基于FLAC3D-COMSOL序貫耦合的鉆割煤體三維卸壓瓦斯流場(chǎng)數(shù)值分析

張浩 郭軍偉 王穗芳 范楠 楊淑晴 常家美 雷倩茹

摘?要：水力割縫技術(shù)通過高壓水射流在煤層中構(gòu)建人工裂隙，可實(shí)現(xiàn)低滲煤層的區(qū)域性卸荷增透和瓦斯高效抽采。然而，經(jīng)典的COMSOL軟件難以對(duì)鉆割煤體的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行解算，嚴(yán)重制約了水力割縫技術(shù)的工程應(yīng)用。鑒于此，采用FLAC3D-COMSOL序貫耦合的數(shù)值解算方法，以中厚煤層鉆割卸荷增透為例，對(duì)不同割縫半徑、割縫厚度、埋深和割縫方式下鉆割煤體的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明：水力割縫過程中，鉆割煤體發(fā)生了卸荷損傷，形成了較大范圍的圓臺(tái)形塑性損傷區(qū)，煤體滲透率可大幅提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)；隨著割縫半徑和割縫厚度的增加，煤體的增透范圍和瓦斯抽采半徑逐漸增大，但在相同出煤量情況下增加割縫半徑更有利于中厚煤層的卸荷增透和瓦斯抽采；深部高地應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致煤層初始滲透率下降，但也可提高鉆割煤體的增透范圍和增透幅度，因此鉆孔早期瓦斯抽采效果好，后期抽采效果差，在抽采過程中應(yīng)盡量增加鉆孔密度，縮短抽采周期；割縫方式對(duì)中厚煤層的整體卸壓瓦斯抽采效果具有顯著影響，單縫鉆孔平行布置情況下煤層卸壓瓦斯抽采效果最好，單縫交錯(cuò)布置情況下次之，而雙縫間隔布置情況下最差。關(guān)鍵詞：低透煤層；水力割縫；卸荷損傷；瓦斯抽采中圖分類號(hào)：X 936

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2024）03-0478-12

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0308開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Numerical research on 3D pressure-relief gas migration

field in the hydraulic slotting coal mass by adopting a

FLAC3D-COMSOL coupled method

ZHANG Hao1，2，GUO Junwei2，WANG Suifang2，F(xiàn)AN Nan2，YANG Shuqing2，

CHANG Jiamei2，LEI Qianru2

（1.Jinneng Holding Coal Industry Group Co.，Ltd.，Datong 037037，China；2.College of Safety & Emergency Management Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：Hydraulic slotting technology could achieve regional stress-unloading，permeability-increasing and efficient gas extraction in the low-permeability coal seam through creating artificial fractures using the high-pressure water jet.Unfortunately，the three-dimensional pressure-relief gas migration field in the hydraulic slotting coal mass could not be solved by adopting the typical COMSOL software，which seriously restricts the field application of hydraulic slotting technology.Given this，the FLAC3D-COMSOL combined numerical solution technology was adopted in the research to analyze the three-dimensional pressure-relief gas migration fields in medium thick coal seam

under different slotting radii，slotting thicknesses，buried depths and slotting manners，respectively.The following conclusions could be obtained

from the numerical simulation results.A stress-unloading and plastic damage occur in the coal mass during the hydraulic slotting process，the plastic damage zone presents a circular platform shape，and the coal permeability increases by 2～3 orders of magnitude.The coals permeability-increasing range and amplitude both increase with the slotting radius and the slotting thickness，but increasing the slotting radius is much more conducive to the stress-unloading，permeability-increasing and gas extraction in the medium thick coal seam.The high in-situ stress in the deep coal seam could not only decrease the coal permeability，but also increase the permeability-increasing range and the amplitude in the hydraulic slotting coal mass，therefore the boreholes gas extraction effect is much better in the early stage and the gas extraction period should be decreased by improving the borehole density during the field application process.Slotting manner has a great influence on the overall pressure-relief gas extraction effect in the coal seam：the pressure-relief gas extraction effect is the best under the condition of single slotting drilling parallel arrangement，

and the next is the single slotting-staggered arrangement，

followed by

double slotting interval arrangement，the worst.

