金刚石串珠绳锯切割煤层卸压渗流规律分析

杨党震,李树清,杨凤玲,李波,段蓉

(1.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制国家安全生产重点实验室,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201)

随着煤炭资源开采逐渐由浅部进入深部,煤层的低透气性越发成为制约瓦斯高效抽采的关键因素,而煤层卸压增透技术是提高瓦斯抽采效率的重要手段.鉴于此,国内外专家提出水力冲孔、水力压裂、深孔预裂爆破和二氧化碳致裂等造缝卸压增透技术,并进行了大量研究[1-8].林柏泉等[9-10]研究了煤层割缝后缝槽如何卸压和防突的机理,研究发现割缝后在其工作面前方形成了卸压区,缝槽的卸压效果主要与缝槽的形状与长度相关;刘厅等[11]研究了水力割缝预抽后煤体的孔隙结构特征,提出将液氮吸附和压汞相结合的方法表征煤体孔隙结构,从而揭示了割缝预抽煤层卸压增透技术的微观机理;赵阳升等[12]研究了煤层不同埋藏深度、不同割缝宽度缝槽附近的卸压范围和卸压效应.这些研究成果进一步证实割缝卸压技术可以改善瓦斯抽采效果,提高瓦斯抽采效率.而这些割缝技术均只是断续造缝,很难进行连续的大面积煤层割缝,如果增加割缝的扰动范围又将会加大瓦斯处理工作量和投资.为此笔者课题组通过前期调研,提出了一种可在煤层内部连续割缝、实现煤层大面积卸压增透的新技术——金刚石串珠绳锯切割煤层卸压增透技术.本文拟通过煤体瓦斯渗流试验得出不同损伤煤样的应力-渗透率拟合公式,并在此基础上采用FLAC3D数值模拟方法,分析割缝后煤层的应力及渗透率分布规律.论文研究成果对于金刚石串珠绳锯切割煤层的工程实践具有一定指导意义.

1 金刚石串珠绳锯割缝工艺

将金刚石串珠绳锯机应用到煤矿井下作业时,需要综合考虑巷道布置、支护方式、切割煤层厚度、切割煤层面积等因素.金刚石串珠绳锯切割煤层的工艺布置如图1所示.首先在煤层中钻孔,然后将绳锯穿过钻孔形成闭合的输送回路,导向轮用来固定绳锯位置及控制绳锯切割行进方向,绳锯机作为驱动系统,推动串珠绳高速运动进行切割,切割过程中在串珠绳的入绳口设有喷口以进行降尘减热.根据所切割煤层的具体工况依次在煤层中间切割相应数量的缝槽(图1中割缝数量为3条).从2012年开始,笔者项目组对金刚石串珠绳锯切割煤层这一工艺进行了大量的前期研究工作,并在煤矿井下试验,绳锯机在高地应力环境下的切割速率达到70～80 m2/h,实现了有效围割煤层面积达1 500 m2,割缝效果良好.其现场作业情景如图2所示.

图1 金刚石串珠绳锯切割煤层工艺布置

图2 金刚石串珠绳锯切割煤层现场

2 绳锯切割煤层后不同损伤程度煤样瓦斯渗流试验

本次试验煤样取自开滦矿区某矿5#煤层,采用岩芯钻机制取标准煤样Ф50 mm×100 mm,包括3个弹性煤样和3个裂隙煤样.不同损伤程度的煤样制备方法:弹性煤样是由岩芯钻机直接制取后磨平两端获得;裂隙煤样是将制得的弹性煤样通过RMT-150C设备进行单轴压缩,直至出现贯穿裂隙时立即停止压缩操作,即获得裂隙煤样.将制备完成的煤样进行尺寸、质量等基本参数测量并编号.煤样基本信息如表1和表2所示.

表1 弹性煤样的基本参数

表2 裂隙煤样的基本参数

为了得出不同损伤煤样的应力-渗透率关系,对其进行瓦斯渗流试验.此次试验使用装置为RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸渗流系统,如图3所示,其主要技术指标如表3所示.该渗流试验系统与一般瓦斯渗流装置相比,其优点在于该装置综合考虑了温度的控制,具有一定自动化程度,并且操作简单,测量精度较高,还可以进行长时间的蠕变加载.

图3 RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸渗流系统

表3 试验设备的主要技术指标

根据绳锯切割工艺煤体的受力特征,渗流试验应力路径采用3次等压循环加卸载方式,其最大加载峰值为16 MPa,如图4所示.

图4 3次等压循环加卸载

对不同损伤煤样做3次循环加卸载的瓦斯渗流试验,确定弹性煤样与裂隙煤样的渗透性.再通过对各煤样的应力-渗透率的拟合,得出各煤样在3次循环加卸载下的应力-渗透率拟合公式,如表4所示.

表4 各煤样3次循环加卸载应力-渗透率拟合公式

3 绳锯切割煤层数值模拟分析

3.1 建立模型及参数

图5 数值模拟模型

根据煤层绳锯割缝工程实际,采用FLAC3D软件建立长宽高为200 m×136 m×18 m的数值模型,如图5所示.设置数值模拟模型的边界条件:前后左右边界为辊支撑边界条件,下边界为固定约束边界条件,上边界施加10 MPa垂直应力.

