水力割縫增強掘進工作面煤體卸壓效果研究

張希宇，王慧杰，趙陽升

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

水力割縫增強掘進工作面煤體卸壓效果研究

張希宇，王慧杰，趙陽升

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

為能提高低滲透煤層的透氣性，減少瓦斯突出災害，采用高壓水力割縫技術，對掘進工作面的煤體進行水力割縫，通過割縫增大煤層的卸壓范圍；采用FLAC3D對選取模型進行數值模擬計算和多種割縫高度的方案分析，最終確定掘進工作面及兩幫煤體很好卸壓時所需切割的有效割縫高度。

水力割縫；數值模擬；割縫高度；卸壓程度

1 概述

我國多數煤層屬于低滲透煤層，相關研究表明，煤層埋深對煤體的滲透性影響顯著，認為“卸壓是提高低滲透煤層瓦斯滲透率的有效途徑”［1］。經對掘進煤巷利用高壓水力割縫，使巷道煤層卸壓、煤層裂隙數量增多、提高瓦斯抽放率，可改善低滲透煤層的滲透性。國內有關人員在利用水力割縫研究煤與瓦斯突出方面做了相應的研究，并取得一定的成果［2-4］。本文采用水力割縫技術模擬某礦掘進工作面，研究了不同割縫高度對掘進工作面所轄煤體的卸壓程度，得出有效的割縫高度。

2 水力割縫在掘進工作面煤層的卸壓機理

水力割縫技術是為有效解決低滲透煤層瓦斯抽放提出的煤層卸壓措施。水力割縫后，煤層應力重新分布，縫槽使得割縫前煤層產生卸壓區，在縫槽的上部煤體局部會產生拉應力區。割縫后形成的煤體空間釋放了原來煤體內的一部分有效體積應力，從而達到層內的自我解放；煤層在地應力作用下發生了不同程度的位移，因此產生了塑性變形區，經過一段時間后發現割縫空間的體積明顯減小，甚至被周圍煤體所填充，由此可知割縫周圍煤體向割縫空間產生位移。割縫在煤層形成的卸壓區域內，原有的煤體裂隙張開、擴展、形成新的破壞裂隙，可顯著提高煤體的透氣性。掘進工作面巷道周圍的煤體，在高壓水射流的切割、沖擊作用下，將會產生彈塑性破壞，這會不同程度地增加了煤體內裂隙和裂縫的數量，增大煤層內孔隙、裂隙、裂縫的連通面積，煤層的滲透率得到明顯提高［5］。

3 數值模擬計算模型

本次數值模擬以某礦資料為依據，對掘進工作面煤層實施高壓水力割縫，煤體將會產生較尋常抽放鉆孔更大的變形破壞，為了盡量保證計算的準確度和避免邊界的影響，模型尺寸取為長60m×寬30m×高24m，煤層厚度6m，頂板巖層厚度10m，底板厚度8m，掘進工作面斷面尺寸5m×4m，工作面兩幫計算寬度各取27.5m。煤壁上沿水平方向打三個鉆孔，鉆孔間距約1.65m，水平鉆孔直徑約100mm，鉆孔距離煤層底板鉛垂距離為1m，用水力割縫裝置對鉆孔實行高壓水力割縫，割縫長度單側850mm。割縫長度與寬度不變，調節高度依次定為30mm、40mm、50mm。

采用FLAC3D軟件進行數值模擬，計算3種割縫高度，三種模型的總單元數不同，頂底板處的單元尺寸和煤層處單元均不同，僅以3cm割縫高度的模型為例，本次模型采取實際煤層埋深400m，兩邊及厚度邊界均用水平位移約束，下方采用豎直位移約束，模型的物理力學參數如表1所示。

