區域性順層水力造穴卸荷增透特征及其影響因素數值分析

郭軍偉，張 浩，2，王 偉，呂文博，閆曉鈺，王穗芳

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037037；3.山西安標檢驗認證有限公司，山西 太原 030000）

0 引 言

近年來中國瓦斯突出事故呈逐年上升趨勢，突出事故的頻繁發生造成大量的人員傷亡和經濟損失［1-2］。當前廣泛接受的理論［3-4］認為，煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯和煤體力學強度綜合作用的結果，而瓦斯抽采是預防煤與瓦斯突出事故的常見措施［5-8］。

為了強化中國低透煤層的瓦斯抽采，區域性水力造穴技術獲得廣泛的應用。武國勝等研發鉆沖一體化水力造穴裝備，大大降低工人的勞動強度，有力地促進了水力造穴技術的工業化應用［9］；石建文等、劉飛、郝從猛等及段賀明等分別在陽泉礦區及新安煤田對區域性穿層水力造穴技術的瓦斯抽采效果進行現場考察，結果表明區域性穿層水力造穴之后鉆孔的瓦斯抽采效率大幅提高［10-13］；李云、栗磊等和徐哲則對區域性順層水力造穴技術的瓦斯抽采效果進行現場考察，結果表明區域性順層水力造穴之后鉆孔的瓦斯抽采效果同樣改善顯著，巷道掘進進度顯著加快［14-16］；張波為了延長順層水力造穴鉆孔的使用壽命，提出區域性順層造穴與篩管護孔相結合的瓦斯抽采技術［17］；張浩以新景礦3號煤層為例，對區域性順層水力造穴的出煤量指標進行現場考察，并提出前進式水力造穴施工工藝，成功將順層鉆孔在松軟煤層中的施工長度由80 m提高到100 m［18］；楊睿月等擴展區域性順層水力造穴的施工方法，進一步提出煤層氣井水平井水力噴射分段造穴的瓦斯抽采技術［19］。

上述研究豐富了學術界對于區域性水力造穴技術的認識。同時，與區域性穿層水力造穴技術相比，區域性順層水力造穴技術具有施工成本低的優勢［20］，在中國松軟低透煤層瓦斯治理方面更具應用前景。目前對于區域性順層水力造穴技術的卸壓增透特征及其影響因素的研究不足，而這些不足將嚴重制約順層水力造穴技術的現場應用。以新元礦3＃煤層區域性順層水力造穴強化瓦斯抽采為工程技術背景，基于FLAC3D有限差分軟件、Fish編程語言及考慮塑性損傷的滲透率演化模型，對區域性順層水力造穴的卸荷增透特征及其影響因素進行了數值分析。文中研究可以深化對區域性順層水力造穴技術的認識，對于中國松軟低透煤層的瓦斯高效抽采和災害防治具有一定的指導意義。

1 工程地質背景

陽泉礦區新元礦位于沁水煤田西北部，盂縣坳緣翹起帶的南側［21］。井田主要地質構造為一由北向南傾斜的單斜構造，煤層傾角為2°～9°。井田范圍內次級構造較為發育，煤層松軟破碎，堅固性系數大都低于0.5。3號煤層為山西組的主采煤層，平均埋深580 m，煤層厚度2.7～3.1 m，煤質為高變質貧煤。3號煤層實測瓦斯數據和滲透率數據如圖1所示。當前回采深度（400～500 m）下，煤層瓦斯壓力介于1.00～1.60 MPa之間，瓦斯含量處于12.00～15.80 m3／t之間，而滲透率僅約0.010～0.015 mD。新元礦3號煤層所具有的高瓦斯、低滲透、弱力學強度特征，使其瓦斯抽采困難，具有較強的煤與瓦斯突出危險性。