Key words：low-permeability coal seam；hydraulic flushing；stress-unloading and permeability-increasing；gas extraction

0?引?言

煤炭是中國(guó)的主體能源，在保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。

隨著煤炭資源的高強(qiáng)度開采，淺部經(jīng)濟(jì)可采資源已經(jīng)大幅減少，煤炭開采將不可避免地向深部轉(zhuǎn)移。中國(guó)煤炭地質(zhì)總局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[1-2]，深部煤炭資源儲(chǔ)量豐富，埋深2 000 m以內(nèi)的煤炭資源總量約為5.77萬(wàn)億t，其中埋深超過1 000 m的煤炭資源總量約2.86萬(wàn)億t。因此，開采深部煤炭資源對(duì)于保障能源供給，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)具有重大意義。然而，深部煤層具有高地應(yīng)力、高瓦斯含量和低滲透率等特征，瓦斯抽采困難，煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重。如何對(duì)深部煤層進(jìn)行有效增透是保障其安全開采的一大前提。水力割縫技術(shù)以高壓水射流為動(dòng)力，通過在煤層中構(gòu)建人工裂隙來(lái)實(shí)現(xiàn)低透煤層的卸荷損傷增透[3-7]。該技術(shù)具有低成本、高效率及對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在深部煤層增透方面具有廣闊的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)水力割縫技術(shù)參數(shù)的合理優(yōu)化，對(duì)其卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)分析是十分必要的。林柏泉等考慮了應(yīng)力重分布及孔隙壓力變化對(duì)滲透率的影響，基于單孔介質(zhì)模型對(duì)鉆割煤體的卸壓瓦斯場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，指出割縫鉆孔四周瓦斯壓力曲線存在“陡坡”現(xiàn)象[8]；KONG等基于類似的卸壓瓦斯流動(dòng)模型，采用響應(yīng)面分析方法研究了割縫半徑、瓦斯壓力和滲透率對(duì)鉆割煤體卸壓瓦斯流動(dòng)的影響[9]；ZHAO等基于雙孔介質(zhì)模型研究了滲透率的各向異性對(duì)鉆割煤體卸壓瓦斯流動(dòng)的影響，指出滲透率的各向異性將導(dǎo)致鉆孔四周的瓦斯壓力等值線呈現(xiàn)為橢圓形，同時(shí)基質(zhì)瓦斯壓力下降速度有所減慢[10]；GAO等建立了卸壓瓦斯流動(dòng)“熱-氣-固”耦合模型，進(jìn)一步分析了溫度場(chǎng)對(duì)鉆割煤體卸壓瓦斯流動(dòng)的影響，指出高溫可以促進(jìn)煤中瓦斯的解吸和運(yùn)移[11]；ZHAO等采用Weibull函數(shù)表征了煤體的非均質(zhì)性，構(gòu)建了非均質(zhì)煤體卸壓瓦斯流動(dòng)“應(yīng)力場(chǎng)-損傷場(chǎng)-滲流場(chǎng)”多場(chǎng)耦合模型，研究了煤體非均質(zhì)性對(duì)其卸壓瓦斯流動(dòng)的影響，指出煤體的非均質(zhì)性越強(qiáng)，割縫形成的卸荷增透范圍越大，煤中瓦斯壓力下降速度越快[12]；LIU等建立了煤體損傷過程中的基質(zhì)尺度演化模型，分析了損傷煤體瓦斯擴(kuò)散響應(yīng)對(duì)卸壓瓦斯流動(dòng)的影響，指出鉆割煤體的卸荷損傷將導(dǎo)致基質(zhì)尺度降低，瓦斯擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有利于瓦斯的早期流動(dòng)[13]。