模型岩层分布如图6所示,各岩层力学参数如表5所示.

图6 模型岩层分布情况

表5 数值模拟各岩层力学参数

3.2 计算煤层渗透率

将表4中获得的应力-渗透率拟合公式导入FLAC3D数值模拟软件,在软件中建立如图7所示的渗透率更新程序,由软件根据煤体损伤状态去判断加载和卸载的过程,确定其相应区域使用的应力-渗透率拟合公式.

图7 煤体渗透率更新程序

3.3 金刚石串珠绳锯切割煤层模拟结果分析

3.3.1 金刚石串珠绳锯切割煤层覆岩应力变化规律

图8 缝槽上部煤岩体垂直应力随绳锯割煤工作面推进变化情况

为了掌握金刚石串珠绳锯切割煤层过程中垂直应力和渗透率分布情况,在数值模型中沿绳锯割煤工作面推进方向设置一条应力和渗透率监测线,监测割煤工作面推进至30，60，90 m时缝槽上方0.5 m处的应力和渗透率状态.图8为垂直应力数值监测结果.

从图8可以看出:绳锯切割煤层过程中,缝槽周边煤岩体的应力平衡状态被破坏,应力重新分布;缝槽两侧外部出现应力集中现象,应力值最高升至14.5 MPa,缝槽内部出现应力降低现象,其应力最低降至7.1 MPa;随着工作面依次推进至30，60，90 m的过程中,应力减小的区域越来越大,卸压范围增大.

图9 切割多条缝时垂直应力的分布

由于串珠绳锯的切割厚度非常小(国内生产的绳锯最大直径为30 mm),切割时对煤层应力场的影响范围较为有限.为了增大卸压范围,在绳锯切割完1条缝槽之后,在其下方再进行多次切割,获得了多条割缝的垂直应力分布曲线,如图9所示.

从图9中发现:切割1条缝时应力值最大降低到7.1 MPa,切割2条缝时应力值可以降到4.9 MPa,切割3条缝时应力值最大可以降到2.9 MPa.与此同时,卸压范围也随着缝槽数量的增多而扩大,切割1,2,3条缝时卸压影响范围分别为11,15,20 m.也就是说,随着对煤层切割次数的增多,卸压程度提高,卸压范围扩大.

3.3.2 切割1条缝时煤岩体渗透率变化规律

对仿真结果进行后处理分析,获得绳锯切割1条缝过程中不同推进距离、缝槽不同高度位置处的煤层渗透率分布规律,分别如图10和图11所示.

图10 不同推进距离渗透率的分布特征

根据图10可以看出:当金刚石串珠绳锯切割煤层后,煤层的渗透率得到了提高.煤层切割30 m时,起割位置及止割位置的渗透率接近1 md,割缝工作面上方区域渗透率也发生了变化,从0.1 md升高到0.7 md左右.从渗透率的数值变化可以看出,随着工作面向前推进,割缝对渗透率的影响范围也逐渐增大,即渗透率值增加的范围逐渐扩大.但绳锯切割工作面中间部分的渗透率值出现了小范围的减小,结合前述垂直应力演化规律分析此现象原因,主要是由于缝槽中间部分应力恢复造成的,但较未进行金刚石串珠绳锯割缝操作的区域,其渗透率的值仍然升高了0.6 md左右.

图11 缝槽上方不同高度渗透率的分布特征

分析图11可得:割缝后在距离缝槽上方0.5 m处,煤岩体形成了较大的增透范围,该范围内的渗透率均大于0.7 md;在距离缝槽上方1 m处,煤岩体渗透率大于0.7 md的区域仅在缝槽两侧的小范围内,而大部分区域的煤岩体渗透率为0.3 md;在距离缝槽上方1.5 m处,缝槽两侧以外区域渗透率几乎无明显变化.由此分析可知，距离缝槽越远,煤岩体渗透率变化值越小,割缝后煤层渗透率大小与缝槽的垂直距离成反比.

3.3.3 不同缝槽数量煤岩体渗透率分布对比

为了更直观地对比缝槽数量对煤层渗透率的影响效果,提取不同缝槽数量下缝槽上方0.5 m处煤岩体的渗透率,得到其分布情况如图12所示.

图12 缝槽上方0.5 m处渗透率分布

从图12可以发现:绳锯切割煤层后,煤岩体渗透率增加峰值出现在起割位置和止割位置,峰值附近形成倒“V”的增透范围,该增透范围随着缝槽数量增加而扩大,切割1,2,3条缝时该增透范围分别为13,18,24 m.随着对煤层切割次数的增多,卸压范围得到了扩大,渗透率也相应提高.

4 结论

1)绳锯切割破坏煤岩体原始应力平衡,在缝槽周边一定范围内形成卸压区,且卸压效果与缝槽的垂直距离成反比,同时在缝槽左右两侧出现应力集中现象.

2)随着割缝工作面推进,煤岩体增透范围逐渐扩大,随着缝槽长度增加,在缝槽中部出现渗透率提升幅度减小的现象.

3)切割缝槽数量越多,煤层应力降低值和渗透率升高值越大,即增加割缝次数可以提高卸压程度,扩大卸压增透范围.