岳劉杰，齊慶杰

(1.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 應(yīng)急科學(xué)研究院，北京 100013)

0 引言

中國(guó)煤炭開(kāi)采多數(shù)采用井工開(kāi)采，隨著地球淺層資源的稀缺，資源轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采已成為常態(tài)化。伴隨煤炭開(kāi)采水平的持續(xù)加大，煤炭所處的地質(zhì)狀況變得更加復(fù)雜，開(kāi)采危險(xiǎn)程度增大，治理礦井動(dòng)力災(zāi)害及煤與瓦斯突出問(wèn)題變得日益嚴(yán)重[1]。近年來(lái)，深部煤層所具有的低透氣性逐漸被人們重視，增加煤層透氣性的研究已成為瓦斯防治領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外關(guān)于增加低透氣性煤層透氣性的技術(shù)主要有：鉆孔卸壓法[2]、開(kāi)采保護(hù)層法[3 -4]、爆生氣體卸壓法[5]和高能液體擾動(dòng)法[6 -7]。盧義玉等[8]提出采用地面鉆井的方法和水力割縫聯(lián)合的煤層增透卸壓方法，提高煤層透氣性來(lái)促進(jìn)瓦斯抽采。余巖等[9]通過(guò)對(duì)中高壓水力割縫煤層增透方法的分析，得出高壓水力割縫增透效果強(qiáng)于中壓水力割縫增透效果。劉生龍等[10]應(yīng)用RFPA2D-Flow模擬得出采用3條水力割縫使用折線交錯(cuò)排列方式時(shí)，水力割縫的聯(lián)通程度最高，提高透氣性效果最好。孫振敏[11]應(yīng)用FLAC3D軟件針對(duì)平寶煤礦展開(kāi)水力割縫研究，確定出最優(yōu)參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，使平寶煤礦進(jìn)尺效率得到了有效提升。

為得出適用于平頂山礦區(qū)具體增透抽采參數(shù)，本文以平頂山礦區(qū)十礦為研究對(duì)象，采用COMSOL多物理學(xué)軟件對(duì)高壓水力割縫后抽采參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定平頂山十礦高壓水力割縫最優(yōu)參數(shù)。

1 水力割縫原理

高壓水力割縫技術(shù)[12 -13]是在煤體內(nèi)部提前施工一個(gè)預(yù)抽鉆孔，使用高壓水射流沖擊切割鉆孔側(cè)壁的煤體，在煤體中形成一個(gè)類似于小巷道的扁平形狀的圓盤形的縫槽，縫槽受到地應(yīng)力的作用，其四周煤體產(chǎn)生不均勻沉降，在煤體內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，從而達(dá)到增透消突的目的，具體割縫卸壓形式如圖1所示。

圖1 水力割縫卸壓增透示意Fig.1 Schematic diagram of hydraulic slotting pressure relief and permeability enhancement

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立和參數(shù)設(shè)置

為了確定高壓水力割縫增透后最佳抽采負(fù)壓、鉆孔間距。依據(jù)己15 -16-24130工作面現(xiàn)場(chǎng)情況建立幾何模型，如圖2所示。建立模型60 m×30 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高)幾何模型，在模型中布置長(zhǎng)度為30 m的鉆孔，鉆孔施工高度為1.5 m，中心孔具體位置為X=0，Y=30，Z=1.5，在鉆孔中部布置割裂1 m×1 m(寬×深)的割裂孔。設(shè)置原始瓦斯壓力p0=2.2 MPa，原始滲透率k0=7.6e-16，抽采負(fù)壓為p=-30 kPa，抽采孔直徑為d=0.094 m。

2.2 煤層增透后合理抽采負(fù)壓

抽采負(fù)壓大小對(duì)瓦斯抽采有極大的影響，抽采負(fù)壓大小決定瓦斯抽采效率。因此，分別對(duì)-20 kPa、-25 kPa、-30 kPa、-35 kPa抽采負(fù)壓進(jìn)行研究。煤層增透后選取瓦斯壓力p1=1.8 MPa，滲透率k1=1.09×10-15m2，鉆孔直徑選取0.094 m，抽采時(shí)間150 d。

圖2 幾何模型建立Fig.2 Geometric model establishment

合理抽采負(fù)壓研究中采用觀察煤層殘余瓦斯壓力來(lái)判定消突效果。如圖3所示，在不同抽采負(fù)壓的情況下，割縫區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力下降最明顯，其區(qū)域內(nèi)消突效果最好。總體來(lái)看，抽采負(fù)壓為-20 kPa時(shí)，抽采瓦斯壓力雖有所下降但是其下降幅度不大，鉆孔間消突范圍是貫通的，但其范圍較小。伴隨抽采負(fù)壓的加大，消突范圍逐步加大，消突范圍內(nèi)瓦斯壓力顯著降低。由此得出，提高抽采負(fù)壓有利于提高瓦斯抽采半徑，擴(kuò)大消突范圍。