上述研究均基于經(jīng)典COMSOL軟件的二維卸壓瓦斯流場(chǎng)，其成果對(duì)于指導(dǎo)水力割縫技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要意義。然而，從力學(xué)角度來(lái)講，割縫鉆孔能否基于平面應(yīng)變理論進(jìn)行二維簡(jiǎn)化是非常值得商榷的。要想精準(zhǔn)掌握鉆割煤體的卸壓瓦斯流動(dòng)特征，就必須對(duì)其三維卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行解算。遺憾的是，由于煤體的低強(qiáng)度特性及深部的高應(yīng)力環(huán)境，鉆割煤體的力學(xué)破壞過程往往涉及到大變形問題。對(duì)于大變形彈塑性力學(xué)問題，基于有限元算法的COMSOL軟件在進(jìn)行三維解算時(shí)極易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變和內(nèi)嵌，導(dǎo)致剛度矩陣奇異，計(jì)算不收斂[2，14]。因此，經(jīng)典的COMSOL軟件難以對(duì)鉆割煤體的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行解算，而這也對(duì)水力割縫技術(shù)的工程應(yīng)用造成了不利影響。

與COMSOL軟件不同，基于有限差分算法的FLAC3D軟件采用了混合-離散分區(qū)技術(shù)和顯式拉格朗日算法，在求解大變形彈塑性力學(xué)問題時(shí)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[15]。鑒于此，文中綜合考慮了FLAC3D軟件和COMSOL軟件的優(yōu)勢(shì)，采用FLAC3D-COMSOL序貫耦合的數(shù)值解算方法，以中厚煤層鉆割卸荷增透為例，分別對(duì)不同割縫半徑、割縫厚度、埋深和割縫方式下鉆割煤體的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析。在該解算方法中，首先采用FLAC3D軟件對(duì)鉆割煤體的應(yīng)力場(chǎng)、損傷場(chǎng)和滲流場(chǎng)進(jìn)行求解，進(jìn)而將其求解結(jié)果作為初始條件輸入到COMSOL軟件，實(shí)現(xiàn)鉆割煤體的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)數(shù)值解算。研究成果為鉆割煤體卸壓瓦斯流場(chǎng)的精準(zhǔn)分析提供了有效方法，極大地方便了水力割縫技術(shù)的參數(shù)優(yōu)化，對(duì)于保障深部煤層的瓦斯高效抽采和礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1?鉆割煤體卸壓瓦斯流動(dòng)理論模型

1.1?鉆割煤體力學(xué)特性及損傷失效準(zhǔn)則煤巖體可按照其峰后力學(xué)特性劃分為理想塑性、應(yīng)變軟化和彈脆性3種類型。同時(shí)，理想塑性和彈脆性是應(yīng)變軟化特性的2種特殊形式。因此，文中采用應(yīng)變軟化模型來(lái)表征鉆割煤體的力學(xué)特性，如圖1所示。

基于變形特性，應(yīng)變軟化煤體的全應(yīng)力應(yīng)變曲線可以劃分為3個(gè)階段：彈性變形階段、損傷擴(kuò)容階段和塑性殘余階段[16]。采用最大塑性主應(yīng)變

εp1和最小塑性主應(yīng)變?chǔ)舙3的差值γp（即γp=εp1-εp3）作為軟化參數(shù)，且假定塑性殘余階段起始點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的軟化參數(shù)值為

γp*

，則上述3個(gè)階段可分別采用

γp=0、0＜γp＜γp*

和γp≥γp*進(jìn)行數(shù)學(xué)表征[17-18]。應(yīng)變軟化煤體損傷擴(kuò)容過程中新生裂隙的發(fā)育將導(dǎo)致其黏聚力發(fā)生漸進(jìn)性喪失。當(dāng)前，常常采用分段函數(shù)來(lái)表征應(yīng)變軟化煤體全應(yīng)力應(yīng)變過程中的黏聚力演化[19]

c=

c0-（c0-cr）γp/γp*，0＜γp＜γp*

cr，γp≥γp*

（1）

式中?c為煤體黏聚力，MPa；c0為煤體初始黏聚力，MPa；

cr為煤體殘余黏聚力，MPa。采用經(jīng)典的摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則作為鉆割煤體的損傷失效準(zhǔn)則[20]

