水力割缝增强掘进工作面煤体卸压效果研究

张希宇，王慧杰，赵阳升

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

水力割缝增强掘进工作面煤体卸压效果研究

张希宇，王慧杰，赵阳升

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

为能提高低渗透煤层的透气性，减少瓦斯突出灾害，采用高压水力割缝技术，对掘进工作面的煤体进行水力割缝，通过割缝增大煤层的卸压范围；采用FLAC3D对选取模型进行数值模拟计算和多种割缝高度的方案分析，最终确定掘进工作面及两帮煤体很好卸压时所需切割的有效割缝高度。

水力割缝；数值模拟；割缝高度；卸压程度

1 概述

我国多数煤层属于低渗透煤层，相关研究表明，煤层埋深对煤体的渗透性影响显著，认为“卸压是提高低渗透煤层瓦斯渗透率的有效途径”［1］。经对掘进煤巷利用高压水力割缝，使巷道煤层卸压、煤层裂隙数量增多、提高瓦斯抽放率，可改善低渗透煤层的渗透性。国内有关人员在利用水力割缝研究煤与瓦斯突出方面做了相应的研究，并取得一定的成果［2-4］。本文采用水力割缝技术模拟某矿掘进工作面，研究了不同割缝高度对掘进工作面所辖煤体的卸压程度，得出有效的割缝高度。

2 水力割缝在掘进工作面煤层的卸压机理

水力割缝技术是为有效解决低渗透煤层瓦斯抽放提出的煤层卸压措施。水力割缝后，煤层应力重新分布，缝槽使得割缝前煤层产生卸压区，在缝槽的上部煤体局部会产生拉应力区。割缝后形成的煤体空间释放了原来煤体内的一部分有效体积应力，从而达到层内的自我解放；煤层在地应力作用下发生了不同程度的位移，因此产生了塑性变形区，经过一段时间后发现割缝空间的体积明显减小，甚至被周围煤体所填充，由此可知割缝周围煤体向割缝空间产生位移。割缝在煤层形成的卸压区域内，原有的煤体裂隙张开、扩展、形成新的破坏裂隙，可显著提高煤体的透气性。掘进工作面巷道周围的煤体，在高压水射流的切割、冲击作用下，将会产生弹塑性破坏，这会不同程度地增加了煤体内裂隙和裂缝的数量，增大煤层内孔隙、裂隙、裂缝的连通面积，煤层的渗透率得到明显提高［5］。

3 数值模拟计算模型

本次数值模拟以某矿资料为依据，对掘进工作面煤层实施高压水力割缝，煤体将会产生较寻常抽放钻孔更大的变形破坏，为了尽量保证计算的准确度和避免边界的影响，模型尺寸取为长60m×宽30m×高24m，煤层厚度6m，顶板岩层厚度10m，底板厚度8m，掘进工作面断面尺寸5m×4m，工作面两帮计算宽度各取27.5m。煤壁上沿水平方向打三个钻孔，钻孔间距约1.65m，水平钻孔直径约100mm，钻孔距离煤层底板铅垂距离为1m，用水力割缝装置对钻孔实行高压水力割缝，割缝长度单侧850mm。割缝长度与宽度不变，调节高度依次定为30mm、40mm、50mm。

采用FLAC3D软件进行数值模拟，计算3种割缝高度，三种模型的总单元数不同，顶底板处的单元尺寸和煤层处单元均不同，仅以3cm割缝高度的模型为例，本次模型采取实际煤层埋深400m，两边及厚度边界均用水平位移约束，下方采用竖直位移约束，模型的物理力学参数如表1所示。

4 水力割缝区的煤体卸压效果分析

数值模拟完成后，割缝引起煤层应力转移，煤层卸压后的应力、等值线，见图1-图3。以上是三种割缝高度的垂向应力等值线图，煤层埋深400m，弹性模量1.86GPa，抗压强度26mPa，水力割缝卸压后引起的煤层应力转移的数值结果，从图中发现，当煤巷掘进工作面的煤岩物理参数不变，仅改变割缝高度时，缝槽周围的煤岩体在不同位置呈现了不同程度的卸压现象，以30mm为例，缝槽上下边缘处的垂向应力值几乎为0，缝槽上方4m处垂向应力值为2mPa，卸压程度80%；上方5m处应力值4mPa，卸压程度60%；煤层与顶板衔接处应力值6mPa，卸压程度40%；顶板上方2m～3m处应力值8mPa，在以上逐渐恢复原始应力值；缝槽下方与底板衔接处应力值2mPa，卸压程度80%；底板下边界处应力值8.4mPa，卸压程度接近20%，说明水力割缝后底板卸压程度好于顶板。再从40mm和50mm图中发现这两种割缝高度的水力割缝卸压效果几乎与30mm相同，这说明只需采取割缝高度为30mm时，就能使煤层最大程度卸压。