圖1 新元礦3號煤層實測瓦斯數據Fig.1 Gas data of 3＃coal seam in Xinyuan Coal Mine

為強化新元礦3號煤層的瓦斯抽采，區域性順層水力造穴卸壓瓦斯抽采技術獲得了廣泛應用，如圖2所示。區域性順層水力造穴卸壓瓦斯抽采技術原理為：以高壓水射流為動力，在煤層中構建出一系列圓柱狀的造穴洞室，從而引起煤體發生區域性卸荷增透，以強化煤層瓦斯抽采。遺憾的是，當前人們對區域性順層水力造穴過程中四周煤體卸荷增透特征的認識不充分。此外，在特定的工程地質背景下，造穴半徑（r）、造穴長度（h）、造穴間距（l）以及鉆孔間距（d）等因素可能對煤體卸荷增透特征產生影響，而這些因素對煤體卸荷增透特征的具體影響同樣有待于深入研究。

圖2 區域性順層水力造穴卸壓瓦斯抽采技術示意Fig.2 Diagram of gas extraction technology byregional in-seam borehole hydraulic cavitation

2 理論模型及數值模擬設置

2.1 理論模型

為研究造穴煤體的卸荷增透特征，首先要選用合理的滲透率演化模型。眾所周知，煤體卸荷過程中的滲透率演化不僅取決于其所受的應力載荷，也與其塑性損傷情況密切相關。根據安風華等的研究，煤體全應力應變過程中滲透率演化特征大體如圖3所示［22］。

圖3 煤體全應力應變過程中的滲透率演化特征Fig.3 Coal permeability evolution during the full stress-strain process

基于上述滲透率演化特征，AN等構建了考慮塑性損傷的煤體“三階段”滲透率演化模型［23］

式中 k為煤體滲透率，mD；k0為煤體初始滲透率，mD；b為裂隙壓縮因子，MPa-1；ξ為滲透率反彈系數，無量綱；Θ為體積應力，MPa；γp為應變軟化參數，%；γp*為臨界應變軟化參數。

2.2 幾何模型

區域性順層水力造穴是以高壓水射流為動力在煤層中構建出一系列圓柱狀的造穴洞室。基于此在數值分析過程中構建的幾何模型如圖4所示。

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圖4 幾何模型Fig.4 Geometric model

單穴幾何模型和群穴幾何模型皆由頂板、煤層和底板3部分構成，其中單穴幾何模型的幾何尺寸為12 m×12 m×9 m。群穴幾何模型的幾何尺寸為24 m×18 m×9 m。2種模型的邊界條件相同，煤層頂板上方設置為應力邊界，施加數值為13 MPa的垂向應力，其他邊界設置為滾軸邊界。模型中所施加的水平應力同樣為13 MPa，也即原始含煤地層處于靜水壓力狀態。需要注意的是，為了清晰表征造穴過程中四周煤體的卸荷增透特征，在單穴幾何模型上設置1-1和2-2的2個切面，在群穴幾何模型上設置3-3切面。

2.3 模擬參數

文中數值分析過程中主要涉及的煤體力學及滲透參數取值見表1。

表1 數值模擬參數值［23－25］Table 1 Numerical simulation parameters

3 模擬結果

3.1 不同造穴半徑下煤體的卸荷增透特征

基于圖4（a）所示的單穴幾何模型，首先對不同造穴半徑（0.2 m，0.5 m和0.8 m）下煤體的卸荷增透特征進行數值分析。在此過程中，造穴長度恒定為1.0 m。

圖5和圖6為不同造穴半徑下單個造穴洞室四周煤體的三向主應力云圖：①水力造穴過程中，造穴洞室四周煤體中發生了應力重分布，三向主應力均發生了卸荷，形成了明顯的卸壓區；②在中間主應力和最大主應力的卸壓區之外，同樣產生了應力集中區；③隨著造穴半徑的增加，三向主應力的卸壓區均擴大，表明增大造穴半徑是強化煤體卸壓效果的有效手段。

圖5 不同造穴半徑下1-1切面應力重分布云圖Fig.5 Stress redistribution cloud charts at Section 1-1 under different cavitation radius

