以及瓦斯压力的持续增大，对于单一煤层的透气性逐渐降低，不具备开采条件。我国高瓦斯矿井有90%以上煤层均属于高瓦斯低透气性煤层，透气性只有10-3～10-4mD左右，比美国低将近4个数量级[2]。

国内外学者专家对低透气性煤层的研究采用的方法大致分为两类：一类是水力化措施，如水力压裂、水力割缝、深孔爆破等方式；另一类是物理化学方式，如井下脉冲放电、超声波、惰性气体置换、酸性处理等[3]。宝坤等[4]基于煤层赋存条件，通过数值模拟软件对水力冲孔方式卸压煤体应力以及增加煤层透气性进行分析，得出水力冲孔钻孔周围煤体透气性变化及分布规律。周西华等[5]以马堡煤矿作为研究背景，对高瓦斯低透气性煤层进行研究，采用RFPA 2D-Flow模拟软件对水力压裂增透进行分析，得出增透后裂隙的发展规律，通过现场试验增透前后透气性的比较，得出增透后有良好的透气作用。魏缘等[6]通过水力化措施对卸压后的煤层区域进行划分，大致划分为原始瓦斯压力区、瓦斯压力过渡区、瓦斯排放区、瓦斯充分释放区4个区域，并通过数值模拟软件对其排放机理进行研究。王兆丰等[7]以罗卜安煤矿为工程背景，通过水力冲孔措施对松软低透气性煤层进行区域消突，效果显著，单孔冲煤量可达6.8 t，有效抽采半径可达2～4倍。这些方法虽然可以增加煤岩的透气性系数，但若在松软低透气性煤层用该法增透，受松软破碎煤质的影响很难维持裂隙的稳定性[8-10]。

基于松软煤层的煤质特点，本文提出高压水射流破煤方法，高压水射流具有能量集中、无火花、降尘等优点，最早是在1961年由Singh和Hartman提出应力波破碎理论用于岩石破坏和失稳[11-12]。

1 理论研究

根据准静态弹性破碎理论，高压水射流对煤岩产生高压冲击力。根据弹性力学理论，将岩石看做半弹性体，当高压射流冲击岩石的应力作用超过岩石的抗拉、抗压、抗剪强度时，岩石发生失稳破坏，在高压水射流冲击区域会出现剪应力集中，在与高压水射流接触区域会出现拉应力，进而发生剪切破坏和拉压破坏[13]。根据密实核-劈拉破岩原理，把高压水射流破煤过程假想是刚体以一定的初动能压入到岩石内部的无限体，模型简化图如图1所示。当岩石发生剪切拉压破坏后，内部裂隙发育扩展到接触面，在接触面处产生密实核，随着外界压力不断增大，密度增大，能量升高，然后膨胀释放能量，达到抗拉强度时，发生拉伸破坏产生裂隙[14-15]。

1）根据密实核-劈拉破岩理论对岩石裂隙发育扩展及压力分布有如下关系：

式中：pc为岩石破碎压力，MPa；τs为抗剪强度，MPa；μ为泊松比。

2）岩石损伤破碎体积为

式中，r为冲击域半径，m。

3）岩石破碎所需能量为

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为水射流直径，mm；E为弹性模量，MPa。

2 数值模拟

2.1 模型建立

对高压的水射流采用SPH算法，材料模型选用Mat-Null材料，状态方程选择Grueisen方程，根据水射流模拟经验及水射流材料参数，各相关参数如表1所示。

表1 材料参数及Grueisen状态方程参数

水射流SPH粒子模型如图2所示，模型半径为40 mm，截面分布90个粒子，轴线长度为200 mm，划分60层，水射流SPH粒子总数5000个。冲击煤体模型参数如表2所示。

根据模拟尺寸，将煤岩体模型尺寸设置为300 mm×300 mm×300 mm，模型中包括28 000个单元和929 863个节点，模型建立如图2所示。

表2 冲击煤体模型材料参数

2.2 数值模拟过程

高压水泵喷射出的水射流经过喷嘴可加速形成大的动能，冲击煤体进而破碎煤体，经过喷射嘴的水流速度可超过200 m/s，本次模拟选择喷射的水射流速度为200 m/s，对水射流破煤过程中不同的作用时间进行模拟分析，对高压水射流与煤作用时间为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 ms的破煤状态如图3所示。

