煤層高壓水力割縫增透技術(shù)地質(zhì)條件適用性探討

龍威成，孫四清，鄭凱歌，王 博，黑 雪

（中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054）

煤層高壓水力割縫增透技術(shù)地質(zhì)條件適用性探討

龍威成，孫四清，鄭凱歌，王 博，黑 雪

（中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054）

我國煤層透氣性差，煤層瓦斯預(yù)抽難度大，提高煤層透氣性是提高瓦斯抽采效果的關(guān)鍵，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)的應(yīng)用取得較好的效果，但因礦井地質(zhì)條件的差異，也存在部分礦區(qū)應(yīng)用效果不理想的情況。通過理論分析、數(shù)值模擬和工程實例，研究了不同地質(zhì)條件下高壓水力切割煤層后地應(yīng)力、煤層位移的變化規(guī)律，采用儲層數(shù)值模擬軟件進一步研究了水力切割后鉆孔的產(chǎn)氣效果，分析了國內(nèi)工程應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)能有效提高煤層透氣性能，大幅提升瓦斯抽采效果；在煤層較厚、瓦斯含量大、煤體碎軟及低滲的煤層中應(yīng)用效果更為顯著。

高壓水力割縫；地質(zhì)條件；適用性；數(shù)值模擬

0 引言

瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯問題、利用瓦斯清潔能源和緩解大氣溫室效應(yīng)的有效措施。瓦斯抽采技術(shù)在我國煤礦中應(yīng)用廣泛，取得了很好的效果。但我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層透氣性差，煤層瓦斯預(yù)抽難度大，提高煤層透氣性是提高瓦斯抽采效果的關(guān)鍵[1-3]。目前，用于煤礦瓦斯抽采的煤層增透措施主要有深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂和水力擴孔等措施[4-5]，每一種強化激勵措施使用過程中均不同程度受到多種因素的制約，推廣使用也受到了一定的限制。高壓水射流切割技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的新型冷切割工藝，相對于其他熱切割工藝，具有良好的切割、磨削、沖蝕、粉碎功能，且沒有切割熱，能排除熱變質(zhì)、熱變形的可能性，同時水射流切割比其他常規(guī)的切割方法更為經(jīng)濟、有效。由于高壓水射流切割是在常溫下進行，切割時無火花、無塵、無味、無氣體產(chǎn)生，切割時不會使切割體產(chǎn)生大量的位移和變形。盡管高壓水射流割縫技術(shù)迅速發(fā)展，其推廣應(yīng)用受到各行各業(yè)的高度關(guān)注，在地面應(yīng)用比較成熟。但將其引入煤礦井下，對煤層瓦斯抽采鉆孔進行高壓水射流切割，仍需要開展大量研究工作。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對于高壓水射流割縫技術(shù)做了大量研究[6-10]，并在許多礦區(qū)進行了工程實踐，取得了較好的效果。射流噴嘴射出的水流壓力達到30 MPa及以上，高壓水流能迅速在煤層中切割出縫隙，造成煤層煤體卸壓，有效提高煤層瓦斯抽采量，縮短瓦斯抽采達標時間，但因為礦井地質(zhì)條件的差異，水力割縫技術(shù)也存在部分礦區(qū)應(yīng)用效果不理想的情況，因此水力割縫增透技術(shù)在不同地質(zhì)條件下的適用性也需要進一步研究。鑒于此，本文對井下煤層水力割縫增透技術(shù)適用的地質(zhì)條件進行研究，并選擇典型礦井進行技術(shù)應(yīng)用考察，以期為井下煤層水力割縫增透技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 煤層水力割縫增透機理

資料表明，增大抽采鉆孔的孔徑，增加抽采孔的長度均能提高抽采孔產(chǎn)量，但在實際工作中，抽采孔孔徑和長度增加有限，其效果不理想。相比較而言，改造煤層透氣性對于提高煤層瓦斯抽采效率更為有效。煤層透氣性大小不僅取決于煤層結(jié)構(gòu)，還與煤層應(yīng)力和其中流體壓力有關(guān)，其關(guān)系式如下[11]：

式中：K為煤層滲透率，cm2/（MPa·s）；K0為煤層原始滲透率，cm2/（MPa·s）；α為系數(shù)，取決于煤層裂隙狀態(tài)；σ為煤層應(yīng)力，MPa；p為流體孔隙壓力，MPa。

由（1）式可知，對于特定煤層而言，煤層滲透率與應(yīng)力成反比關(guān)系，即煤層應(yīng)力越小，煤層滲透率越大。通過開采解放層或本煤層割縫等措施，使煤層變形破裂，降低作用在煤體上應(yīng)力，可有效改善煤層透氣性。

