閆志銘

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

煤炭在中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)期處于核心地位，煤礦生產(chǎn)安全也始終是倍受關(guān)注的問(wèn)題。在多種井下事故中，煤與瓦斯突出是尤為嚴(yán)重的一種。突出的破壞性極大，可以在摧毀巷道、破壞井下設(shè)施設(shè)備的同時(shí)，造成不同程度的財(cái)產(chǎn)損失，甚至帶來(lái)人員傷亡[1]，是威脅生產(chǎn)安全的重要因素。

多年以來(lái)，大量學(xué)者著眼于突出發(fā)生發(fā)展機(jī)理的研究，并提出了多項(xiàng)有效的防突方案。在煤與瓦斯突出的理論指導(dǎo)下，不同的防突消突技術(shù)被用于不同條件的礦區(qū)，例如水力壓裂技術(shù)[2]、水力沖孔技術(shù)[3]、高壓水射流技術(shù)[4]、注氣抽采技術(shù)等[5-6]。

近年來(lái)，針對(duì)我國(guó)部分礦區(qū)煤層低滲難抽的特點(diǎn)，水力割縫技術(shù)被應(yīng)用到煤層的卸壓消突中，利用其可以增大裂隙空間、提高煤體滲透率、加速瓦斯解吸的特點(diǎn)，消除煤體應(yīng)力集中，增大瓦斯抽采速率。

為了研究掘進(jìn)頭水力割縫技術(shù)的效果，本文應(yīng)用COMSOL Multiphysics 仿真軟件，分別模擬了3孔抽采、5 孔抽采、3 縫抽采和5 縫抽采四種技術(shù)方案，分析了各技術(shù)方案實(shí)施過(guò)程中煤層瓦斯壓力和瓦斯抽采速度的變化規(guī)律，并對(duì)各技術(shù)方案的消突效果進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，為煤礦掘進(jìn)頭防突消突工作提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬設(shè)置

1.1 水力割縫增透原理

水力割縫技術(shù)的主要原理是：通過(guò)高壓水射流切割作用在煤體中切割出具有一定長(zhǎng)度和寬度的裂縫，裂縫周圍煤體在自重和地應(yīng)力作用下變形破壞，形成以割縫為中心的卸壓區(qū)，卸除煤體周圍的部分應(yīng)力，重整煤體周圍應(yīng)力分布，加速煤體變形破壞，增加煤體裂隙分布，提高煤體透氣性，加速瓦斯解吸，促使瓦斯流動(dòng)速度加快，最終達(dá)到卸壓增透的目的。

1.2 瓦斯流動(dòng)控制方程

水力割縫后，煤體的變形與線性彈性變形相近，進(jìn)而促使應(yīng)力場(chǎng)、瓦斯壓力發(fā)生變化，提高了煤體滲透率，提高了抽采量與抽采速度。假設(shè)煤體是彈性各向同性介質(zhì)，研究煤層為恒溫煤層，煤層瓦斯為理想氣體，不考慮鄰近煤巖層瓦斯的影響，則此時(shí)煤體形變?yōu)榫€性彈性形變，即遵守廣義胡克定律：

式中：λ、μ為拉梅常數(shù)；e為體積變形；δ為Kronecher 符號(hào)。

此時(shí)，若將慣性力忽略，煤體總應(yīng)力與體積應(yīng)力之間的關(guān)系為：

式中：σij,j為總應(yīng)力；fi為體積應(yīng)力。

煤體變形的幾何方程：

式中：εij為體積應(yīng)變；ui,j和uj,i分別為位移矢量。

水力割縫可有效改變煤體裂隙孔隙結(jié)構(gòu)，增大裂隙與孔隙體積，增加裂隙孔隙數(shù)量，進(jìn)而隨著裂隙場(chǎng)的擴(kuò)展重布，應(yīng)力場(chǎng)也發(fā)生了重新分布，進(jìn)一步地增拓了瓦斯?jié)B流的通道。此時(shí)的瓦斯流動(dòng)符合達(dá)西滲流規(guī)律。由于煤體孔隙率變化不大，設(shè)定孔隙率為常數(shù)，因此瓦斯在煤體中遵守的質(zhì)量守恒方程為：

