低透氣性煤層水射流瓦斯增透關鍵技術研究

張小軍

(陜西省煤炭科學研究所，陜西 西安 710001)

0 引 言

伴隨著經濟的長足發展對資源需求日益增多，中國煤礦開采規模的進一步擴大和開采深度也持續向深部發展，造成了煤礦瓦斯治理難度大幅提升[1-5]。因此，提高瓦斯抽采效率就成為一個迫在眉睫的研究課題。

國內外研究人員針對瓦斯增透技術的研究已經取得一定的成果。GORTLER利用偏微分方程求解平面平行射流的邊界問題，得到其理論解[6]；SCHLICHTING采用實驗研究的方法驗證上述問題的理論解[7]；FARMER等在對巖石穿透力研究時采用水射流切割技術[8]；之后又探討了巖石在射流壓力作用下裂隙的發育擴展方式、裂隙的產生準則[9-10]以及流體的壓力分布規律[11]，為后期應用于煤礦開采及瓦斯抽采提供一定的理論基礎；唐建新等為了解決瓦斯抽采難的問題，提出在原有鉆孔技術的基礎上采用水射流切割煤體[12]；李杭州等以巖石斷裂及細觀損傷力學理論為基礎，分別討論射流壓力作用下煤巖尖端裂紋擴展的發生準則和損傷范圍以及其發育延展方向，為現場工程提供一定理論依據[13]；孫小明等采用穿層鉆孔水射流擴孔技術進行強化增透，解決九里山煤礦煤層透氣性差、區域預抽不能有效消突的問題，處理過后煤層氣抽采效率顯著提高[14]；邱春亮等采用模擬試驗與現場實際相結合的方法對硫磺溝礦進行高位鉆孔抽采，最終達到降低瓦斯濃度的效果[15]；國林東等采用自行研究“鉆-割-封”技術，后瓦斯的抽采濃度及抽采純量均獲得提升，并且實現煤層的卸壓增透[16]；杜昌華等針對煤層水文地質條件復雜、瓦斯治理難等問題，結合水射流瓦斯增透的技術原理，提出“鉆孔擴孔一體化”的增透技術措施，以此為基礎在礦區內開展試驗研究并取得成功[17]；任仲久結合理論分析、室內實驗與現場工業性驗證，確定水射流沖孔技術對余吾礦主采煤層的卸壓增透效果[18]；劉見中等通過研究認為煤礦中煤與瓦斯共采仍存在極大的缺點，對于煤層氣的開發利用急需完善或開發現有設備以滿足今后的生產需要[19]。

水射流瓦斯增透技術通過增加煤巖內貫通裂隙的范圍及數量[20-21]，有效提高低滲透煤層的透氣性及瓦斯抽采效率。但關于水射流壓力變化對于瓦斯增透效果的相關研究還較少，因此，文中擬對于瓦斯增透的壓力選擇最優解進行研究，為今后瓦斯增透技術的發展應用提供新思路。

1 水射流瓦斯增透控制方程

1.1 基本假設

1)假設煤體為半無限大塊體，邊界條件以無反射邊界處理。

2)為了簡化計算將煤體看做是均質、連續和各向同性的固體。

3)假設連續水射流為一段有初始速度的運動水柱，且將其視為理想流體且不可壓縮。

4)文中不考慮水、煤和瓦斯三者共同耦合的作用。

1.2 水射流瓦斯增透機理分析

基于流體連續介質理論[22]，得到高壓水柱沖擊煤體的控制方程如下

(1)

(2)

(3)

δij=-Pδij+μ(ui·j+uj·i)

(4)

水射流和被沖擊煤體的對稱邊界條件分別為

VZ|Z=0=0

(5)

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

(6)

x，y，z這3個方向上底部位移的邊界條件分別是

(7)

取模型中任一兩截面，代入伯努利方程可得

(8)

不計式(8)中壓頭損失與高度差的影響可得

(9)

式中p1，p2為兩截面所受的壓力；v1，v2為兩截面中水的流速。

通過水流的連續性可知

v1A1=v2A2

(10)

式中A1，A2為兩截面的面積，其中A=πd2/4，d1，d2分別為兩截面的直徑。

聯立式(9)(10)解得圓形噴嘴處的流速

(11)

結合水射流試驗可知式(11)中，p1遠大于p2，(d2/d1)4遠小于1，同時將ρ=998 kg/m3代入式(11)，射流流速和流量簡化計算公式為

(12)

(13)

式中vl為射流速度；ql為射流流量；p為射流壓力；d為噴嘴出口處直徑。

由式(12)(13)可以看出，當噴嘴直徑不變時，射流壓力與射流流速及流量呈正相關趨勢變化；當流量不變時，射流壓力與噴嘴直徑呈反相關趨勢發展。

2 水射流瓦斯增透數值模擬研究

2.1 模型網格劃分

為了更好的貼合現場實際中煤巖的失效變化，文中將煤體材料看作是各向同性與隨動硬化的混合體，采用塑性隨動硬化模型對煤體進行模擬，該模型與應變率相關。

煤樣的具體參數見表1。

表1 煤體物理力學參數

設射流水對煤體的作用過程中受力是對稱的，據此建立了射流水沖擊煤體的1/4模型，如圖1所示。煤樣模型為1 m×1 m×0.2 m(長×寬×高)。其中水柱尺寸為直徑0.03 m，長度0.04 m，射流方向沿XY平面45°方向。

圖1 水射流沖擊煤體示意(1/4)