2.3 结果分析

在水射流刚经喷嘴喷出时，破煤形成的破碎坑体几何形状较为规整，水流分散程度较低，当高压水射流与煤作用时间为0.5 ms时，形成破碎坑体深度约为68 mm，随着高压水射流向煤体深部推进，水射流与煤体相互作用力增强，随着作用时间逐渐延长，水射流的分散程度逐渐增大，当冲击时间为1.0 ms时，水射流冲击的坑底宽度的几何尺寸逐渐变大，当作用时间为1.5 ms时，冲击形成的坑底宽度达到200 mm，随之形成的坑底部增幅的加速度逐渐变小，部分水流在底部积聚，煤体发生损伤破坏的单元数维持定值，随着后续水流的不断增加，能量不断升高，会继续对煤体进行损伤破坏，造成高压水射流形成的坑体几何尺寸持续增大，进而破坏煤体，达到增透效果。

3 现场试验

3.1 矿井概况

斜沟煤矿主要开采8#煤和13#煤，井田面积为88.6 km2，东西宽约4.5 km，南北长约22 km。8#煤厚平均厚度为4.70 m，平均倾角为9.4°，透气性系数为0.01416 m2/(MPa2·d)，属于低透性煤层。18205工作面长度是264 m，走向长度是2800 m，采用U形上行通风方式，瓦斯涌出量是14.15 m3/min，导致上隅角、工作面瓦斯浓度较大，严重制约着工作面的快速开采。

3.2 现场开展情况

试验地点为18205材料巷，钻孔开孔高度约为0.8 m，向孔内加压注水，在巷道前方分别施工本煤层9个钻孔，对钻孔分别编号，其中5#钻孔为辅助抽采钻孔，其余钻孔均为高压造穴钻孔。将高压密封钻杆钻进设计深度，将水泵站压力调至20 MPa，每后退10 m进行一次切割煤体冲孔造穴作业，多次冲孔直到无大量煤体冲出为止。

对工程过程进行统计，单次冲孔时间约为30 min，冲出煤量约为0.9～2.3 t，推算造穴半径为0.38～0.78 m，总钻孔累计冲出煤量65 t，平均每个造穴孔洞冲煤量1.2 t，试验过程中未出现喷孔和瓦斯超限现象。

3.3 试验结果

高压水射流造穴结束布置抽采管路进行瓦斯抽采，选取4#孔进行瓦斯浓度及抽采量的观测，抽采过程瓦斯浓度及瓦斯抽采量如图5所示。在抽采过程中，瓦斯最高浓度可达到92%，平均瓦斯抽采浓度约为48.6%，钻孔累计抽采瓦斯纯量约为42 598.13 m3，单孔瓦斯平均抽采纯量约为0.168 m3/min，单孔平均瓦斯抽采浓度为12.12%，与之前未进行高压水射流冲孔造穴比，平均瓦斯抽采浓度提高3.2倍，平均抽采纯量提高7.3倍。

4 结 论

1）通过理论分析出高压水射流破煤的力学特性，并计算出高压水射流的冲击力分布。

2）采用SPH-FEM数值模拟建立高压水射流破煤模型，并模拟高压水射流破煤过程，分别对高压水射流与煤体接触不同时间进行模拟，模拟结果表明：高压水射流冲击煤体形成的坑体最大宽度可达200 mm，部分水流在底部积聚，随着后续高压水射流的不断补充，能量积聚，达到煤体可承载最大剪切强度时，煤体发生损伤破坏，进而达到增透效果。

3）现场试验表明：通过应用高压水射流技术，瓦斯最高浓度可达到92%，钻孔累计抽采瓦斯纯量约为42 598.13 m3，与之前未进行高压水射流冲孔造穴比，平均瓦斯抽采浓度提高3.2倍，平均抽采纯量提高7.3倍。