人工增透裂隙的閉合對(duì)瓦斯抽放效率的影響

牛黨明

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)， 山西 靈石 031300）

引言

高壓水射流割縫抽放瓦斯技術(shù)效果明顯，低滲高瓦斯煤層在經(jīng)過高壓水射流切割之后，煤體得到了大規(guī)模的暴露，煤層中的裂隙系統(tǒng)的到很大的擴(kuò)展與再造，極大地提高了低滲高瓦斯煤層的滲透性[1-2]。由于高壓水切割煤層之后，人工裂隙隨著時(shí)間趨于閉合，所以，煤層瓦斯?jié)B透率也隨著時(shí)間而降低。那么，不同條件下人工裂隙的閉合特征會(huì)對(duì)瓦斯抽放效率造成什么樣的影響呢？

1 不同尺寸人工裂隙的閉合特征對(duì)瓦斯抽放效率的影響

人工裂隙的厚度和長度決定了人工裂隙的幾何學(xué)特征。人工裂隙長度越大，周圍的卸壓區(qū)就越大，從而使煤層增透卸壓區(qū)域更大，原則上講，為了保證瓦斯抽放效果，人工裂隙的長度應(yīng)該盡可能大一點(diǎn)。但是人工裂隙長度過大時(shí)，人工裂隙中部閉合量就會(huì)增大，反倒是人工裂隙長度較小時(shí)人工裂隙越不容易閉合。所以，在人工裂隙厚度一定時(shí)，為了兼顧卸壓效果和降低人工裂隙閉合量，人工裂隙的長度不能太大也不能太小，應(yīng)該在1.0～1.2 m之間取值為宜。

裂隙的長度越大，裂隙周圍的煤層的卸壓增透區(qū)就越大，這是提高瓦斯抽放效率的一個(gè)有利條件。但是，數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，人工裂隙的長度越大，人工裂隙的閉合速度就越快，這一點(diǎn)可以也可以在Giwelli[2]的實(shí)驗(yàn)中得到印證，并且這個(gè)現(xiàn)象在軟煤層中顯得尤為突出。從模擬的結(jié)果我們還可以得出，人工裂隙不同時(shí)，瓦斯抽放效果肯定不同，因此，合理的確定人工裂隙長度對(duì)于提高瓦斯抽放效率來說尤為重要。

模擬結(jié)果顯示，人工裂隙的厚度越大，人工裂隙的最終的閉合程度就越小，從而煤層的滲透性就越大，瓦斯抽放效率就越高。模擬結(jié)果同樣可以解釋為什么在高壓水射流切割之后，瓦斯抽放的高效率只能保持較短的時(shí)間，因?yàn)?，人工裂隙的厚度?huì)隨著時(shí)間的增加而趨于閉合，這是由于在地應(yīng)力的作用下，隨著時(shí)間的增加，人工裂隙的厚度很難保持最初的切割厚度，這點(diǎn)在軟煤層中表現(xiàn)的尤為突出。

當(dāng)人工裂隙厚度變化時(shí)，兩個(gè)人工裂隙的法向應(yīng)力圖形狀差不多，鉆孔周圍的法向應(yīng)力最小，然后越往外圍法向應(yīng)力越大，而且都是壓應(yīng)力。由于人工裂隙的厚度變化范圍很小，所以人工裂隙厚度的變化對(duì)卸壓區(qū)的影響并不是很大，而人工裂隙閉合量隨厚度的增大而增大的趨勢(shì)也比較平緩。總之，為了使人工裂隙不至于閉合，人工裂隙的厚度應(yīng)該是越大越好，這樣既有利于增大煤層卸壓面積，又使人工裂隙不易于閉合，保障了瓦斯流通。