模型單元類型取3D Solid 164實體單元，單元網格分別按0.20 cm，0.80 cm，1.60 cm長度劃分，模型單元數為413 722，節點數為207 122。建模過程中對水柱和煤體分別進行了不同材料種類的網格劃分，針對水柱區域與和水柱接觸部分的煤體均采用Sweep劃分法，其余未接觸煤體材料采用映射網格劃分法。

2.2 不同射流壓力作用下煤巖數值模擬分析

由于煤體在射流作用下應力應變關系十分復雜[23-24]，要使用LS-PREPOST后處理軟件繪出模型指定射流單元有效應力隨時間變化的曲線以及不同時刻的模型整體有效應力云圖。在對射流單元進行隱藏后可以更加方便的觀察到煤體材料的有效應力變化。

利用后處理軟件LS-PREPOST對計算結果進行處理，分別得到20，40，60，80 MPa射流壓力下的Mises有效應力云圖。

射流壓力為20，40，60，80 MPa時，水射流沖擊煤體全過程的有效應力云圖如圖2所示。

由圖2可知，射流水壓分別為20，40，60，80 MPa，沖擊時間分別在4 150，8 500，9 500，10 500 μs時，最大有效應力基本不再變化，沖擊距離也達到最大值。就整個沖擊過程而言，煤巖中最大有效應力隨著沖擊距離的增加而逐漸減小。

圖2 不同水壓下沖擊到最遠距離時煤巖有效應力分布

2.3 數值模擬結果分析

利用后處理軟件LS-PROPOST的Identity和Find功能確定觀測指定單元點，再采用History功能將指定測點A(570)的位移時程及速度時程記錄下來，如圖3所示，用以體現射流沖擊位移的長短以及沖擊速度衰減。射流壓力及水柱最遠沖擊影響范圍的參數值見表2。

圖3 測點位置

由表2及圖4可知，隨著射流水壓的增大，射流沖擊的影響范圍逐漸擴大。結合本節2.2數值模擬部分，在沖擊水壓為60 MPa時，沖擊深度趨于平緩峰值波動較小且沖擊的效率最佳。

圖4 射流壓力及沖擊深度的關系曲線圖

表2 射流壓力及水柱最遠沖擊影響范圍

3 試驗效果分析

3.1 室內切割試驗

考慮到現場實際加壓問題，如果射流壓力過大噴嘴結構承受不住壓力會發生破壞[25]。因此，在煤礦取樣后進行了室內切割煤樣試驗時，選擇沖擊水壓為60 MPa。加工了直徑為3 mm,4 mm,5 mm,6 mm這4種不同直徑的噴嘴進行切割試驗。如圖5所示。可以發現在噴嘴直徑為3 mm時，射流水柱較為集中無霧化現象，其切割效果良好，可以達到600～800 mm的切割深度。

圖5 水射流增透瓦斯室內切割效果

3.2 工業性試驗結果分析

工業性實驗在神華寧夏煤業集團位于賀蘭山北段的汝箕溝煤礦進行開展。汝箕溝礦井的煤層分布特征[26-27]如下：

汝箕溝煤礦在開采淺部煤層時，瓦斯相對涌出量小于10 m3/t。近年來，伴隨著開采深度的增加，瓦斯涌出量明顯增高。曾出現過瓦斯相對涌出量達到51.8 m3/t的情況。因此，要采用水射流瓦斯增透技術提前抽出瓦斯以保障煤礦的安全開采，防止瓦斯突涌事故的發生。

文中采用的水射流瓦斯增透系統由以下4部分組成，分別是：水壓供給系統、保壓傳遞系統、回流系統、旋轉切割系統，如圖6所示。

圖6 水射流增透瓦斯系統

在礦井的32211綜采工作面機巷內選取了4個鉆孔，采用射流壓力為60 MPa進行了現場試驗并對數據詳細記錄，如圖7所示。

圖7 煤體切割前后瓦斯抽采量

由圖7可知，未使用水射流瓦斯增透技術前7號、8號、10號鉆孔平均抽采量約為40 m3/d左右，7號、8號、10號鉆孔分別在第23 d、第26 d、第25 d時采用水射流瓦斯增透割縫技術；采用割縫技術后瓦斯抽采量先迅速上升，在后續抽采過程中抽采量緩慢下降，但是衰減后的抽采量也遠大于射流切割前的瓦斯抽采量。將13號鉆孔的瓦斯抽采量作為對照組，不進行切縫處理，其基本處于線性下降狀態。表明在采用水射流瓦斯增透技術后可以有效地提高瓦斯抽采率，對于類似的工程實踐有一定的借鑒意義。

4 結 論

1)基于流體連續介質理論，聯立連續性方程、動量方程、能量方程及張量總和表達式建立了水射流瓦斯增透切割煤體的控制方程，得到了射流流速、水流量與注水壓力之間的理論關系式。

2)將材料看成各向同性及隨動硬化的混合模型并對射流壓力為20，40，60及80 MPa分別進行了數值模擬。射流壓力越大，切割深度越遠；但切割壓力越大，伴隨而來的峰值應力不穩定現象越劇烈。

3)通過實驗室實驗后初步確定在沖擊水壓為60 MPa時，選取噴嘴直徑為3 mm，沖擊的效率最佳，其切割過程中最大有效應力波動范圍較小，且切割深度可達600～800 mm。

4)綜采工作面鉆孔試驗表明，7號、8號及10號鉆孔采用水射流瓦斯增透技術切割煤體，人工增大煤體的內部裂隙破裂范圍，增加煤體內瓦斯的析出途徑，達到了提升瓦斯抽采率的效果；而13號鉆孔未采用任何措施，其瓦斯抽采率遠低于7號、8號及10號鉆孔。