煤層高壓水力割縫增透技術(shù)是指在井下采用高壓水流在鉆孔內(nèi)切割煤層，利用高壓水流的切割、沖擊作用，使鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，煤體內(nèi)形成扁平縫槽空間，在地壓作用下，煤體向縫槽空間移動，增加煤體中的裂隙，大幅度地增加了瓦斯的運移通道，改善煤層中的瓦斯流動狀態(tài)[12-13]。水力切割形成的縫槽，相當于在煤層中開采一層極薄的保護層，形成煤層卸壓區(qū)，達到增加煤層透氣性的效果。

2 水力割縫增透效果數(shù)值模擬

由于高壓水力割縫技術(shù)主要依靠水力破煤達到割縫的目的，因此煤體抗破壞能力是割縫效果的關(guān)鍵，為了表述方便，文中提出了硬煤和軟煤概念，硬煤是指煤層煤體較完整、煤的堅固性系數(shù)較大（f值一般大于0.5）的煤層，軟煤是指煤層煤體碎軟、煤的堅固性系數(shù)較?。╢值一般小于0.5）的煤層。為了考察水力割縫技術(shù)對硬煤、軟煤在鉆孔及水力割縫的影響下力學(xué)及變形的分布特征，選擇FLAC3D作為模擬依托進行數(shù)值模擬。

2.1 模型邊界及參數(shù)

考慮模擬實驗的有效性和已有工程實踐等因素，本次選擇某礦區(qū)主采煤層為計算對象，通過現(xiàn)場資料收集和文獻查閱等方式獲取建模數(shù)據(jù)（表1），并確定仿真模型。煤層鉆孔開挖沿y方向即煤層走向進行，建立模型尺寸為長50 m×傾向?qū)?6 m×垂直方向10 m，煤層厚度取5 m。在計算范圍內(nèi)取煤層平均埋深400 m。

表1 模擬所需物理參數(shù)Table 1 Numerical simulation needed physical parameters

模型邊界：為了消除邊界效應(yīng)，在模型走向上，鉆孔前端邊界為10 m，傾向兩端留7 m邊界。力學(xué)邊界：模型下端采用全部約束，左右側(cè)面分別約束x方向位移，前后側(cè)面約束y方向位移，上端面為自由端。模型頂面受到上覆地應(yīng)力作用，根據(jù)巖體自重計算公式（P=γH）計算獲得上覆巖層初模型外垂直應(yīng)力為10 MPa。

本次主要針對水力切割分別在軟煤及硬煤煤層中施工后對煤層應(yīng)力及變形特征的影響效果進行模擬。切割環(huán)厚設(shè)定為0.05 m，切割半徑為0.5 m，鉆孔直徑按照常規(guī)施工鉆孔的直徑，即94 mm，根據(jù)巖體自重計算公式（P=γH）計算獲得上覆巖層初模型外垂直應(yīng)力為10 MPa。

2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)前述參數(shù)建立的模型，模擬獲得了鉆孔實施0.5 m切割環(huán)下軟煤和硬煤的應(yīng)力及變形的效果。軟煤中水力切割鉆孔應(yīng)力應(yīng)變效果見圖1、圖2，常規(guī)鉆孔本身、硬煤中切割鉆孔切割0.5 m縫隙的煤體卸壓及變形效果統(tǒng)計見表2。

圖1 軟煤中水力切割鉆孔應(yīng)力分布效果圖Figure 1 Resultant of soft coal hydraulic slotting borehole stress distribution

圖2 軟煤中水力切割鉆孔應(yīng)變效果圖Figure 2 Resultant of soft coal hydraulic slotting borehole straining

表2 數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Statistics of numerical simulated results

圖1、圖2為模擬軟煤中切割0.5 m半徑切割環(huán)的應(yīng)力和變形分布效果圖，分析可知：軟煤中實施0.5 m的切割環(huán)時，其卸壓范圍為垂向上9.8 m，比鉆孔本身的影響范圍顯著增大，另外壓力降低到90%的范圍增大至4.1 m；水力切割環(huán)施工后，上部變形最大值增大至3.5 mm，下部變形增大至3 mm，且下部變形范圍由鉆孔時的1 m增大至3 m，上部變形范圍由1 m增至4.8 m，且其范圍是切割縫本身直徑的7.8倍左右。

