不同水力割縫布置方式對卸壓防突效果影響數(shù)值模擬

唐巨鵬，楊森林，李利萍

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

煤與瓦斯突出是井下煤礦生產(chǎn)中遇到的一種極其復(fù)雜的礦井瓦斯動力現(xiàn)象［1］。它能在極短的時間內(nèi)，向巷道或采場空間拋出大量煤炭，同時噴出瓦斯，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，威脅煤礦安全生產(chǎn)。隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，我國多數(shù)煤礦相繼進入深部開采階段，深部煤層表現(xiàn)出顯著的“高地應(yīng)力、高孔隙壓、高溫度和低滲透性”特征，煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害愈趨嚴重。目前，防治煤與瓦斯突出主要采用排放鉆孔的方法，深部煤層卸壓預(yù)抽瓦斯是降低瓦斯災(zāi)害的主要措施［2］。但由于煤層透氣性低，導(dǎo)致排放鉆孔密度大，抽放半徑較小，施工工期長。針對此問題，國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者提出了多種防突措施。主要有：深孔預(yù)裂爆破、水力沖孔、煤層注水、水力割縫、水力壓裂等。深孔預(yù)裂爆破能夠使鉆孔底部形成表面積較大孔穴，但若裝藥不能滿足要求，易誘導(dǎo)突出發(fā)生［3］。水力沖孔、煤層注水一般在瓦斯壓力大的松軟煤層能夠取得較好效果，但由于鉆孔直徑較大，鉆孔時存在塌孔、夾鉆以及施工操作復(fù)雜等缺點［4，5］。水力割縫技術(shù)屬于一種新型射孔完井技術(shù)，趙嵐等［6］研究了在固 -氣耦合作用下，通過水力割縫釋放低滲透煤層的部分有效體積應(yīng)力，使部分煤層在割縫后發(fā)生垮落，應(yīng)力場重新分布；王婕、林柏泉［7］模擬了割縫排放低透氣性煤層內(nèi)瓦斯的過程，驗證了割縫排放煤層內(nèi)瓦斯是降低低透氣性煤層煤與瓦斯突出危險的有效方式；唐建新、賈劍青［8］按照高壓水射流技術(shù)應(yīng)用的原理，設(shè)計了應(yīng)用于抽采鉆孔中切割煤體的高壓水射擊流裝置，并在現(xiàn)場對噴嘴和射流器進行了試驗；宋維源等［9］從水力割縫技術(shù)致煤層應(yīng)力變化角度，將理論分析和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，根據(jù)滲流力學(xué)平面徑向流理論，分析給出了水力割縫技術(shù)增透抽采瓦斯原理；林柏泉等［10］通過對鉆孔周圍應(yīng)力分布的研究，指出“瓶塞效應(yīng)”是制約其影響范圍的主要因素，割縫可以消除此效應(yīng)；張其智，林柏泉等［11］通過現(xiàn)場實驗和數(shù)值模擬方法得出，煤體水力割縫后割縫鉆孔起始瓦斯抽采量是普通鉆孔的2.5倍，且在考察時間內(nèi)割縫孔的抽采流量遠大于普通孔，提高了瓦斯抽采效率；沈春明，林柏泉等［12］基于高壓水射流割縫卸壓增透技術(shù)，對割縫后瓦斯抽采和煤體透氣性的變化進行研究，模擬計算了割縫后煤體卸壓影響范圍的變化特性。由此可見，考慮水力割縫布置方式對深部煤層卸壓防突效果影響的研究還未有報道。本文針對平頂山某煤礦深部開采特征，建立了三維有限元模型，用數(shù)值分析方法模擬了不同水力割縫布置方式對深部煤層卸壓防突的影響規(guī)律，通過比較，給出了卸壓效果較好的交錯式水力割縫布置方式，研究結(jié)果可為現(xiàn)場煤與瓦斯突出的防治提供一些參考。

1 水力割縫橫向深度確定

水力割縫技術(shù)是利用割縫設(shè)備兩側(cè)噴頭射出高壓水射流，通過不斷沖擊煤層表面，使得煤碎屑不斷剝落，煤體縫隙不斷加深，直至達到臨界深度，引起煤體結(jié)構(gòu)破壞，最終工作面前方煤體得到充分卸壓，同時排放瓦斯，從而消除煤與瓦斯突出危險，保證煤礦安全生產(chǎn)。高壓水射流最大切割橫向深度決定了煤體卸壓范圍和效果，若忽略流體粘性和重力，則其公式為［13］：

式中：Er——煤層彈性模量（MPa）；ρr、cr分別為煤層密度和聲速（kg/m3），（m/s）；

ρm、cm——射流流體密度和聲速（kg/m3），（m/s）；

σd——動強度極限（MPa）；

ν0——噴嘴出口速度（m/s）；

b——射流進入接觸煤體后的高度（m）。

該突出煤層參數(shù)為：Er=10GPa，ρr=1380kg/m3，cr=2692m/s，ρm=1000kg/m3，cm=1400m/s，σd=15.8MPa，ν0=210m/s，b=0.0045m。計算得到單側(cè)最大切割深度為xmax=2.37m，卸壓范圍可達4.74m。

2 水力割縫模型建立

以平頂山某煤礦某開采工作面為例，建立三維有限元模型（圖1）。采面標高為-720m。

圖1 三維有限元模型Fig.1 Three dimentional finite element model

數(shù)值模擬模型尺寸參數(shù)取值：長、寬、高均為30m，頂、底板厚度13m，煤層厚度4m，割縫橫向剖面簡化為矩形，經(jīng)公式（1）計算得到該煤層最大水力割縫橫向深度為4.74m，考慮實際水力割縫橫向切割深度受地質(zhì)條件、割縫工藝等影響，取水力割縫切割深度為4m，寬0.2m，割縫縱向深度為10m。模型底面、Z向側(cè)面施以固定約束，頂面、X向側(cè)面均施以均布載荷，其垂直應(yīng)力為16MPa，水平應(yīng)力為22.4MPa。煤層及頂板、底板力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 割縫前應(yīng)力云圖Fig.2 Stress contour before cutting seam

