低透气性煤层水射流瓦斯增透关键技术研究

张小军

(陕西省煤炭科学研究所，陕西 西安 710001)

0 引 言

伴随着经济的长足发展对资源需求日益增多，中国煤矿开采规模的进一步扩大和开采深度也持续向深部发展，造成了煤矿瓦斯治理难度大幅提升[1-5]。因此，提高瓦斯抽采效率就成为一个迫在眉睫的研究课题。

国内外研究人员针对瓦斯增透技术的研究已经取得一定的成果。GORTLER利用偏微分方程求解平面平行射流的边界问题，得到其理论解[6]；SCHLICHTING采用实验研究的方法验证上述问题的理论解[7]；FARMER等在对岩石穿透力研究时采用水射流切割技术[8]；之后又探讨了岩石在射流压力作用下裂隙的发育扩展方式、裂隙的产生准则[9-10]以及流体的压力分布规律[11]，为后期应用于煤矿开采及瓦斯抽采提供一定的理论基础；唐建新等为了解决瓦斯抽采难的问题，提出在原有钻孔技术的基础上采用水射流切割煤体[12]；李杭州等以岩石断裂及细观损伤力学理论为基础，分别讨论射流压力作用下煤岩尖端裂纹扩展的发生准则和损伤范围以及其发育延展方向，为现场工程提供一定理论依据[13]；孙小明等采用穿层钻孔水射流扩孔技术进行强化增透，解决九里山煤矿煤层透气性差、区域预抽不能有效消突的问题，处理过后煤层气抽采效率显著提高[14]；邱春亮等采用模拟试验与现场实际相结合的方法对硫磺沟矿进行高位钻孔抽采，最终达到降低瓦斯浓度的效果[15]；国林东等采用自行研究“钻-割-封”技术，后瓦斯的抽采浓度及抽采纯量均获得提升，并且实现煤层的卸压增透[16]；杜昌华等针对煤层水文地质条件复杂、瓦斯治理难等问题，结合水射流瓦斯增透的技术原理，提出“钻孔扩孔一体化”的增透技术措施，以此为基础在矿区内开展试验研究并取得成功[17]；任仲久结合理论分析、室内实验与现场工业性验证，确定水射流冲孔技术对余吾矿主采煤层的卸压增透效果[18]；刘见中等通过研究认为煤矿中煤与瓦斯共采仍存在极大的缺点，对于煤层气的开发利用急需完善或开发现有设备以满足今后的生产需要[19]。

水射流瓦斯增透技术通过增加煤岩内贯通裂隙的范围及数量[20-21]，有效提高低渗透煤层的透气性及瓦斯抽采效率。但关于水射流压力变化对于瓦斯增透效果的相关研究还较少，因此，文中拟对于瓦斯增透的压力选择最优解进行研究，为今后瓦斯增透技术的发展应用提供新思路。

1 水射流瓦斯增透控制方程

1.1 基本假设

1)假设煤体为半无限大块体，边界条件以无反射边界处理。

2)为了简化计算将煤体看做是均质、连续和各向同性的固体。

3)假设连续水射流为一段有初始速度的运动水柱，且将其视为理想流体且不可压缩。

4)文中不考虑水、煤和瓦斯三者共同耦合的作用。

1.2 水射流瓦斯增透机理分析

基于流体连续介质理论[22]，得到高压水柱冲击煤体的控制方程如下

(1)

(2)

(3)

δij=-Pδij+μ(ui·j+uj·i)

(4)

水射流和被冲击煤体的对称边界条件分别为

VZ|Z=0=0

(5)

Vx|x=0=Vy|y=0=0

(6)

x，y，z这3个方向上底部位移的边界条件分别是

(7)

取模型中任一两截面，代入伯努利方程可得

(8)

不计式(8)中压头损失与高度差的影响可得

(9)

式中p1，p2为两截面所受的压力；v1，v2为两截面中水的流速。

通过水流的连续性可知

v1A1=v2A2

(10)

式中A1，A2为两截面的面积，其中A=πd2/4，d1，d2分别为两截面的直径。

联立式(9)(10)解得圆形喷嘴处的流速

(11)

结合水射流试验可知式(11)中，p1远大于p2，(d2/d1)4远小于1，同时将ρ=998 kg/m3代入式(11)，射流流速和流量简化计算公式为

(12)

(13)

式中vl为射流速度；ql为射流流量；p为射流压力；d为喷嘴出口处直径。

由式(12)(13)可以看出，当喷嘴直径不变时，射流压力与射流流速及流量呈正相关趋势变化；当流量不变时，射流压力与喷嘴直径呈反相关趋势发展。

2 水射流瓦斯增透数值模拟研究

2.1 模型网格划分

为了更好的贴合现场实际中煤岩的失效变化，文中将煤体材料看作是各向同性与随动硬化的混合体，采用塑性随动硬化模型对煤体进行模拟，该模型与应变率相关。

煤样的具体参数见表1。

表1 煤体物理力学参数

设射流水对煤体的作用过程中受力是对称的，据此建立了射流水冲击煤体的1/4模型，如图1所示。煤样模型为1 m×1 m×0.2 m(长×宽×高)。其中水柱尺寸为直径0.03 m，长度0.04 m，射流方向沿XY平面45°方向。

图1 水射流冲击煤体示意(1/4)