f=σ1-

2ccos φ

1-sin φ

-σ3

1+sin φ1-sin φ

（2）

式中?σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

1.2?鉆割煤體瓦斯?jié)B流響應(yīng)模型水力割縫過程中，鉆割煤體將發(fā)生應(yīng)力重分布及塑性損傷，從而引起瓦斯?jié)B流響應(yīng)。從圖1可以看出，應(yīng)變軟化煤體全應(yīng)力應(yīng)變過程中的滲透率演化體現(xiàn)出明顯的階段化特征：在彈性變形階段，煤體滲透率逐漸降低；在損傷擴(kuò)容階段，煤體滲透率出現(xiàn)顯著反彈；在塑性殘余階段，煤體滲透率幾乎不變。鑒于此，郭海軍和涂慶毅等構(gòu)建了應(yīng)變軟化煤體全應(yīng)力應(yīng)變過程中的滲透率演化模型，見式（3）[16，21]。文中采用該模型來(lái)表征鉆割煤體的瓦斯?jié)B流響應(yīng)。

k=

k0exp

[Cf（ΔΘ）]γp=0

k01

1+

γpγp*

ζ

0＜γp＜γp*

k01

（1+ζ）γp≥γp*

（3）

式中?k為煤體滲透率，mD；k0為煤體初始滲透率，mD；Cf為裂隙壓縮因子，MPa-1；ζ為滲透率反彈系數(shù)，無(wú)量綱；

Θ為體積應(yīng)力，MPa；

k01

為損傷擴(kuò)容起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的煤體滲透率，mD。

1.3?雙孔介質(zhì)煤體瓦斯流動(dòng)模型按照雙孔介質(zhì)理論，煤中瓦斯流動(dòng)是基質(zhì)擴(kuò)散和裂隙滲流所形成的串聯(lián)過程。其中，基質(zhì)瓦斯擴(kuò)散過程遵循菲克定律，而裂隙瓦斯?jié)B流過程遵循達(dá)西定律。

1.3.1?瓦斯擴(kuò)散方程煤基質(zhì)中的瓦斯賦存形態(tài)主要有吸附態(tài)和游離態(tài)2種。根據(jù)菲克定律及基質(zhì)瓦斯質(zhì)量守恒定律，基質(zhì)瓦斯擴(kuò)散方程可采用下式進(jìn)行表征[22]

VLPLρRT（PL+pm）2VM+ψmpmt=-（pm-pf）τ（4）

式中?VL為甲烷極限吸附量，m3/t；PL為甲烷吸附常數(shù)，MPa-1；ρ為基質(zhì)密度，kg/m3；R為氣體常數(shù)，8.314 J·（mol·K）-1；T為煤體溫度，K；pm為基質(zhì)瓦斯壓力，MPa；VM為氣體摩爾體積，mL·mol-1；ψm為基質(zhì)孔隙率，%；t為時(shí)間，s；pf為裂隙瓦斯壓力，MPa；τ為瓦斯吸附時(shí)間，s。

1.3.2?瓦斯?jié)B流方程基于達(dá)西定律及裂隙瓦斯質(zhì)量守恒定律，煤體裂隙中的瓦斯?jié)B流方程可采用下式進(jìn)行表征[21]

ψfpft+pfψft=k?（pf?pf）+（1-ψf）1τ（pm-pf）（5）

式中?ψf為煤體裂隙率，%。式（1）和式（2）分別表征了鉆割煤體的力學(xué)強(qiáng)度特性及損傷失效準(zhǔn)則；式（3）表征了鉆割煤體瓦斯?jié)B流響應(yīng)模型；式（4）和式（5）表征了雙孔介質(zhì)煤體的瓦斯流動(dòng)模型。這些模型構(gòu)成了鉆割煤體卸壓瓦斯流動(dòng)理論模型。

2?數(shù)值解算方法及模擬方案

2.1

數(shù)值解算方法及單孔條件下的數(shù)值模擬方案

前文構(gòu)建了鉆割煤體卸壓瓦斯流動(dòng)理論模型。要想精準(zhǔn)掌握鉆割煤體的卸壓瓦斯流動(dòng)特征，就必須對(duì)上述卸壓瓦斯流動(dòng)理論模型進(jìn)行三維解算。當(dāng)前，基于有限元算法的COMSOL軟件在多物理場(chǎng)流固耦合分析時(shí)獲得了廣泛應(yīng)用。然而，考慮到COMSOL軟件在大變形彈塑性力學(xué)問題三維解算方面的不足，文中采用FLAC3D-COMSOL序貫耦合的數(shù)值解算方法開展模擬研究。以單孔條件下的幾何模型為例，F(xiàn)LAC3D