從圖4可得，隨著抽采負(fù)壓的逐漸增大，其消突范圍也隨之逐步增大，-20 kPa時(shí)，消突范圍區(qū)域?yàn)?6.78～43.2 m，共消突26.42 m；-25 kPa時(shí)，消突范圍區(qū)域?yàn)?6.37～43.6 m，共消突27.23 m；-30 kPa時(shí)，消突范圍區(qū)域?yàn)?5.88～44.05 m，共消突28.13 m；-35 kPa時(shí)，消突范圍區(qū)域?yàn)?5.46～44.53 m，共消突29.07 m?？傮w來(lái)看，消突范圍伴隨著負(fù)壓的加大，其范圍也逐步加大。抽采負(fù)壓在-20～-30 kPa范圍內(nèi)時(shí)，消突范圍區(qū)域增長(zhǎng)趨勢(shì)較大，分別為0.81 m、0.9 m，負(fù)壓由-30 kPa增加到-35 kPa時(shí)其消突范圍增長(zhǎng)0.94 m，增長(zhǎng)速度放緩，同時(shí)考慮負(fù)壓過(guò)大不利于封孔的實(shí)施。因此，選擇抽采負(fù)壓為-30 kPa為增透后最佳抽采負(fù)壓。

圖3 煤層增透后不同抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯壓力的影響Fig.3 Influence of different extraction negative pressures on gas pressure after coal seam

圖4 抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯壓力及消突范圍的影響Fig.4 Influence of extraction negative pressure on gas pressure and outburst elimination range

2.3 煤層增透后鉆孔布置間距

為了增強(qiáng)煤層增透后的消突效果，進(jìn)一步研究不同鉆孔布置間距對(duì)煤層增透的影響作用。基于2.2節(jié)得出的最佳抽采負(fù)壓為-30 kPa，在相同鉆孔參數(shù)下對(duì)鉆孔布置間距分別為2 m、4 m、6 m、8 m進(jìn)行模擬優(yōu)化，得到如圖5和圖6所示。

由圖5、6可知，抽采負(fù)壓為-30 kPa時(shí)，鉆孔間距布置為2 m、4 m、6 m消突范圍均連續(xù)，無(wú)消突空白帶；布置間距條件為8 m時(shí)，鉆孔消突區(qū)域出現(xiàn)空白帶不連續(xù)。其它條件相同的情況下，鉆孔布置間距越小則消突范圍內(nèi)瓦斯壓力降低的越多，抽采效果越好。布置間距條件為2 m時(shí)，消突區(qū)域?yàn)?3.7～36.3 m，共消突12.6 m；布置間距條件為4 m時(shí)，消突區(qū)域?yàn)?0.08～39.98 m，共消突19.9 m；布置間距條件為6 m時(shí)，消突區(qū)域?yàn)?5.88～44.05 m，共消突28.13 m。綜上所述，鉆孔合理布置間距應(yīng)小于8 m，考慮經(jīng)濟(jì)效益，鉆孔間距最大化，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，故需進(jìn)一步對(duì)6～8 m范圍進(jìn)一步考查，確定最佳間距。

3 高壓水力割縫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

由上得到最佳鉆孔布置間距在6～8 m，為了進(jìn)一步得到具體的數(shù)值，在己15 -16-24130工作面進(jìn)風(fēng)巷開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，共布置5組鉆孔，分別為距停采線30 m的6 m間距割裂孔、距停采線80 m的7 m間距割裂孔、距停采線130 m的8 m間距割裂孔的試驗(yàn)組，以及距停采線190 m的4 m普通抽采孔、距停采線230 m的6 m普通抽采孔2組對(duì)照組。在具體實(shí)施過(guò)程中高壓液泵額定最大壓力是60 MPa，在高壓水力割縫施工中，為了預(yù)防過(guò)大的壓力引起憋孔、噴孔，故采用分步加壓的方法。水力割縫技術(shù)施工完成后，對(duì)割裂孔進(jìn)行封孔并將其連接到抽采系統(tǒng)中，對(duì)割裂孔內(nèi)的瓦斯參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，依據(jù)平頂山礦區(qū)十礦的生產(chǎn)狀況以及數(shù)值模擬得出的結(jié)論，選擇抽采負(fù)壓為-30 kPa開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)抽采試驗(yàn)，對(duì)割裂孔抽采1個(gè)月，隨后對(duì)割裂區(qū)域內(nèi)消突效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖5 鉆孔間距對(duì)瓦斯壓力的影響Fig.5 Influence of drilling spacing on gas pressure