模型单元类型取3D Solid 164实体单元，单元网格分别按0.20 cm，0.80 cm，1.60 cm长度划分，模型单元数为413 722，节点数为207 122。建模过程中对水柱和煤体分别进行了不同材料种类的网格划分，针对水柱区域与和水柱接触部分的煤体均采用Sweep划分法，其余未接触煤体材料采用映射网格划分法。

2.2 不同射流压力作用下煤岩数值模拟分析

由于煤体在射流作用下应力应变关系十分复杂[23-24]，要使用LS-PREPOST后处理软件绘出模型指定射流单元有效应力随时间变化的曲线以及不同时刻的模型整体有效应力云图。在对射流单元进行隐藏后可以更加方便的观察到煤体材料的有效应力变化。

利用后处理软件LS-PREPOST对计算结果进行处理，分别得到20，40，60，80 MPa射流压力下的Mises有效应力云图。

射流压力为20，40，60，80 MPa时，水射流冲击煤体全过程的有效应力云图如图2所示。

由图2可知，射流水压分别为20，40，60，80 MPa，冲击时间分别在4 150，8 500，9 500，10 500 μs时，最大有效应力基本不再变化，冲击距离也达到最大值。就整个冲击过程而言，煤岩中最大有效应力随着冲击距离的增加而逐渐减小。

图2 不同水压下冲击到最远距离时煤岩有效应力分布

2.3 数值模拟结果分析

利用后处理软件LS-PROPOST的Identity和Find功能确定观测指定单元点，再采用History功能将指定测点A(570)的位移时程及速度时程记录下来，如图3所示，用以体现射流冲击位移的长短以及冲击速度衰减。射流压力及水柱最远冲击影响范围的参数值见表2。

图3 测点位置

由表2及图4可知，随着射流水压的增大，射流冲击的影响范围逐渐扩大。结合本节2.2数值模拟部分，在冲击水压为60 MPa时，冲击深度趋于平缓峰值波动较小且冲击的效率最佳。

图4 射流压力及冲击深度的关系曲线图

表2 射流压力及水柱最远冲击影响范围

3 试验效果分析

3.1 室内切割试验

考虑到现场实际加压问题，如果射流压力过大喷嘴结构承受不住压力会发生破坏[25]。因此，在煤矿取样后进行了室内切割煤样试验时，选择冲击水压为60 MPa。加工了直径为3 mm,4 mm,5 mm,6 mm这4种不同直径的喷嘴进行切割试验。如图5所示。可以发现在喷嘴直径为3 mm时，射流水柱较为集中无雾化现象，其切割效果良好，可以达到600～800 mm的切割深度。

图5 水射流增透瓦斯室内切割效果

3.2 工业性试验结果分析

工业性实验在神华宁夏煤业集团位于贺兰山北段的汝箕沟煤矿进行开展。汝箕沟矿井的煤层分布特征[26-27]如下：

汝箕沟煤矿在开采浅部煤层时，瓦斯相对涌出量小于10 m3/t。近年来，伴随着开采深度的增加，瓦斯涌出量明显增高。曾出现过瓦斯相对涌出量达到51.8 m3/t的情况。因此，要采用水射流瓦斯增透技术提前抽出瓦斯以保障煤矿的安全开采，防止瓦斯突涌事故的发生。

文中采用的水射流瓦斯增透系统由以下4部分组成，分别是：水压供给系统、保压传递系统、回流系统、旋转切割系统，如图6所示。

图6 水射流增透瓦斯系统

在矿井的32211综采工作面机巷内选取了4个钻孔，采用射流压力为60 MPa进行了现场试验并对数据详细记录，如图7所示。

图7 煤体切割前后瓦斯抽采量

由图7可知，未使用水射流瓦斯增透技术前7号、8号、10号钻孔平均抽采量约为40 m3/d左右，7号、8号、10号钻孔分别在第23 d、第26 d、第25 d时采用水射流瓦斯增透割缝技术；采用割缝技术后瓦斯抽采量先迅速上升，在后续抽采过程中抽采量缓慢下降，但是衰减后的抽采量也远大于射流切割前的瓦斯抽采量。将13号钻孔的瓦斯抽采量作为对照组，不进行切缝处理，其基本处于线性下降状态。表明在采用水射流瓦斯增透技术后可以有效地提高瓦斯抽采率，对于类似的工程实践有一定的借鉴意义。

4 结 论

1)基于流体连续介质理论，联立连续性方程、动量方程、能量方程及张量总和表达式建立了水射流瓦斯增透切割煤体的控制方程，得到了射流流速、水流量与注水压力之间的理论关系式。

2)将材料看成各向同性及随动硬化的混合模型并对射流压力为20，40，60及80 MPa分别进行了数值模拟。射流压力越大，切割深度越远；但切割压力越大，伴随而来的峰值应力不稳定现象越剧烈。

3)通过实验室实验后初步确定在冲击水压为60 MPa时，选取喷嘴直径为3 mm，冲击的效率最佳，其切割过程中最大有效应力波动范围较小，且切割深度可达600～800 mm。

4)综采工作面钻孔试验表明，7号、8号及10号钻孔采用水射流瓦斯增透技术切割煤体，人工增大煤体的内部裂隙破裂范围，增加煤体内瓦斯的析出途径，达到了提升瓦斯抽采率的效果；而13号钻孔未采用任何措施，其瓦斯抽采率远低于7号、8号及10号钻孔。