-COMSOL序貫耦合解算流程如圖2所示。首先，采用FLAC3D軟件對(duì)鉆割煤體的應(yīng)力場(chǎng)和損傷場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，獲得其應(yīng)力重分布和塑性損傷破壞特征；在此基礎(chǔ)上，采用FISH語(yǔ)言進(jìn)行編程，對(duì)瓦斯?jié)B流響應(yīng)模型式（3）進(jìn)行求解，獲得鉆割煤體的瓦斯?jié)B流響應(yīng)特征；最后，將鉆割煤體在COMSOL軟件中進(jìn)行重建，并將FLAC3D軟件中獲得的滲透率數(shù)據(jù)通過txt文件進(jìn)行導(dǎo)入，通過對(duì)瓦斯流動(dòng)方程式（4）和式（5）進(jìn)行求解，獲得鉆割煤體的卸壓瓦斯流動(dòng)特征。為了簡(jiǎn)化計(jì)算起見，圖2中的幾何模型僅為完整煤層的1/4。在圖2所示的FLAC3D幾何模型中，模型尺寸為6 m×6 m×8.2 m。其中，煤層厚度為2.2 m，頂?shù)装搴穸染鶠? m。模型底部設(shè)置為固定邊界，模型四周設(shè)置為滾軸邊界，而模型的頂部設(shè)置為應(yīng)力邊界，施加上覆巖層所產(chǎn)生的垂向應(yīng)力。水平應(yīng)力的數(shù)值按照垂向應(yīng)力進(jìn)行取值，即原始含煤地層處于靜水壓力狀態(tài)。此外，普通穿層鉆孔的半徑設(shè)置為0.07 m。在COMSOL幾何模型中，鉆孔及人工裂隙設(shè)置為恒壓邊界，瓦斯抽采壓力為76 kPa，其他邊界設(shè)置為非流動(dòng)邊界。煤層原始瓦斯含量為11.7 m3/t（對(duì)應(yīng)瓦斯壓力為1.38 MPa）。同時(shí)，在煤層中部設(shè)置瓦斯監(jiān)測(cè)線，對(duì)抽采過程中的瓦斯含量演化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鉆割煤體的卸荷增透特征與割縫半徑r、割縫厚度h和煤層埋深H密切相關(guān)。鑒于此，基于圖2所示的單孔幾何模型，設(shè)置了3個(gè)模擬對(duì)照組，共計(jì)7個(gè)模擬工況，分別對(duì)不同割縫半徑、割縫厚度和埋深下鉆割煤體的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析。單孔條件下的模擬方案見表1。需要說(shuō)明的是，割縫半徑的取值范圍取自當(dāng)前公開發(fā)表的文獻(xiàn)，割縫厚度根據(jù)出煤量計(jì)算公式計(jì)算而來(lái)。割縫半徑和割縫厚度工況1和工況4中單孔的出煤量均為1.32 t，工況3和工況5中單孔的出煤量均為5.28 t，但其割縫半徑和割縫厚度有所差異。眾所周知，在水力割縫技術(shù)中，研究人員總是渴望用最少的出煤量獲得最優(yōu)的卸荷增透效果，而出煤量主要取決于割縫半徑和割縫厚度2個(gè)參數(shù)。因此，通過對(duì)比工況1和工況4（或工況3與工況5）中的卸壓瓦斯流動(dòng)情況，可以進(jìn)一步分析割縫半徑和割縫厚度對(duì)煤體卸荷增透的敏感性。表中參數(shù)主要取自于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值或當(dāng)前公開發(fā)表的文獻(xiàn)[23]。