因此，在高壓水射流切割的過程中，切割產(chǎn)生的人工裂隙的厚度應(yīng)該越大越好，因?yàn)檫@樣可以延長高瓦斯抽放率的時(shí)間。

2 不同人工裂隙間距的閉合特征對(duì)瓦斯抽放的影響

人工裂隙布置的密度對(duì)于整個(gè)高壓水射流割縫抽放瓦斯系統(tǒng)瓦斯抽放效率的高低有著重要影響，人工裂隙密度微小的改動(dòng)都會(huì)對(duì)瓦斯抽放結(jié)果產(chǎn)生重大影響[5]。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，人工裂隙間距越大，人工裂隙隨時(shí)間閉合越快，最終裂隙的閉合量就越大。通過觀察可知，經(jīng)高壓水射流切割之后，在人工裂隙周圍的煤層中會(huì)有一個(gè)卸壓增透區(qū)，在卸壓增透區(qū)中，原巖應(yīng)力得到釋放，因此該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力要小于原巖應(yīng)力，由滲流力學(xué)原理可知，應(yīng)力越大，煤層滲透性就越差，應(yīng)力越小，煤層滲透性就越高。因此，人工裂隙的間距越小，或者說人工裂隙的密度越大，煤層中形成的卸壓增透區(qū)就越多，瓦斯抽放效果就會(huì)越好。此外，人工裂隙間距越小，人工裂隙閉合速度越慢，閉合程度越小。當(dāng)人工裂隙間距越小時(shí)，兩個(gè)人工裂隙周圍的卸壓增透區(qū)重合的就越多。間距為0.3 m時(shí)，兩人工裂隙之間的卸壓增透區(qū)面積較大，那么垂直作用于人工裂隙面上的法向應(yīng)力就比較小，而法向應(yīng)力正是導(dǎo)致裂隙閉合的主導(dǎo)因素，所以裂隙間距為0.3 m時(shí)，人工裂隙閉合程度較小。當(dāng)人工裂隙間距為1.0 m時(shí)，兩個(gè)人工裂隙之間的法向應(yīng)力比間距為0.3 m時(shí)已有所增大，人工裂隙周圍的卸壓增透區(qū)的應(yīng)力也有所增大，所以人工裂隙間距為1.0 m時(shí)，人工裂隙閉合量較間距為0.3 m時(shí)有明顯增大。而當(dāng)人工裂隙間距為1.5 m時(shí)，兩個(gè)人工裂隙周圍的卸壓增透區(qū)已經(jīng)幾乎沒有重合了，并且人工裂隙周圍的法向應(yīng)力也比較大，故人工裂隙閉合。很明顯的是，人工裂隙間距減小，人工裂隙閉合量和閉合速度就越小，瓦斯通過人工裂隙的阻力就越小。在實(shí)際的操作中，哪怕是人工裂隙間距有一個(gè)微小的改動(dòng)，都會(huì)對(duì)瓦斯抽放效果造成很大影響。

為了保證切割后煤層中卸壓增透區(qū)盡可能的多，同時(shí)人工裂隙的閉合速度和閉合量盡可能的低一點(diǎn)，從而使瓦斯抽放的效率高一點(diǎn)，人工裂隙的間距應(yīng)該越小越好，即人工裂隙應(yīng)該越密越好。但是人工裂隙越密，切割的成本就越高，因此人工裂隙也不能布置的太密[3]。

3 不同煤層埋深的閉合特征對(duì)瓦斯抽放的影響

圖1是過鉆孔中心的豎直剖面上的法向應(yīng)力分布圖，煤層埋深從200 m變化到1 000 m，兩個(gè)人工裂隙周圍的應(yīng)力分布的形狀比較類似。細(xì)致觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)人工裂隙中間，鉆孔周圍的深色區(qū)域面積在變小，并且顏色也是逐漸變淺的。深色區(qū)域是應(yīng)力較小的區(qū)域，說明人工裂隙周圍的垂直作用于人工裂隙面上的法向應(yīng)力在不斷增大。埋深為200 m的時(shí)候，作用于人工裂隙面上的法向應(yīng)力大約為0.64 MPa，到了埋深為400 m的時(shí)候，法向應(yīng)力增加到接近1 MPa，到埋深為800 m的時(shí)候，法向應(yīng)力已經(jīng)超過了1 MPa，到埋深為1 000 m的時(shí)候，人工裂隙周圍的深色區(qū)域已經(jīng)很小了，垂直作用于裂隙面上的法向應(yīng)力大約為1.4 MPa到1.8 MPa，法向應(yīng)力呈現(xiàn)隨埋深的增大而增大的趨勢(shì)，這也是人工裂隙閉合量隨著煤層埋深不斷增大的主要原因。

