人工增透裂隙的閉合對瓦斯抽放效率的影響

牛黨明

（山西汾西礦業集團南關煤業， 山西 靈石 031300）

引言

高壓水射流割縫抽放瓦斯技術效果明顯，低滲高瓦斯煤層在經過高壓水射流切割之后，煤體得到了大規模的暴露，煤層中的裂隙系統的到很大的擴展與再造，極大地提高了低滲高瓦斯煤層的滲透性[1-2]。由于高壓水切割煤層之后，人工裂隙隨著時間趨于閉合，所以，煤層瓦斯滲透率也隨著時間而降低。那么，不同條件下人工裂隙的閉合特征會對瓦斯抽放效率造成什么樣的影響呢？

1 不同尺寸人工裂隙的閉合特征對瓦斯抽放效率的影響

人工裂隙的厚度和長度決定了人工裂隙的幾何學特征。人工裂隙長度越大，周圍的卸壓區就越大，從而使煤層增透卸壓區域更大，原則上講，為了保證瓦斯抽放效果，人工裂隙的長度應該盡可能大一點。但是人工裂隙長度過大時，人工裂隙中部閉合量就會增大，反倒是人工裂隙長度較小時人工裂隙越不容易閉合。所以，在人工裂隙厚度一定時，為了兼顧卸壓效果和降低人工裂隙閉合量，人工裂隙的長度不能太大也不能太小，應該在1.0～1.2 m之間取值為宜。

裂隙的長度越大，裂隙周圍的煤層的卸壓增透區就越大，這是提高瓦斯抽放效率的一個有利條件。但是，數值模擬的結果顯示，人工裂隙的長度越大，人工裂隙的閉合速度就越快，這一點可以也可以在Giwelli[2]的實驗中得到印證，并且這個現象在軟煤層中顯得尤為突出。從模擬的結果我們還可以得出，人工裂隙不同時，瓦斯抽放效果肯定不同，因此，合理的確定人工裂隙長度對于提高瓦斯抽放效率來說尤為重要。

模擬結果顯示，人工裂隙的厚度越大，人工裂隙的最終的閉合程度就越小，從而煤層的滲透性就越大，瓦斯抽放效率就越高。模擬結果同樣可以解釋為什么在高壓水射流切割之后，瓦斯抽放的高效率只能保持較短的時間，因為，人工裂隙的厚度會隨著時間的增加而趨于閉合，這是由于在地應力的作用下，隨著時間的增加，人工裂隙的厚度很難保持最初的切割厚度，這點在軟煤層中表現的尤為突出。

當人工裂隙厚度變化時，兩個人工裂隙的法向應力圖形狀差不多，鉆孔周圍的法向應力最小，然后越往外圍法向應力越大，而且都是壓應力。由于人工裂隙的厚度變化范圍很小，所以人工裂隙厚度的變化對卸壓區的影響并不是很大，而人工裂隙閉合量隨厚度的增大而增大的趨勢也比較平緩。總之，為了使人工裂隙不至于閉合，人工裂隙的厚度應該是越大越好，這樣既有利于增大煤層卸壓面積，又使人工裂隙不易于閉合，保障了瓦斯流通。

因此，在高壓水射流切割的過程中，切割產生的人工裂隙的厚度應該越大越好，因為這樣可以延長高瓦斯抽放率的時間。

2 不同人工裂隙間距的閉合特征對瓦斯抽放的影響

人工裂隙布置的密度對于整個高壓水射流割縫抽放瓦斯系統瓦斯抽放效率的高低有著重要影響，人工裂隙密度微小的改動都會對瓦斯抽放結果產生重大影響[5]。

數值模擬結果顯示，人工裂隙間距越大，人工裂隙隨時間閉合越快，最終裂隙的閉合量就越大。通過觀察可知，經高壓水射流切割之后，在人工裂隙周圍的煤層中會有一個卸壓增透區，在卸壓增透區中，原巖應力得到釋放，因此該區域內的應力要小于原巖應力，由滲流力學原理可知，應力越大，煤層滲透性就越差，應力越小，煤層滲透性就越高。因此，人工裂隙的間距越小，或者說人工裂隙的密度越大，煤層中形成的卸壓增透區就越多，瓦斯抽放效果就會越好。此外，人工裂隙間距越小，人工裂隙閉合速度越慢，閉合程度越小。當人工裂隙間距越小時，兩個人工裂隙周圍的卸壓增透區重合的就越多。間距為0.3 m時，兩人工裂隙之間的卸壓增透區面積較大，那么垂直作用于人工裂隙面上的法向應力就比較小，而法向應力正是導致裂隙閉合的主導因素，所以裂隙間距為0.3 m時，人工裂隙閉合程度較小。當人工裂隙間距為1.0 m時，兩個人工裂隙之間的法向應力比間距為0.3 m時已有所增大，人工裂隙周圍的卸壓增透區的應力也有所增大，所以人工裂隙間距為1.0 m時，人工裂隙閉合量較間距為0.3 m時有明顯增大。而當人工裂隙間距為1.5 m時，兩個人工裂隙周圍的卸壓增透區已經幾乎沒有重合了，并且人工裂隙周圍的法向應力也比較大，故人工裂隙閉合。很明顯的是，人工裂隙間距減小，人工裂隙閉合量和閉合速度就越小，瓦斯通過人工裂隙的阻力就越小。在實際的操作中，哪怕是人工裂隙間距有一個微小的改動，都會對瓦斯抽放效果造成很大影響。

