水射流割縫-注氮驅替聯合促抽瓦斯模擬

摘" 要：針對低透氣性煤層瓦斯抽采困難的問題，提出了水射流割縫-注氮驅替聯合促抽瓦斯工藝，分析了工藝流程及原理。通過數值模擬建立普通煤層和割縫煤層模型，分別考察布孔間距和注氣壓力對不同煤層注氮驅替效果的影響，并對比相同條件下不同煤層注氣影響范圍，研究煤層割縫對注氮驅替效果的影響。結果表明：布孔間距由3 m提升為7 m注抽20 d時，普通煤

層注氣影響范圍由6.5 m縮小為2.2 m，而割縫煤層由7.9 m縮小為3.6 m；注氣壓力由1.0 MPa提升為3.0 MPa注抽20 d時，普通煤層注氣影響范圍由1.0 m提升為5.3 m，割縫煤層在相同注氣壓力條件下注氣影響范圍均大于普通煤層；煤層割縫對注氮驅替主要影響在水平方向，割縫區域臨近縫槽之間互相貫通，形成橢圓形的復合區域；在分別抽采10，20，30 d情況下，普通煤層注氣影響范圍分別為1.56，2.65，6.51 m，而割縫煤層分別為2.16，5.75，11.55 m。煤層割縫可以有效提高瓦斯壓力下降速率，在注氣階段，割縫組瓦斯純量超普通組105.17%。割縫煤層注氮可以有效提高注氣影響范圍，增強瓦斯抽采效果，為聯合促抽瓦斯工藝的進一步研究提供參照依據。關鍵詞：聯合工藝；瓦斯抽采；割縫注氣；注氣影響范圍；煤層瓦斯壓力中圖分類號：TD 712

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）06-1030-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0602開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

收稿日期：

2024-07-

15

基金項目：

國家重點研發計劃項目（2023YFC3009001）

通信作者：

雙海清，男，陜西榆林人，博士，副教授，E-mail：shuanghaiqing@163.com

Simulation" on water jet slotting-nitrogen injection

displacement combined with gas drainage

SHUANG Haiqing1，2，ZHANG Xing1，3，LI Baojun4，LIN Haifei1，2，

ZHOU Bin1，2，GAO Haidong4，CUI Mingwei1

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.

Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

3.Shaanxi Tongchuan Industrial Technician College，Tongchuan 727000，China；

4.Shaanxi Huangling No.2 Coal Mine Co.，Ltd.，Yan’an 716000，China）Abstract：Aiming at the difficulty of gas extraction in low permeability coal seams，a combined gas extraction process of water jet slotting-nitrogen injection displacement is proposed，and the process flow and principle were analyzed.Through numerical simulation，control models and slotted coal seam models were established，and the effects of hole spacing and gas injection pressure on nitrogen injection displacement effect in different coal seams were investigated，respectively.The influence range of nitrogen injection in different coal seams under the same conditions is compared，and the influence of coal seam slotting on nitrogen injection displacement effect is studied.The results show that：When the hole spacing is increased from 3 m to 7 m for 20 days，the influence range of gas injection in control coal seam is reduced from 6.5 m to 2.2 m，while that in slotted coal seam is reduced from 7.9 m to 3.6 m.When the gas injection pressure is increased from 1.0 MPa to 3.0 MPa for 20 days，the influence range of gas injection in control coal seam is increased from 1.0 m to 5.3 m，and the influence range of gas injection in slotted coal seam is larger than that in control coal seam under the same gas injection pressure.The main influence of coal seam slotting on nitrogen injection displacement is in the horizontal direction.The slotting area is adjacent to the slot and communicates with each other to form an elliptical composite area.Under the condition of 10 d，20 d and 30 d extraction，the influence range of gas injection in control coal seam is 1.56 m，2.65 m and 6.51 m，respectively，while that in slotted coal seam is 2.16 m，5.75 m and 11.55 m，respectively.Coal seam slotting can effectively improve the decreasing rate of gas pressure，and the simulation results are basically consistent with the field industrial test results.Nitrogen injection in slotted coal seam can effectively improve the influence range of gas injection and enhance the effect of gas extraction，which provides reference for further research on combined gas extraction technology.Key words：combined process；gas extraction；slotting gas injection；influence range of gas injection；coal seam gas pressure

0" 引" 言

煤炭是全球主要能源，保障煤炭供給對保護中國能源安全至關重要［1］。中國煤炭資源豐富，但隨著煤炭資源開采逐漸向深部轉移［2］，煤層瓦斯含量和壓力逐漸升高，煤層滲透性逐漸降低，傳統瓦斯的抽采效果并不理想，難以滿足礦井接續生產需求。