4 水力割縫區的煤體卸壓效果分析

數值模擬完成后，割縫引起煤層應力轉移，煤層卸壓后的應力、等值線，見圖1-圖3。以上是三種割縫高度的垂向應力等值線圖，煤層埋深400m，彈性模量1.86GPa，抗壓強度26mPa，水力割縫卸壓后引起的煤層應力轉移的數值結果，從圖中發現，當煤巷掘進工作面的煤巖物理參數不變，僅改變割縫高度時，縫槽周圍的煤巖體在不同位置呈現了不同程度的卸壓現象，以30mm為例，縫槽上下邊緣處的垂向應力值幾乎為0，縫槽上方4m處垂向應力值為2mPa，卸壓程度80%；上方5m處應力值4mPa，卸壓程度60%；煤層與頂板銜接處應力值6mPa，卸壓程度40%；頂板上方2m～3m處應力值8mPa，在以上逐漸恢復原始應力值；縫槽下方與底板銜接處應力值2mPa，卸壓程度80%；底板下邊界處應力值8.4mPa，卸壓程度接近20%，說明水力割縫后底板卸壓程度好于頂板。再從40mm和50mm圖中發現這兩種割縫高度的水力割縫卸壓效果幾乎與30mm相同，這說明只需采取割縫高度為30mm時，就能使煤層最大程度卸壓。

圖4 割縫高度50mm垂向應力等值線圖

圖5 割縫高度30mm豎直位移等高線圖

見圖4，由豎直位移等值線發現，割縫后的煤巖體向縫槽空間產生的位移情況，隨距離縫槽距離不同而有不同變化，縫槽上方0.5m處最大豎直位移5.3cm，上方1m處位移4.5cm，上方2m處位移4cm，上方3m處位移3cm，煤層與頂板銜接處位移1.5cm。縫槽下方最大豎直位移2cm，與底板銜接處1.5cm；距離縫槽越遠，位移量逐漸減小。正是因為水力割縫產生的縫槽使其周圍的煤體向縫槽移動，縫槽周圍的煤體即會卸壓，由于卸壓使煤層中原有的孔隙裂隙和裂縫等都得到了不同程度的增大，會產生一部分新生裂隙，改變了煤體的孔隙率和滲透率，大大增強了煤體的滲透性。

見圖5和圖6，由圖發現，縫槽左右兩側出現了應力集中區，在距離兩側1m處，應力峰值達到了22mPa，然后在距離左右兩側10m的范圍內，應力又恢復到了原始應力值；縫槽上方3m處的煤體卸壓程度達到了80%，上方與頂板銜接處的煤體卸壓程度達到了50%，上方10m的頂板卸壓程度接近20%；下方的煤體卸壓效果更加明顯，與底板銜接處卸壓達90%，下方縫槽附近煤體卸壓程度80%多，下方5m處的底板卸壓效果將近40%，底板邊界處應力值8.4mPa，故底板的卸壓程度要明顯好于頂板的卸壓程度。通過以上分析表明：采取割縫高度為30mm即可使煤巖體最大程度卸壓。

圖5 縫槽上下方不同距離垂向應力分布

圖6 縫槽左右側不同距離垂向應力分布曲線

5 結論

本文運用FLAC3D軟件對煤礦掘進工作面進行高壓水力割縫模擬后，對煤體卸壓效果的研究，得出以下結論：（1）通過對某礦掘進工作面進行模擬，建立數值模擬模型，然后依據煤巖體物理力學參數，采用FLAC3D軟件對掘進工作面設置不同的水力割縫高度進行多次卸壓效果的數值模擬。（2）通過對模擬數據的分析發現：由于水力割縫的縫槽距離煤層底板高度為1m，故水力割縫后煤層地板的卸壓程度要明顯高于頂板的卸壓程度。（3）通過對三種割縫高度的應力曲線研究，針對于本文的煤巖體的模型，當水力割縫的高度取30mm時，煤體表現出了與40mm、50mm割縫時同樣明顯的卸壓程度。因此，對于本文給定埋深為400m和一定物理力學參數的的煤層，切割一條高度為30mm的縫，就可使煤層最大程度地接近于完全卸壓。

[1] 趙陽升,楊棟,胡耀青,馮增朝,等.低滲透煤儲層煤層氣開采有效技術途徑的研究[J].煤炭學報，2002，26(5)：455-458.

[2] 湖南煤研所,湖南紅衛煤礦.高壓水力割縫防止煤與瓦斯突出[J].煤礦安全.1986(5):4-10.

[3] 馮增朝,康 健,段康廉.煤體水力割縫中瓦斯突出現象實驗與機理研究[J].遼寧工程技術大學學報,2001,20(4):443-445.

[4] 瞿濤寶.試論水力割縫技術處理煤層瓦斯的效果[J].1996,8(3):51-53.

[5] 王啟金,張毅,李國印.水力割縫防突技術應用實踐[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

張希宇（1985—），男，河北唐山人，在讀碩士研究生，從事特殊條件的采礦工作。

劉新光