3 數(shù)值模擬計算

3.1 水力割縫前應(yīng)力分布

開采煤層標高為-720m，處于深部開采階段，割縫前煤層附近 X向應(yīng)力呈扇形輻射狀遞增（圖2（a）），應(yīng)力值為8.84～11.7MPa，煤層左右端面深色區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力最大值為34.7MPa；割縫前Y向應(yīng)力以煤層為中心向外輻射成橢圓形變化（圖 2（b）），應(yīng)力值為 12.8～13.6MPa。

圖4 三種水力割縫布置方式下應(yīng)力曲線圖Fig.4 Stress curves of three kinds of cutting arrangement

表1 模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of model

割縫前對煤層應(yīng)力場分布規(guī)律分析表明：盡管煤層水平應(yīng)力（即X向應(yīng)力）和垂直應(yīng)力（即Y向應(yīng)力）均小于頂?shù)装鍛?yīng)力，但局部區(qū)域由于上覆巖層垂直應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造水平應(yīng)力形成的高地應(yīng)力場長期作用，深煤層更趨于松軟破碎，部分煤體應(yīng)力得到初步釋放，應(yīng)力場重新分布，形成了新的應(yīng)力集中區(qū)。因此開采深部突出煤層時，必須一方面對應(yīng)力集中區(qū)進行采前有效卸壓，釋放煤體集中應(yīng)力，另一方面預(yù)抽瓦斯，降低深煤層瓦斯壓力，才能保證煤礦安全生產(chǎn)。水力割縫技術(shù)就是采前通過對煤層布孔割縫，人為制造深達煤體十幾米甚至幾十米的立體孔縫網(wǎng)絡(luò)，從而達到既充分釋放煤體集中應(yīng)力，使應(yīng)力場重新分布，對煤體卸壓，又溝通了突出煤層瓦斯解吸、運移、抽采的通道，為煤與瓦斯突出的防治提供保障。

3.2 不同水力割縫布置方式卸壓效果模擬

水力割縫布置方式是影響煤層卸壓防突效果的重要因素，因此對平行、菱形和交錯三種不同水力割縫布置方式下煤層應(yīng)力變化進行了數(shù)值模擬。相同的割縫參數(shù)為：割縫數(shù)量均取為4條（上下各2條），割縫橫向距離均為6m，縱向距離均為2m。分析在同一煤層、同等割縫數(shù)量條件下，三種水力割縫布置方式對煤層卸壓情況，通過比較，選擇合理割縫布置方式。由圖3數(shù)值模擬結(jié)果可知，三種水力割縫布置方式均具有較好的卸壓效果，但卸壓區(qū)范圍有較大差異。通過比較可知，交錯式水力割縫布置方式卸壓區(qū)范圍基本覆蓋整個煤層，而平行布置與菱形布置方式的割縫卸壓影響區(qū)范圍產(chǎn)生重疊，沒有充分發(fā)揮水力割縫卸壓優(yōu)勢。取不同水力割縫布置方式卸壓云圖右側(cè)不同顏色區(qū)域所對應(yīng)數(shù)值為應(yīng)力觀測區(qū)值，分別為1～9觀測區(qū)，畫出三種布置方式下X向、Y向應(yīng)力觀測區(qū)與應(yīng)力值關(guān)系曲線圖。由圖4（a）可知，三種布置方式下X向應(yīng)力變化差別不大，曲線變化趨勢基本一致。觀測區(qū)8為應(yīng)力降最大區(qū)域，可以看出菱形與交錯排列水力割縫布置方式卸壓效果較為明顯，卸壓區(qū)域應(yīng)力降分別為97.5％和91.6％，而平行布置方式僅為72.4％。由圖4（b）可以得出，三種布置方式下Y向應(yīng)力中菱形布置方式平均應(yīng)力值比其他兩種方式都大，因此菱形布置方式卸壓效果最不理想。除此之外，交錯布置方式應(yīng)力降為97.8％，而平行與菱形布置方式分別為56.6％和87.5％。綜合以上分析可以得出，交錯式水力割縫布置方式既可以滿足卸壓范圍的需要，又能夠較好的釋放深部煤層應(yīng)力，其與平行和菱形布置方式相比，卸壓效果更為理想。

4 結(jié)論

（1）割縫前對煤層應(yīng)力場分布規(guī)律分析表明：由于深煤層更趨于松軟破碎，部分煤體應(yīng)力得到初步釋放，應(yīng)力場重新分布，形成了新的應(yīng)力集中區(qū)。因此開采深部突出煤層時，必須一方面對應(yīng)力集中區(qū)進行采前有效卸壓，釋放煤體集中應(yīng)力，另一方面預(yù)抽瓦斯，降低深煤層瓦斯壓力，才能保證煤礦安全生產(chǎn)；

（2）相同割縫參數(shù)下，不同水力割縫布置方式對煤層卸壓效果數(shù)值模擬表明：三種水力割縫布置方式（平行、菱形、交錯）均具有較好卸壓效果，但對煤層卸壓區(qū)范圍有很大差異。比較分析可知，交錯式水力割縫布置方式不但卸壓效果顯著，而且卸壓區(qū)范圍波及最大，卸壓效果比其它兩種更為理想。

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