梁建明, 吳瓊

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

0 引 言

隨著煤礦開采深度不斷加深，開采強(qiáng)度不斷加大，由于深度軟巖的地應(yīng)力影響，對深度軟巖煤層的瓦斯防治應(yīng)從地應(yīng)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(gè)數(shù)量級(jí)[2]。

國內(nèi)外學(xué)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(xué)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(yīng)力以及增加煤層透氣性進(jìn)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(jìn)行研究，采用RFPA 2D-Flow模擬軟件對水力壓裂增透進(jìn)行分析，得出增透后裂隙的發(fā)展規(guī)律，通過現(xiàn)場試驗(yàn)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(jìn)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(gè)區(qū)域，并通過數(shù)值模擬軟件對其排放機(jī)理進(jìn)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(jìn)行區(qū)域消突，效果顯著，單孔沖煤量可達(dá)6.8 t，有效抽采半徑可達(dá)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(zhì)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(zhì)特點(diǎn)，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(diǎn)，最早是在1961年由Singh和Hartman提出應(yīng)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(zhǔn)靜態(tài)彈性破碎理論，高壓水射流對煤巖產(chǎn)生高壓沖擊力。根據(jù)彈性力學(xué)理論，將巖石看做半彈性體，當(dāng)高壓射流沖擊巖石的應(yīng)力作用超過巖石的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生失穩(wěn)破壞，在高壓水射流沖擊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，在與高壓水射流接觸區(qū)域會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生剪切破壞和拉壓破壞[13]。根據(jù)密實(shí)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(dòng)能壓入到巖石內(nèi)部的無限體，模型簡化圖如圖1所示。當(dāng)巖石發(fā)生剪切拉壓破壞后，內(nèi)部裂隙發(fā)育擴(kuò)展到接觸面，在接觸面處產(chǎn)生密實(shí)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(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生拉伸破壞產(chǎn)生裂隙[14-15]。

1）根據(jù)密實(shí)核-劈拉破巖理論對巖石裂隙發(fā)育擴(kuò)展及壓力分布有如下關(guān)系：

式中：pc為巖石破碎壓力，MPa；τs為抗剪強(qiáng)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(yàn)及水射流材料參數(shù)，各相關(guān)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(gè)粒子，軸線長度為200 mm，劃分60層，水射流SPH粒子總數(shù)5000個(gè)。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(shè)置為300 mm×300 mm×300 mm，模型中包括28 000個(gè)單元和929 863個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(dòng)能，沖擊煤體進(jìn)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(shí)間進(jìn)行模擬分析，對高壓水射流與煤作用時(shí)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(jié)果分析

在水射流剛經(jīng)噴嘴噴出時(shí)，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(dāng)高壓水射流與煤作用時(shí)間為0.5 ms時(shí)，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(jìn)，水射流與煤體相互作用力增強(qiáng)，隨著作用時(shí)間逐漸延長，水射流的分散程度逐漸增大，當(dāng)沖擊時(shí)間為1.0 ms時(shí)，水射流沖擊的坑底寬度的幾何尺寸逐漸變大，當(dāng)作用時(shí)間為1.5 ms時(shí)，沖擊形成的坑底寬度達(dá)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(huì)繼續(xù)對煤體進(jìn)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(jìn)而破壞煤體，達(dá)到增透效果。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

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(fēng)方式，瓦斯涌出量是14.15 m3/min，導(dǎo)致上隅角、工作面瓦斯?jié)舛容^大，嚴(yán)重制約著工作面的快速開采。

3.2 現(xiàn)場開展情況

試驗(yàn)地點(diǎn)為18205材料巷，鉆孔開孔高度約為0.8 m，向孔內(nèi)加壓注水，在巷道前方分別施工本煤層9個(gè)鉆孔，對鉆孔分別編號(hào)，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(jìn)設(shè)計(jì)深度，將水泵站壓力調(diào)至20 MPa，每后退10 m進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單次沖孔時(shí)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(jì)沖出煤量65 t，平均每個(gè)造穴孔洞沖煤量1.2 t，試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)噴孔和瓦斯超限現(xiàn)象。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

高壓水射流造穴結(jié)束布置抽采管路進(jìn)行瓦斯抽采，選取4#孔進(jìn)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(dá)到92%，平均瓦斯抽采濃度約為48.6%，鉆孔累計(jì)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(jìn)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(jié) 論

1）通過理論分析出高壓水射流破煤的力學(xué)特性，并計(jì)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(shí)間進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明：高壓水射流沖擊煤體形成的坑體最大寬度可達(dá)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(bǔ)充，能量積聚，達(dá)到煤體可承載最大剪切強(qiáng)度時(shí)，煤體發(fā)生損傷破壞，進(jìn)而達(dá)到增透效果。

3）現(xiàn)場試驗(yàn)表明：通過應(yīng)用高壓水射流技術(shù)，瓦斯最高濃度可達(dá)到92%，鉆孔累計(jì)抽采瓦斯純量約為42 598.13 m3，與之前未進(jìn)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。