2.2?孔群條件下的模擬方案為了驗(yàn)證上述數(shù)值解算方法同樣適用于孔群條件，進(jìn)一步開展了孔群條件下的數(shù)值模擬研究。在孔群條件下，共設(shè)置3個(gè)模擬工況（即單縫鉆孔平行布置、單縫鉆孔交錯(cuò)布置和雙縫鉆孔間隔布置），對(duì)不同割縫方式下鉆割煤體的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析。在圖3中，每個(gè)割縫鉆孔的割縫半徑均為1.5 m，割縫厚度均為0.3 m，初始三向主應(yīng)力均為15 MPa，初始滲透率均為0.007 mD。在單縫鉆孔平行布置工況中，割縫位置均位

于煤層中央；在單縫鉆孔交錯(cuò)布置工況中，1#和3#鉆孔的割縫位置靠近煤層底板，2#和4#鉆孔的割縫位置靠近煤層頂板；在雙縫鉆孔間隔布置工況中，1#鉆孔和3#鉆孔為割縫鉆孔，每個(gè)鉆孔進(jìn)行2次割縫，而2#鉆孔和4#鉆孔為普通穿層鉆孔。上述3個(gè)工況的鉆孔工程量完全相同。

2.3?模擬參數(shù)單孔和孔群條件下所用到的共性模擬參數(shù)見表2，表中參數(shù)均取自于實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。

3?結(jié)果與討論

3.1?單孔條件下的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)分析

3.1.1?不同割縫半徑下的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)分析不同割縫半徑下，鉆割煤體的卸荷增透特征如圖4所示。采用FISH語(yǔ)言編程的方法，計(jì)算了不同工況下單個(gè)鉆孔四周煤體的增透體積?？梢钥闯?/p>

1）水力割縫過程中，鉆割煤體中發(fā)生了應(yīng)力重分布，體積應(yīng)力顯著降低，但在卸壓區(qū)之外也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；

2）鉆割煤體中發(fā)生了塑性損傷，形成了圓臺(tái)形的塑性損傷區(qū)，煤層中部的損傷半徑大于煤層頂?shù)装逄帲ㄒ訡ase 1為例，煤層中部的損傷半徑為

1.19 m，而煤層頂?shù)装逄幍膿p傷半徑僅為0.55 m）

；

3）鉆割煤體的卸荷損傷導(dǎo)致其滲透性顯著改善，煤體的滲透率最高可增加約1 079倍（3.033個(gè)數(shù)量級(jí)）；

4）割縫半徑越大，煤體的卸荷增透范圍越大。隨著割縫半徑由1.00 m增加到2.00 m，鉆割煤體的增透體積由4.61 m3增加到28.36 m3，煤體增透體積增加5.15倍。

基于圖4中滲透率數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入COMSOL軟件，分析了不同割縫半徑下鉆割煤體的卸壓瓦斯流動(dòng)特征。鉆割煤體的殘余瓦斯含量云圖及瓦斯含量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。取礦井的臨界瓦斯含量為8 m3/t，則從圖5可以看出

1）水力割縫過程中鉆割煤體的卸荷增透為鉆孔瓦斯抽采提供了有利條件，瓦斯抽采開始后，割縫鉆孔四周瓦斯含量迅速降低。以割縫半徑1.50 m為例，經(jīng)過60 d的瓦斯抽采，其瓦斯抽采半徑就已達(dá)到了2.12 m；

2）瓦斯抽采周期越長(zhǎng)，割縫鉆孔的瓦斯抽采效果越好。以割縫半徑1.50 m為例，隨著瓦斯抽采周期由60 d增加到180 d，割縫鉆孔的瓦斯抽采半徑由2.12 m增加到2.35 m。

3）在相同瓦斯抽采周期內(nèi)，割縫半徑越大，割縫鉆孔的瓦斯抽采效果越好。以瓦斯抽采周期180 d為例，隨著割縫半徑由1.00 m提高到2.00 m，割縫鉆孔的瓦斯抽采半徑由1.72 m增加到3.02 m。