為了保證切割后煤層中卸壓增透區盡可能的多，同時人工裂隙的閉合速度和閉合量盡可能的低一點，從而使瓦斯抽放的效率高一點，人工裂隙的間距應該越小越好，即人工裂隙應該越密越好。但是人工裂隙越密，切割的成本就越高，因此人工裂隙也不能布置的太密[3]。

3 不同煤層埋深的閉合特征對瓦斯抽放的影響

圖1是過鉆孔中心的豎直剖面上的法向應力分布圖，煤層埋深從200 m變化到1 000 m，兩個人工裂隙周圍的應力分布的形狀比較類似。細致觀察就會發現，兩個人工裂隙中間，鉆孔周圍的深色區域面積在變小，并且顏色也是逐漸變淺的。深色區域是應力較小的區域，說明人工裂隙周圍的垂直作用于人工裂隙面上的法向應力在不斷增大。埋深為200 m的時候，作用于人工裂隙面上的法向應力大約為0.64 MPa，到了埋深為400 m的時候，法向應力增加到接近1 MPa，到埋深為800 m的時候，法向應力已經超過了1 MPa，到埋深為1 000 m的時候，人工裂隙周圍的深色區域已經很小了，垂直作用于裂隙面上的法向應力大約為1.4 MPa到1.8 MPa，法向應力呈現隨埋深的增大而增大的趨勢，這也是人工裂隙閉合量隨著煤層埋深不斷增大的主要原因。

仔細觀察我們還會發現，人工裂隙邊緣部分出現了應力集中現象，不過應力集中的面積不大，這個區域的法向應力達到了3.4～3.8 MPa，是作用于人工裂隙面上的法向應力的5～6倍，是煤層中原巖應力的2倍左右。應力集中是導致煤層瓦斯滲透率降低的一個主要原因，因為應力集中可以導致裂隙的閉合，所以人工裂隙的邊緣部分瓦斯滲透率較低。此外，煤層的滲透性會隨著煤層有效應力的增大而減小[4-5]。因此，煤層埋深越大，瓦斯抽放效率就越低。

圖1 不同煤層埋深時剖面法向應力云圖

4 不同水平應力與豎直應力比的閉合特征對瓦斯抽放的影響

通過數值模擬結果我們可以知道，人工水平應力與豎直應力的比值越大，人工裂隙的閉合速度就越快。裂隙的閉合受到地層中水平應力與豎直應力比值的影響，并且煤層滲透率也會隨著水平應力與豎直應力比值的增大而減小。研究表明，僅僅一個很小的應力比（λ=水平應力/豎直應力）加載到模型的邊界上，整個模型的裂隙網絡系統的滲透率就會受到很大影響。這正是因為法向水平應力的施加導致了裂隙的閉合。

人工裂隙周圍的法向應力分布特點依然是兩個人工裂隙中間部分，鉆孔周圍顏色較深，說明該區域法向應力較小，該區域法向應力值不到1 MPa，兩個人工裂隙兩頭的法向應力略大，大約在1～1.4 MPa之間，越到外圍顏色逐漸變淺，說明越到外圍法向應力越大，到了最外層的原巖應力區，其法向應力值大約是兩個人工裂隙中間區域法向應力值的數倍，可見，卸壓增透效果最明顯的區域還是人工裂隙和鉆孔周圍的區域。每個人工裂隙的邊緣區域都有一個應力集中區域，該區域的法向應力值約是原巖應力區法向應力值的數倍。值得注意的一個現象是，隨著應力比的不同，該應力集中區域的面積也不相同，當應力比為2.5和3.0時，該應力集中區域面積最大。由于應力集中區域裂隙受壓，煤層瓦斯滲透性較差，所以為了保證瓦斯滲透性，應該避免人工裂隙周圍應力集中現象的出現。

因此，當其他條件不變時，煤層瓦斯滲透率隨著水平應力與豎直應力比值的增大而減小。

5 結論

1）人工裂隙厚度越大，煤層滲透性越高，瓦斯抽放效率越高。

2）人工裂隙長度越大，煤層卸壓增透區越大，有利于提高瓦斯抽放效率。但人工裂隙長度越大，人工裂隙閉合越快，反而不利于瓦斯抽放。因此，人工裂隙長度不宜過大，也不宜太小。

3）人工裂隙的間距應盡可能小，這樣煤層卸壓增透區越大，有利于瓦斯抽放。

4）為保證瓦斯抽放效率，鉆孔的布置最好沿著煤層傾向。

5）煤層埋深越大，煤層滲透率越低，瓦斯抽放效率越低。

6）水平應力與豎直應力的比值越大，瓦斯抽放效率越低。