式中：▽為哈密頓算子；ρ為瓦斯氣體密度；ug為瓦斯氣體流動(dòng)速度；Qm為瓦斯氣體流量。

不考慮重力的Darcy 速度流方程為：

式中：p為煤層瓦斯壓力；μ為瓦斯氣體粘度；k為煤層滲透率。

瓦斯在煤體中滲流的滲透率可由煤體有效體積應(yīng)力的指數(shù)函數(shù)表示：

式中：k0為初始滲透率；A為體積應(yīng)力影響系數(shù)；B為孔隙壓影響系數(shù)；Θ 為有效體積應(yīng)力。

由式（4）、（5）、（6）聯(lián)立得出：

1.3 幾何模型

煤層選用60 m×3 m×120 m 的長(zhǎng)方體幾何模型表示，壓裂試驗(yàn)巷道置于長(zhǎng)方體正中，選用幾何尺寸為4 m×3 m×120 m 的長(zhǎng)方體表示，模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。為了分析鉆孔數(shù)量和割縫方式對(duì)瓦斯抽采的影響，共設(shè)置了四種模擬方案：3 鉆孔抽采（如圖2a）、5 鉆孔抽采（如圖2b）、3 鉆孔割縫抽采（如圖2c）和5 鉆孔割縫抽采（如圖2d）。四種模擬方案中鉆孔直徑相同，均為0.1 m。模擬參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 模擬參數(shù)表

圖1 幾何模型網(wǎng)格劃分圖

圖2 掘進(jìn)巷迎頭鉆孔及割縫的數(shù)值模擬方案（m）

在各方案模擬過(guò)程中，將應(yīng)力載荷均布于模型的上方（X 方向），以模擬真實(shí)煤層的地應(yīng)力環(huán)境，上部載荷為10 MPa；將Y 軸軸向與Z 軸軸向的兩側(cè)邊界設(shè)為固定位移邊界；將鉆孔與割縫位置設(shè)為自由位移邊界。模型的外部邊界為滲流等勢(shì)邊界。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 抽采過(guò)程中瓦斯壓力變化規(guī)律

3 孔模型與5 孔模型瓦斯抽采等值線圖分別如圖3（a）和圖3（b）所示，3 縫與5 縫模型的抽采壓力等值線圖如圖3（c）與圖3（d）所示。可見(jiàn)，對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行鉆孔瓦斯抽采，可有效降低鄰近煤體的瓦斯壓力，但在相同瓦斯壓降下，3 孔模型與5 孔模型的瓦斯壓降區(qū)域面積差異小，說(shuō)明增加鉆孔數(shù)量對(duì)增加試驗(yàn)面的抽采卸壓效果有限。與5孔模型相比，割縫后環(huán)繞鉆孔區(qū)域的瓦斯壓力明顯降低。由此可見(jiàn)，與普通鉆孔抽采瓦斯相比，即使鉆孔數(shù)較少，水力割縫仍能顯著降低煤體瓦斯壓力，取得較好的煤層突出消除效果。對(duì)比3 縫和5 縫的模擬結(jié)果，可見(jiàn)當(dāng)瓦斯壓降程度相當(dāng)時(shí)，5 縫模型的瓦斯壓降范圍大于3 縫模型，說(shuō)明5 縫模型的瓦斯抽采效果優(yōu)于3 縫模型，5 縫壓裂的突出消除作用更強(qiáng)。

掘進(jìn)工作面單向沿巷水力割縫與鉆場(chǎng)聯(lián)合掘進(jìn)工作面水力割縫條件下的煤層瓦斯壓力分布等值線圖（X=1.6 m，YZ 平面）如圖4。結(jié)果表明，掘進(jìn)面單向沿巷水力割縫后，僅在掘進(jìn)面區(qū)域內(nèi)形成了一個(gè)矩形的卸壓區(qū)。而鉆場(chǎng)聯(lián)合掘進(jìn)面進(jìn)行割縫后的卸壓區(qū)域?yàn)槁?lián)合鉆孔割縫所共同形成的梯形區(qū)域。這表明，聯(lián)合割縫的作用范圍更廣，煤體在割縫后的卸壓區(qū)域更大，對(duì)避免兩幫瓦斯的涌入有較好的作用，可有效減少兩幫瓦斯水平，對(duì)試驗(yàn)面煤體的卸壓效果良好。