從表2可看出，同樣是施工0.5 m半徑的切割環(huán)，硬煤中垂向上卸壓范圍為4.4 m，軟煤中垂向上卸壓范圍為9.8 m，后者約為前者的2.2倍；硬煤中最大變形量為0.12 mm，軟煤中最大變形量為3.5 mm，后者約為前者的29倍。

由數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，無論是在軟煤還是硬煤中，施工鉆孔高壓水力切割措施，其鉆孔應(yīng)力卸壓范圍及煤體變形量均比常規(guī)鉆孔有所增加；軟煤中應(yīng)力及變形的影響范圍均大于硬煤。

3 水力割縫鉆孔抽采產(chǎn)能數(shù)值模擬

為了分析研究煤層高壓水力割縫增透后瓦斯抽采的效果，借助計算機進行了鉆孔水力切割前后瓦斯抽采產(chǎn)能數(shù)值模擬[14-15]?？紤]到不同煤質(zhì)對于高壓水力割縫增透技術(shù)的應(yīng)用效果，選擇具有代表性的中硬煤層（晉城）和松軟煤層（淮北）進行數(shù)值模擬實驗。

采用高壓水力割縫增透技術(shù)對煤層進行改造，高壓泵水壓設(shè)定為30 MPa，硬煤中切割煤層形成長度為700 mm、高度為20 mm的縫槽，煤體充分卸壓，煤層滲透率由原始的2.06 mD增大到4.12 mD（參考水力切割煤層應(yīng)力釋放范圍模擬實驗取值），鉆孔抽采影響半徑達到3 m；軟煤中煤層滲透率由改造前的0.68 mD增大到2.18 mD（參考吳海進，林柏泉等人在淮北蘆嶺礦試驗），鉆孔抽采影響半徑達到5 m。通過模擬計算，獲得了常規(guī)鉆孔和水力切割鉆孔365天內(nèi)單孔瓦斯抽采純流量及抽采純瓦斯總量數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 煤層水力切割前后抽采純瓦斯流量和抽采純瓦斯總量變化Figure 3 Drained net gas flow and total drained net gas flow variation before and after slotting

由圖3（a）可知，硬煤中水力切割鉆孔抽采純瓦斯流量和抽采總量均比常規(guī)鉆孔有了顯著增加，在水力切割措施實施后的幾天內(nèi)，抽采純瓦斯流量急劇上升達到峰值，爾后迅速下降。此現(xiàn)象表明，中硬煤層中瓦斯釋放速度快，煤體堅硬難破碎，實施高壓水力切割改造煤層程度有限。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，水力切割鉆孔抽采純瓦斯流量約為常規(guī)鉆孔的1.0～2.2倍，考察期內(nèi)切割孔抽采純瓦斯總量約為常規(guī)鉆孔抽采量的1.8倍。

由圖3（b）可知，軟煤中水力切割鉆孔抽采純瓦斯流量比常規(guī)鉆孔有了顯著增加，同樣在水力切割措施實施后的幾天內(nèi)，抽采純瓦斯流量急劇上升，但相比硬煤，其峰值持續(xù)時間較長，曲線下降趨勢較緩，隨著抽采時間延長而趨于平穩(wěn)。此現(xiàn)象表明，松軟煤層中瓦斯流動速度較慢，煤體易切割出縫槽，甚至在高壓水沖刷下容易擴大槽穴，增大煤體暴露面積并增加卸壓范圍，因此實施高壓水力切割改造煤層效果較好。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，考察期內(nèi)切割孔單孔抽采瓦斯純流量約為常規(guī)孔的1.3～8.3倍；單孔瓦斯抽采總量約為常規(guī)鉆孔抽采量的2.7倍。

綜上所述，無論硬煤或軟煤中，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)均能夠改善煤儲層瓦斯流動環(huán)境，提高瓦斯抽采速度和抽采量。相對而言，水力割縫措施在松軟煤層中的應(yīng)用對于改造煤層增透和提高瓦斯抽采效果更為顯著。此產(chǎn)能模擬結(jié)果也驗證了煤體應(yīng)力及變形數(shù)值模擬試驗結(jié)果的正確性。

4 水力割縫增透工程實踐考察分析

筆者統(tǒng)計了平煤十二礦、淮北蘆嶺礦等部分國內(nèi)煤礦水射流割縫煤層增透的實例[16-19]，資料顯示煤層高壓水力割縫增透技術(shù)目前主要應(yīng)用于煤層瓦斯抽采和煤層消突等方面，分析發(fā)現(xiàn)：