图4 割缝高度50mm垂向应力等值线图

图5 割缝高度30mm竖直位移等高线图

见图4，由竖直位移等值线发现，割缝后的煤岩体向缝槽空间产生的位移情况，随距离缝槽距离不同而有不同变化，缝槽上方0.5m处最大竖直位移5.3cm，上方1m处位移4.5cm，上方2m处位移4cm，上方3m处位移3cm，煤层与顶板衔接处位移1.5cm。缝槽下方最大竖直位移2cm，与底板衔接处1.5cm；距离缝槽越远，位移量逐渐减小。正是因为水力割缝产生的缝槽使其周围的煤体向缝槽移动，缝槽周围的煤体即会卸压，由于卸压使煤层中原有的孔隙裂隙和裂缝等都得到了不同程度的增大，会产生一部分新生裂隙，改变了煤体的孔隙率和渗透率，大大增强了煤体的渗透性。

见图5和图6，由图发现，缝槽左右两侧出现了应力集中区，在距离两侧1m处，应力峰值达到了22mPa，然后在距离左右两侧10m的范围内，应力又恢复到了原始应力值；缝槽上方3m处的煤体卸压程度达到了80%，上方与顶板衔接处的煤体卸压程度达到了50%，上方10m的顶板卸压程度接近20%；下方的煤体卸压效果更加明显，与底板衔接处卸压达90%，下方缝槽附近煤体卸压程度80%多，下方5m处的底板卸压效果将近40%，底板边界处应力值8.4mPa，故底板的卸压程度要明显好于顶板的卸压程度。通过以上分析表明：采取割缝高度为30mm即可使煤岩体最大程度卸压。

图5 缝槽上下方不同距离垂向应力分布

图6 缝槽左右侧不同距离垂向应力分布曲线

5 结论

本文运用FLAC3D软件对煤矿掘进工作面进行高压水力割缝模拟后，对煤体卸压效果的研究，得出以下结论：（1）通过对某矿掘进工作面进行模拟，建立数值模拟模型，然后依据煤岩体物理力学参数，采用FLAC3D软件对掘进工作面设置不同的水力割缝高度进行多次卸压效果的数值模拟。（2）通过对模拟数据的分析发现：由于水力割缝的缝槽距离煤层底板高度为1m，故水力割缝后煤层地板的卸压程度要明显高于顶板的卸压程度。（3）通过对三种割缝高度的应力曲线研究，针对于本文的煤岩体的模型，当水力割缝的高度取30mm时，煤体表现出了与40mm、50mm割缝时同样明显的卸压程度。因此，对于本文给定埋深为400m和一定物理力学参数的的煤层，切割一条高度为30mm的缝，就可使煤层最大程度地接近于完全卸压。

[1] 赵阳升,杨栋,胡耀青,冯增朝,等.低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究[J].煤炭学报，2002，26(5)：455-458.

[2] 湖南煤研所,湖南红卫煤矿.高压水力割缝防止煤与瓦斯突出[J].煤矿安全.1986(5):4-10.

[3] 冯增朝,康 健,段康廉.煤体水力割缝中瓦斯突出现象实验与机理研究[J].辽宁工程技术大学学报,2001,20(4):443-445.

[4] 瞿涛宝.试论水力割缝技术处理煤层瓦斯的效果[J].1996,8(3):51-53.

[5] 王启金,张毅,李国印.水力割缝防突技术应用实践[J].煤,2008,17(11):65-66.

Pressure Relief Effect on Driving Face with Hydraulic Slotting

ZHANG Xi-yu,WANG Hui-jie,ZHAO Yang-sheng
(College ofmining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

To improve the permeability of low-permeability coal bed and to decrease gas outburst disasters,high pressure hydraulic slotting was applied in driving face to increase the pressure relief range with slotting.Numerical simulation of selectedmodels with FLAC3Dwas used to determine the valid slotting height where the driving face and two sides had idea pressure relief effect.

hydraulic slotting;numerical simulation;slotted height;pressure relief degree

TD713.34

A

1672-5050（2012）10-0041-03

2012-07-12

张希宇（1985—），男，河北唐山人，在读硕士研究生，从事特殊条件的采矿工作。

刘新光