3.1.2?不同割縫厚度下的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)分析不同割縫厚度下，鉆割煤體的卸荷增透特征如圖6所示。可以看出，在其他參數(shù)恒定的前提下，煤體的卸荷增透范圍隨割縫厚度的增加而增大。隨著割縫厚度由0.13 m增加到0.53 m，鉆割煤體的增透體積由13.90 m3增加到16.24 m3，增幅為16.83%。由表1可知，工況1和工況4中鉆孔的出煤量均為1.32 t。然而對(duì)比圖4和圖6可知，工況4中煤體的增透體積（13.90 m3）遠(yuǎn)大于工況1（4.61 m3）。這是由于割縫半徑和割縫厚度對(duì)煤體卸荷增透的敏感性不同。在工況1中，割縫半徑為1.0 m，割縫厚度為0.30 m；而在工況4中，割縫半徑為1.50 m，割縫厚度為0.13 m。說(shuō)明在中厚煤層鉆割增透過程中，增加割縫半徑要比增加割縫厚度更為有效。對(duì)比工況3和工況5中煤體的增透體積，也可發(fā)現(xiàn)此規(guī)律。

基于圖6中不同割縫厚度下鉆割煤體的滲透率數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)其卸壓瓦斯流動(dòng)特征進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，在相同割縫半徑下，隨著割縫厚度的增加，割縫鉆孔的瓦斯抽采效果有一定的改善，但是效果并不顯著。以瓦斯抽采周期180 d為例，隨著割縫厚度由0.13 m提高到0.53 m，割縫鉆孔的瓦斯抽采半徑僅由2.25 m提高到2.50 m。此外，對(duì)比圖5和圖7，可以發(fā)現(xiàn)工況4中的瓦斯抽采半徑明顯大于工況1。以瓦斯抽采周期180 d為例，工況4中割縫鉆孔的瓦斯抽采半徑為2.25 m，大于工況1中的瓦斯抽采半徑1.72 m。這也從瓦斯抽采的角度證明了，在相同出煤量的條件下，增加割縫半徑比增加割縫厚度更有利于中厚煤層的增透。

3.1.3?不同埋深下的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)分析隨著煤層回采深度的增加，地應(yīng)力不斷增大，而煤層滲透率逐漸降低。為了探究水力割縫技術(shù)在深部煤層增透中的應(yīng)用前景，進(jìn)一步對(duì)不同埋深下鉆割煤體的卸壓瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析。不同埋深下鉆割煤體的卸荷增透特征如圖8所示。從圖8可以看出，隨著煤層埋深的增加，鉆割煤體的增透體積略有增加。隨著煤層埋深由480 m增加到720 m，煤體的增透體積由11.92 m3增加到17.16 m3，增幅為43.96%。同時(shí)，埋深越深，鉆割煤體的滲透率增幅越大。這是由于埋深越深，煤層所受原始地應(yīng)力越高所造成的。

不同埋深下，鉆割煤體的卸壓瓦斯流動(dòng)特征如圖9所示。當(dāng)瓦斯抽采周期為60 d時(shí)，隨著煤層埋深由480 m增加到720 m，鉆孔的瓦斯抽采半徑由2.07 m提高到2.18 m。在早期瓦斯抽采過程中，煤層埋深越深，鉆孔的瓦斯抽采效果越好。然而，當(dāng)瓦斯抽采周期增加到180 d時(shí)，情況出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。此時(shí)，隨著煤層埋深由480 m增加到720 m，鉆孔的瓦斯抽采半徑由2.53 m降低到2.34 m。這說(shuō)明在長(zhǎng)期瓦斯抽采情況下，煤層埋深越深，鉆孔的瓦斯抽采效果越差。這是因?yàn)樵缙谕咚钩椴芍饕杏阢@孔的卸荷增透區(qū)域，深部煤層增透范圍大，增透幅度高，因此鉆孔抽采半徑大；然而，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆孔瓦斯抽采向卸荷增透區(qū)域以外轉(zhuǎn)移，深部煤層原始滲透率低，因此鉆孔長(zhǎng)期瓦斯抽采半徑小。通過上述分析，不難推斷，水力割縫技術(shù)同樣適用于深部煤層。然而，在具體應(yīng)用過程中，應(yīng)適當(dāng)增加鉆孔密度，盡量在短時(shí)間內(nèi)抽采完畢。