（1）高壓水力割縫增透技術(shù)改造煤層的效果與切割設(shè)備能力有關(guān)，水壓越大，切割煤層縫槽規(guī)模越大，越有利于煤層卸壓與瓦斯流動。如雞西城山煤礦高壓水力切割試驗，水壓由20 MPa增至40 MPa，割縫深度由180 mm增大到970 mm。但由于受煤礦井下條件、增大水壓帶來的高能量損失和設(shè)備體積過于龐大等問題限制，增大高壓水射流切割水壓的條件有限。

（2）水力割縫增透技術(shù)在松軟煤層或構(gòu)造煤軟分層中應(yīng)用，相較于硬煤中應(yīng)用，改造煤層和抽采瓦斯效果更為顯著。在淮北蘆嶺礦試驗，8、9煤堅固性系數(shù)為0.1～0.3，應(yīng)用高壓水射流切割煤層后，煤層透氣性約為原始煤層的1.95～3.2倍，30天考察期內(nèi)割縫孔日抽采純量最大達到未割縫鉆孔的11倍，抽采純總量為7.64倍。在重慶鹽井一礦試驗，煤層極其松軟，堅固性系數(shù)f值0.01～0.22，應(yīng)用高壓水射流切割煤層后，孔口瓦斯?jié)舛忍岣?.5倍以上，單孔瓦斯流量提高接近5倍。

（3）水射流切割技術(shù)在煤層厚度較大、瓦斯含量較高的煤層中應(yīng)用效果更為顯著。統(tǒng)計的實踐工程資料，煤層厚度均在3 m以上，瓦斯含量均大于10 m3/t。如在平煤十二礦的試驗，煤層厚度3.6m，瓦斯含量達到22 m3/t，應(yīng)用高壓水射流切割煤層后，鉆孔影響范圍達到15 m（普通孔2～3 m），流量衰減周期延長7～10倍，瓦斯抽采量提高6～8倍。

資料統(tǒng)計表明，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)較適用于煤層較厚、瓦斯含量大、煤體碎軟及低滲的煤層，使用該技術(shù)能夠有效改造煤層透氣性能，大幅提升瓦斯抽采和防突效果。

5 結(jié)論

煤層鉆孔中施工0.5 m半徑的切割環(huán)，通過應(yīng)力應(yīng)變模擬試驗，硬煤中垂向上卸壓范圍為4.4 m，軟煤中垂向上卸壓范圍為9.8 m，后者約為前者的2.2倍；硬煤中最大變形量為0.12 mm，軟煤中最大變形量為3.5 mm，后者約為前者的29倍。產(chǎn)能模擬試驗表明，硬煤中切割孔抽采純瓦斯總量約為常規(guī)鉆孔抽采量的1.8倍，而在軟煤中，前者約為后者的2.7倍。數(shù)值模擬試驗和工程應(yīng)用考察均表明，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)能有效增大鉆孔周圍煤體卸壓范圍，提高煤層透氣性能，改善煤層瓦斯流動通道，大幅提升瓦斯抽采效果；相對而言，煤層高壓水力割縫增透技術(shù)在煤層較厚、瓦斯含量大、煤體碎軟及低滲的煤層中應(yīng)用效果更為顯著。

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Probe into Geological Condition Adaptability in Coal Seam High Pressure Hydraulic Slotting Permeability Enhancement

Long Weicheng,Sun Siqing,Zheng Kaige,Wang Bo and Hei Xue
(Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi’an Shaanxi 710054)

Because of poor coal seam gas permeability in the country will cause difficulties in predrainage,thus to improve permeability is the crux in the issue.The application of coal seam high pressure hydraulic slotting technology can achieve good results,since the dif?ferent mine geological conditions;the application effect in part of mine areas is still unsatisfactory.Through theoretical analysis,numer?ical simulation and project example analysis have studied ground stress,coal seam displacement variation pattern after hydraulic slot?ting under different geological conditions.Using the reservoir numerical simulation software,further studied borehole gas production ef?fect and analyzed application effect in domestic projects.The result has shown that the technology can enhance coal seam gas permea?bility effectively,greatly enhance gas drainage effect.The application of the technology in thick,large gas content,cracked soft coal mass and low permeability coal seams will achieve more significant effect.

high pressure hydraulic slotting;geological condition;adaptability;numerical simulation

TD723.32

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.07

1674-1803(2017)03-0037-04

國家科技重大專項（2011ZX05041-003-004-003）、中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目（2016XAYMS08）資助

龍威成（1982—），男，廣西博白人，碩士，副研究員，注冊安全工程師，從事煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測與治理、煤層氣測試及開發(fā)研究工作。

2016-11-24

責任編輯：宋博輦