圖6 不同造穴半徑下2-2切面應力重分布云圖Fig.6 Stress redistribution cloud charts at Section 2-2 under different cavitation radius

不同造穴半徑下單個造穴洞室四周煤體的塑性損傷特征如圖7所示。

由圖7可知：①水力造穴過程中，造穴洞室四周煤體發生了塑性損傷，形成了明顯的塑性損傷區；②隨著造穴半徑的增加，煤體的塑性損傷半徑逐漸擴大。當造穴半徑由0.2 m增加到0.8 m時，煤體的塑性損傷半徑由1.5 m擴大到4.2 m。

圖7 不同造穴半徑下煤體塑性損傷特征Fig.7 Plastic damage characteristics of coal under different cavitation radius

圖8 不同造穴半徑下煤體滲透率云圖Fig.8 Coal permeability cloud charts under different cavitation radius

3.2 不同造穴長度下煤體的卸荷增透特征

造穴長度是反映造穴洞室尺寸的另一參數。因此，本節同樣基于圖4（a）所示的單穴幾何模型，分析了不同造穴長度（0.6 m，1.0 m和1.4 m）下煤體的卸荷增透特征。在此過程中，造穴半徑恒定為0.5 m。

圖9和圖10為不同造穴長度下單個造穴洞室四周煤體的三向主應力云圖：隨著造穴長度由0.6 m提高到1.4 m，三向主應力的卸壓區逐漸擴大，但擴大幅度并不明顯。

圖9 不同造穴長度下1-1切面應力重分布云圖Fig.9 Stress redistribution cloud charts at Section 1-1 under different cavitation lengths

圖10 不同造穴長度下2-2切面應力重分布云圖Fig.10 Stress redistribution cloud charts at Section 2-2 under different cavitation lengths

不同造穴長度下單個造穴洞室四周煤體的塑性損傷特征如圖11所示。隨著造穴長度的增加，煤體的塑性損傷半徑逐漸擴大。當造穴長度由0.6 m增加到1.4 m，煤體的塑性損傷半徑由2.7 m擴大到3.3 m。

圖11 不同造穴長度下煤體塑性損傷特征Fig.11 Coal plastic damage characteristics under different cavitation lengths

不同造穴長度下，單個造穴洞室四周煤體的滲透率演化特征如圖12所示。造穴長度越大，煤體的增透區域越廣。

圖12 不同造穴長度下煤體滲透率云圖Fig.12 Coal permeability cloud charts under different cavitation lengths

3.3 不同造穴間距下煤體的卸荷增透特征

現場的瓦斯抽采基本是在群穴條件下進行的。本節基于圖4（b）所示的群穴幾何模型，分別采用0.5 m的造穴半徑、1.0 m的造穴長度和9 m的鉆孔間距，進一步研究不同造穴間距（2 m，4 m和6 m）條件下煤體的卸荷增透特征。不同造穴間距下，3-3切面上煤體的應力重分布特征如圖13所示。

圖13 不同造穴間距下3-3切面應力重分布云圖Fig.13 Stress redistribution cloud charts at Section 3-3 under different cavitation spacing

當造穴間距為6 m時，同一鉆孔中相鄰造穴洞室所產生的最小主應力卸壓區已經明顯重疊，而中間主應力和最大主應力卸壓區則相對孤立；隨著造穴間距降低為4 m，中間主應力卸壓區開始明顯重疊，但此時最大主應力卸壓區尚未充分重疊；當造穴間距進一步降低為2 m時，最大主應力卸壓區同樣發生了明顯重疊。根據模擬結果，可以推斷出三向主應力的疊加卸壓順序為最小主應力最早、中間主應力次之、最大主應力最晚。同時，相鄰造穴洞室之間煤體在獲得疊加卸壓之后，煤體的卸壓效果必定更為充分。