仔細(xì)觀察我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，人工裂隙邊緣部分出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，不過應(yīng)力集中的面積不大，這個(gè)區(qū)域的法向應(yīng)力達(dá)到了3.4～3.8 MPa，是作用于人工裂隙面上的法向應(yīng)力的5～6倍，是煤層中原巖應(yīng)力的2倍左右。應(yīng)力集中是導(dǎo)致煤層瓦斯?jié)B透率降低的一個(gè)主要原因，因?yàn)閼?yīng)力集中可以導(dǎo)致裂隙的閉合，所以人工裂隙的邊緣部分瓦斯?jié)B透率較低。此外，煤層的滲透性會(huì)隨著煤層有效應(yīng)力的增大而減小[4-5]。因此，煤層埋深越大，瓦斯抽放效率就越低。

圖1 不同煤層埋深時(shí)剖面法向應(yīng)力云圖

4 不同水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力比的閉合特征對(duì)瓦斯抽放的影響

通過數(shù)值模擬結(jié)果我們可以知道，人工水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力的比值越大，人工裂隙的閉合速度就越快。裂隙的閉合受到地層中水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力比值的影響，并且煤層滲透率也會(huì)隨著水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力比值的增大而減小。研究表明，僅僅一個(gè)很小的應(yīng)力比（λ=水平應(yīng)力/豎直應(yīng)力）加載到模型的邊界上，整個(gè)模型的裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的滲透率就會(huì)受到很大影響。這正是因?yàn)榉ㄏ蛩綉?yīng)力的施加導(dǎo)致了裂隙的閉合。

人工裂隙周圍的法向應(yīng)力分布特點(diǎn)依然是兩個(gè)人工裂隙中間部分，鉆孔周圍顏色較深，說明該區(qū)域法向應(yīng)力較小，該區(qū)域法向應(yīng)力值不到1 MPa，兩個(gè)人工裂隙兩頭的法向應(yīng)力略大，大約在1～1.4 MPa之間，越到外圍顏色逐漸變淺，說明越到外圍法向應(yīng)力越大，到了最外層的原巖應(yīng)力區(qū)，其法向應(yīng)力值大約是兩個(gè)人工裂隙中間區(qū)域法向應(yīng)力值的數(shù)倍，可見，卸壓增透效果最明顯的區(qū)域還是人工裂隙和鉆孔周圍的區(qū)域。每個(gè)人工裂隙的邊緣區(qū)域都有一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，該區(qū)域的法向應(yīng)力值約是原巖應(yīng)力區(qū)法向應(yīng)力值的數(shù)倍。值得注意的一個(gè)現(xiàn)象是，隨著應(yīng)力比的不同，該應(yīng)力集中區(qū)域的面積也不相同，當(dāng)應(yīng)力比為2.5和3.0時(shí)，該應(yīng)力集中區(qū)域面積最大。由于應(yīng)力集中區(qū)域裂隙受壓，煤層瓦斯?jié)B透性較差，所以為了保證瓦斯?jié)B透性，應(yīng)該避免人工裂隙周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。

因此，當(dāng)其他條件不變時(shí)，煤層瓦斯?jié)B透率隨著水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力比值的增大而減小。

5 結(jié)論

1）人工裂隙厚度越大，煤層滲透性越高，瓦斯抽放效率越高。

2）人工裂隙長度越大，煤層卸壓增透區(qū)越大，有利于提高瓦斯抽放效率。但人工裂隙長度越大，人工裂隙閉合越快，反而不利于瓦斯抽放。因此，人工裂隙長度不宜過大，也不宜太小。

3）人工裂隙的間距應(yīng)盡可能小，這樣煤層卸壓增透區(qū)越大，有利于瓦斯抽放。

4）為保證瓦斯抽放效率，鉆孔的布置最好沿著煤層傾向。

5）煤層埋深越大，煤層滲透率越低，瓦斯抽放效率越低。

6）水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力的比值越大，瓦斯抽放效率越低。