3.2?孔群條件下的三維卸壓瓦斯流場(chǎng)分析基于圖3所示的割縫方式及位置參數(shù)，獲得的孔群條件下鉆割煤體的卸荷增透特征如圖10所示。割縫方式對(duì)煤層的整體卸荷增透效果具有顯著的影響。在中厚煤層中，單縫鉆孔平行布置情況下煤層的整體卸荷增透效果最好，單縫鉆孔交錯(cuò)布置情況下次之，而雙縫鉆孔間隔布置情況下最差。因?yàn)樵趩慰p鉆孔平行布置情況下，人工裂隙位于煤層的中央，因此裂隙上下兩側(cè)煤體均獲得了充分的卸荷增透。相對(duì)應(yīng)地，在單縫鉆孔交錯(cuò)布置情況下，距離人工裂隙較遠(yuǎn)一側(cè)的煤體卸荷增透不充分，因此煤層的整體卸荷增透效果次之。然而，在雙縫鉆孔間隔布置情況下，由于煤層厚度不大，雙縫鉆孔的卸荷增透范圍并不會(huì)明顯增加，反而使得普通鉆孔附近出現(xiàn)了較大范圍的應(yīng)力集中區(qū)，因此煤層的整體卸荷增透效果最差。

孔群條件下，鉆割煤體的卸壓瓦斯流動(dòng)特征如圖11和圖12所示。

可以發(fā)現(xiàn)，基于FLAC3D-COMSOL序貫耦合的數(shù)值解算方法同樣適用于孔群條件下。瓦斯含量數(shù)據(jù)表明，對(duì)于中厚煤層瓦斯抽采而言，單縫鉆孔平行布置情況下效果最好。以瓦斯抽采周期60 d為例，單縫鉆孔平行布置情況下，煤層中部最大殘余瓦斯含量?jī)H為4.37 m3/t，瓦斯抽采效果最好；單縫鉆孔交錯(cuò)布置情況下，煤層中部最大殘余瓦斯含量為6.58 m3/t，瓦斯抽采效果次之；雙縫鉆孔間隔布置情況下，煤層中部最大殘余瓦斯含量高達(dá)10.00 m3/t，瓦斯抽采效果最差。圖11和圖12中煤體的卸壓瓦斯流動(dòng)特征與圖10中煤體的卸荷增透特征相吻合。

4?結(jié)?論

1）水力割縫過程中，鉆割煤體內(nèi)發(fā)生了顯著的卸荷損傷，同時(shí)中厚煤層中部的損傷區(qū)域大于煤層的頂?shù)装逄帲疵后w的損傷區(qū)域呈現(xiàn)出圓臺(tái)形特征；伴隨著煤體的卸荷損傷，其滲透率可大幅提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，為其內(nèi)卸壓瓦斯抽采提供了有利條件。2）隨著割縫半徑和割縫厚度的增加，鉆割煤體的卸荷增透和瓦斯抽采效果均有明顯改善：隨著割縫半徑由1.00 m增加到2.00 m，煤體增透體積增加5.15倍，180 d時(shí)鉆孔的瓦斯抽采半徑由1.72 m增加到3.02 m；隨著割縫厚度由0.13 m增加到0.53 m，煤體增透體積增加16.83%，180 d時(shí)鉆孔的瓦斯抽采半徑由2.25 m提高到2.50 m。然而，在相同出煤量情況下，增加割縫半徑更有利于中厚煤層的卸荷增透和瓦斯抽采。3）深部高地應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致煤層初始滲透率下降，但也可提高鉆割煤體的增透范圍和增透幅度，因此深部區(qū)域鉆孔早期瓦斯抽采效果好，后期抽采效果差，在抽采過程中應(yīng)盡量增加鉆孔密度，縮短抽采周期；同時(shí)割縫方式對(duì)中厚煤層的整體卸壓瓦斯抽采效果具有顯著影響，單縫鉆孔平行布置情況下效果最好，單縫交錯(cuò)布置情況下次之，而雙縫間隔布置情況下效果最差。

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（責(zé)任編輯：楊泉林）