圖4 不同割縫方式氣體壓力等值線圖

2.2 瓦斯抽采速度變化

掘進(jìn)面單向沿巷水力割縫與鉆場(chǎng)聯(lián)合掘進(jìn)面水力割縫條件下的瓦斯抽采速度演變規(guī)律如圖5 所示。在前0～50 d，聯(lián)合水力割縫方案實(shí)施后煤體的瓦斯抽采速度由430 m3/d 降低至150 m3/d，而掘進(jìn)面單向沿巷水力割縫煤體的抽采速度在50 m3/d 左右波動(dòng)。

圖5 兩種方案的煤層瓦斯抽采速度比較

由上可知，在抽采前期，掘進(jìn)面單向沿巷水力割縫煤體瓦斯抽采量增加速度較快，隨著抽采的持續(xù)進(jìn)行，掘進(jìn)面鄰近煤體的瓦斯含量逐漸降低，兩側(cè)煤幫的氣體滲透流速緩慢，導(dǎo)致抽采總量增加速度明顯減緩；而聯(lián)合水力割縫后的煤體抽采瓦斯過(guò)程中，由于兩側(cè)煤幫梯形區(qū)域內(nèi)的氣體滲透流速較快，瓦斯持續(xù)不斷涌入掘進(jìn)面的抽采孔中，使得抽采總量的增速平穩(wěn)。因此，與掘進(jìn)面單向沿巷水力割縫相比，鉆場(chǎng)聯(lián)合掘進(jìn)面水力割縫可以更有效地提高煤體瓦斯抽采率及抽采速度，降低工作面突出易發(fā)性，有效保障掘進(jìn)面的穩(wěn)定施工。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)工作面為華陽(yáng)集團(tuán)新元公司31011 回風(fēng)巷掘進(jìn)面，結(jié)合數(shù)值模擬的分析結(jié)果，確定了如圖6所示的水力割縫方案。

圖6 鉆孔布置方案平面圖（m）

現(xiàn)場(chǎng)抽采試驗(yàn)結(jié)果表明，新元煤礦31011 回風(fēng)巷道掘進(jìn)頭水力割縫抽采孔在20 d 抽采周期內(nèi)總流量的均值為0.998 m3/min，未割縫的普通孔在20 d的周期內(nèi)總流量均值僅降低至0.148 9 m3/min。水力割縫抽采孔在20 d 抽采期內(nèi)瓦斯抽采濃度平均值為40.18%，僅進(jìn)行鉆孔抽采的掘進(jìn)段在20 d 工作周期內(nèi)鉆孔抽采濃度的均值僅有9.85%。水力割縫抽采孔的總流量平均值與瓦斯抽采濃度平均值均顯著高于普通抽采孔。可見(jiàn)，對(duì)巷道掘進(jìn)面煤體進(jìn)行水力割縫，可以有效地對(duì)掘進(jìn)頭煤層進(jìn)行消突，并可以有效提高巷道掘進(jìn)速度。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)水力割縫卸壓消突技術(shù)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)采用水力割縫技術(shù)后，煤體在水力沖擊的作用后發(fā)生破碎，形成了大面積卸壓區(qū)域，從而提高了煤體滲透率，改變了煤體的應(yīng)力分布，達(dá)到有效的消突防突目的。

（2）通過(guò)對(duì)比3 孔割縫與5 孔割縫的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5 孔割縫的卸壓效果更明顯，瓦斯壓力下降更顯著，瓦斯抽采速度更高。

（3）現(xiàn)場(chǎng)割縫抽采試驗(yàn)結(jié)果表明，水力割縫抽采孔的總流量平均值與瓦斯抽采濃度平均值均顯著高于普通抽采孔。可見(jiàn)，對(duì)巷道掘進(jìn)面煤體進(jìn)行水力割縫，可以有效地對(duì)掘進(jìn)頭煤層進(jìn)行消突，并可以有效提高巷道掘進(jìn)速度。