圖6 鉆孔間距對(duì)瓦斯壓力及消突范圍的影響Fig.6 Influence of drilling spacing on gas pressure and outburst elimination range

考察消突效果使用殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量2個(gè)指標(biāo)。具體方式為在6 m間距割裂孔、7 m間距割裂孔、8 m間距割裂孔及4 m間距普通孔、6 m間距普通孔兩鉆孔中點(diǎn)處布置檢驗(yàn)孔，每組布置4個(gè)檢驗(yàn)孔，具體布置方式如圖7所示。檢驗(yàn)孔施工完成后立即封孔測(cè)其150 d內(nèi)瓦斯壓力變化，并在抽采150 d后使用WP-1型瓦斯含量快速測(cè)定儀直接測(cè)定殘余瓦斯含量。

圖7 檢驗(yàn)鉆孔布置Fig.7 Layout of inspection drilling hole

首先對(duì)殘余瓦斯壓力進(jìn)行考察，封孔后測(cè)各個(gè)檢驗(yàn)鉆孔150 d內(nèi)的殘余瓦斯壓力，將各組內(nèi)4個(gè)鉆孔壓力值取平均值，測(cè)定結(jié)果如圖8所示。

圖8 各檢驗(yàn)孔殘余瓦斯壓力Fig.8 Residual gas pressure of each inspection hole

由圖8可以看出，對(duì)煤層開(kāi)展水力割縫后瓦斯壓力在150 d內(nèi)大幅下降，割縫間距6 m效果最好。150 d下降為0.3 MPa，割縫后抽采63 d即達(dá)到防突規(guī)定的0.74 MPa以下。隨著割縫距離的增大瓦斯下降的速度變緩，割縫間距7 m時(shí)，抽采127 d達(dá)到防突要求，割縫間距8 m時(shí)，抽采150 d為0.8 MPa未達(dá)到規(guī)定值。未進(jìn)行割縫時(shí)，普通抽采孔4 m間距布置時(shí)，抽采142 d達(dá)到防突規(guī)定值，抽采150 d壓力為0.71 MPa，普通抽采孔6 m間距布置時(shí)，抽采150 d壓力為1.18 MPa遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)定，通過(guò)對(duì)比割縫與未割縫鉆孔的瓦斯壓力可以看出。實(shí)施水力割縫后煤體的瓦斯壓力得到極大地降低，6 m和7 m間距的割縫孔達(dá)到防突規(guī)定，相比未割縫的4 m間距普通抽采孔大幅減少了工程量。

抽采150 d后使用WP-1型瓦斯含量快速測(cè)定儀直接測(cè)定檢驗(yàn)孔中的殘余瓦斯含量，由于鉆孔數(shù)量多數(shù)據(jù)量龐大，在各組4個(gè)檢驗(yàn)孔中選出最具代表性的鉆孔，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 檢驗(yàn)孔殘余瓦斯含量

由表1可以看出，6 m間距割縫孔消突效果最好，抽采150 d后殘余瓦斯壓力下降為4.97 m3/t；7 m間距割縫孔抽采150 d下降為5.43 m3/t，8 m間距割縫孔抽采150 d下降為7.95 m3/t，4 m間距普通抽采孔抽采150 d下降為7.24 m3/t，均滿足防突規(guī)定瓦斯含量應(yīng)小于8 m3/t的防突要求。6 m間距普通抽采孔抽采150 d后其殘余瓦斯含量為8.55 m3/t沒(méi)有達(dá)到防突要求。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)煤層使用高壓水力割縫技術(shù)增透后，隨著抽采負(fù)壓的逐漸增大，其消突范圍也隨之逐步增大，負(fù)壓由-30 kPa增加到-35 kPa時(shí)其消突范圍增長(zhǎng)速度放緩，同時(shí)考慮負(fù)壓過(guò)大不利于封孔的實(shí)施，所以選擇抽采負(fù)壓為-30 kPa為增透后最佳抽采負(fù)壓。

(2)在抽采負(fù)壓為-30 kPa下，鉆孔間距布置為2 m、4 m、6 m時(shí)消突范圍均連續(xù)，無(wú)消突空白帶；8 m間距布置條件下，鉆孔消突區(qū)域出現(xiàn)空白帶不連續(xù)，鉆孔合理布置間距應(yīng)小于8 m，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定最佳布置間距為7 m。

(3)對(duì)比割縫與未割縫鉆孔的瓦斯壓力和瓦斯含量可以看出，實(shí)施水力割縫后煤體的瓦斯壓力和瓦斯含量得到極大地降低，7 m間距的割縫孔達(dá)到防突規(guī)定，相比未割縫的4 m間距普通抽采孔大幅減少工程量。