不同造穴間距下，3-3切面上煤體的塑性損傷特征如圖14所示。隨著造穴間距的減小，同一鉆孔中相鄰造穴洞室所產生的塑性區同樣相互疊加。由圖7可知，當造穴半徑為0.5 m，造穴長度為1.0 m時，單個造穴洞室的塑性損傷半徑為3.0 m。以此推斷，當造穴間距為6.0 m時，相鄰2個造穴洞室的塑性區本應恰好相切。然而，由圖14可知，當造穴間距為6.0 m時，同一鉆孔中相鄰2個造穴洞室的塑性區已經相互重疊。這表明隨著造穴間距的減小，相鄰造穴洞室的塑性損傷區域同樣逐漸擴大。同時，造穴間距越小，塑性區疊加越充分，即煤體的疊加損傷效果越好。

圖14 不同造穴間距下3-3切面煤體塑性損傷特征Fig.14 Coal plastic damage characteristics at Section 3-3 under different cavitation spacing

不同造穴間距下，3-3切面上煤體的滲透率演化特征如圖15所示。相鄰造穴洞室之間煤體發生疊加卸荷損傷之后，其增透效果將更為充分。同時，造穴間距越小，煤體的增透效果越好。

圖15 不同造穴間距下3-3切面煤體滲透率云圖Fig.15 Coal permeability cloud charts at Section 3-3 under different cavitation spacing

圖16 不同鉆孔間距下3-3切面應力重分布云圖Fig.16 Stress redistribution cloud charts at Section 3-3 under different borehole spacing

3.4 不同鉆孔間距下煤體的卸荷增透特征

基于圖4（b）所示的群穴幾何模型，分別采用0.5 m的造穴半徑、1.0 m的造穴長度和4 m的造穴間距，進一步研究了不同鉆孔間距（5 m，7 m和9 m）下煤體的卸荷增透特征。不同鉆孔間距下，3-3切面上煤體的應力重分布特征如圖16所示。

當鉆孔間距為7 m和9 m時，不同鉆孔之間僅僅最小主應力發生了疊加卸壓；當鉆孔間距進一步降低至5 m時，不同鉆孔之間中間主應力開始發生疊加卸壓。

不同鉆孔間距下，3-3切面上煤體的塑性損傷特征如圖17所示。當鉆孔間距減小至7 m以內，不同鉆孔之間煤體發生疊加損傷。同時，鉆孔間距越小，其間煤體損傷越充分。

圖17 不同鉆孔間距下3-3切面煤體塑性損傷特征Fig.17 Coal plastic damage characteristics at Section 3-3 under different borehole spacing

不同鉆孔間距下，3-3切面煤體的滲透率演化特征如圖18所示。當鉆孔間距降低至7 m以內時，相鄰鉆孔之間煤體均已發生了充分增透。

圖18 不同鉆孔間距下3-3切面煤體滲透率云圖Fig.18 Coal permeability cloud charts at Section 3-3 under different borehole spacing

4 結 論

1）水力造穴過程中，造穴洞室四周煤體發生卸荷損傷，導致其滲透率大幅增加，煤體滲透率最大可增加為初始滲透率的467倍；在滲透率增高區之外，中間主應力和最大主應力發生應力集中，導致煤中同樣形成了滲透率降低區，其滲透率最大降幅可達35.3%。

2）水力造穴過程中，造穴半徑越大，造穴長度越長，單穴的卸荷增透區域越廣。以塑性損傷半徑為例，隨著造穴半徑由0.2 m提高到0.8 m，煤體的塑性損傷半徑由1.5 m增加到4.2 m；隨著造穴長度由0.6 m增加到1.4 m，煤體的塑性損傷半徑由2.7 m擴大到3.3 m。

3）造穴間距和鉆孔間距同樣可以對煤體的卸荷增透效果產生影響：隨著造穴間距和鉆孔間距的減小，相鄰造穴洞室之間煤體將發生疊加卸荷損傷，導致其卸荷損傷更為充分，增透效果更好。在疊加卸荷過程中，最小主應力首先發生疊加，中間主應力次之，最大主應力最晚。