為了解決上述問題，各種增透、促抽方法被廣泛應用于瓦斯災害治理研究，包括保護層開采［3］、造穴［4］、高能液體擾動致裂［5］、控制爆破［6］、相變致裂［7］、注氣驅替［8］、超聲激勵［9］、微波［10］

等。其中水力割縫技術因清潔高效的特點得到了廣泛研究和現場應用。李曉紅等提出了利用高壓脈沖水射流鉆孔、切縫以提高松軟煤層透氣性和瓦斯抽采率的新思想，研發了低透氣性煤層中的高壓脈沖水射流瓦斯抽采系統，并通過現場應用證明了該技術增透的有效性［11］，之后又對不同結構水力割縫系統過渡過程壓力-流量特性進行了討論和測試，分析了過渡過程中系統能量特性與耗散規律［12］；張洋凱等通過對水射流多脈沖尖端的瞬時速度和穿透距離進行定量表征，進一步明確了增壓式脈沖水射流初始脈沖特性［13］

；SI等在模擬中考慮了各種地質特性、應力條件、槽形狀及間距等，量化了關鍵參數與開槽破壞區尺寸/體積之間的關系，并對不同參數對改善割縫性能的效果進行了排序［14］

；鄧廣哲等分析了水力割縫鉆孔瓦斯抽采半徑的變化規律，發現隨著不同的影響因素逐漸增大，瓦斯抽采半徑均呈現逐漸增大的趨勢［15］

；林柏泉等對高壓磨料射流割縫技術及不同磨料對煤體損傷對比進行了相關研究，發現磨料摻入純水射流后，煤巖的縱向破碎深度和橫向破碎寬度均出現大幅增加，破碎煤巖效果更好［16-18］；ZHOU等采用不同槽傾角和不同孔縫比的煤樣，考察了槽傾角和孔縫比對預制裂隙煤體力學性質的弱化作用，驗證了槽傾角較小的割縫煤巖力學性質弱化效應更為顯著的事實［19］

；唐永志等通過開展現場試驗，驗證了在中等硬度低透氣性煤層中使用超高壓水力割縫技術，可以有效縮短瓦斯抽采達標時間［20］

；張浩等采用FLAC3D-COMSOL序貫耦合的數值解算方法，對不同割縫半徑、割縫厚度、埋深和割縫方式下鉆割煤體的三維卸壓瓦斯流場進行了數值分析［21］。

注氣驅替技術對煤層瓦斯有增流促抽的效果，許多學者進行了相關研究。楊宏民等研究了恒溫注入N2對吸附平衡煤樣中CH4的競爭吸附解吸特性，發現當混合壓力升高后，CH4吸附量開始下降；之后單軸應力、分層預壓成型條件下煤層注N2促排瓦斯的模擬試驗，驗證了驅替和置換效應始終貫穿整個注氣過程，共同作用將煤體中瓦斯排出［22-23］；BAI等分析了氮氣注入過程中氣體解吸擴散的動力學特征和規律，建立了注氣條件下煤體瓦斯擴散動態矯正模型［24］

；宋鑫等針對低瓦斯煤層常規抽采和煤層改性技術瓦斯抽采效果差的問題，提出并現場試驗了井下注氣驅替促抽技術，發現可以快速、高效的提升抽采效果［25］

；GONG、MI等均進行了現場工業性注氮驅替試驗，考察了間歇和連續注入方式下的效果差異［26-27］；林海飛等建立了適用于井下注氣驅替增流抽采瓦斯技術的煤層參數篩選評價方法，總結了氣源、工業參數對瓦斯驅替效果的影響規律［28］

。

上述2種工藝均可以有效增產煤層氣，但單一水射流割縫技術存在鉆孔瓦斯流量衰減快的問題，而注氣驅替技術常常受限于煤層透氣性較低，注入氣體無法有效在煤層中運移。針對上述存在的問題，筆者提出了一種水射流割縫-注氮驅替聯合促抽瓦斯工藝。通過工藝聯合，先采用水射流割縫快速提高煤層透氣性，拓展煤層裂隙網絡，在此基礎上進行注氣驅替，擴大注氣影響范圍，提高煤層瓦斯抽采效果。通過數值模擬方法研究普通煤層和割縫煤層中注氮驅替效果差異，分析聯合工藝效果，研究成果對提高瓦斯抽采率，減少瓦斯事故以及非常規天然氣利用等方面具有重要意義。

1

水射流割縫-注氮驅替聯合促抽瓦斯工藝

水射流割縫技術是在鉆孔成孔之后，通過高壓水射流割縫設備提供水源動力，利用鉆桿上的水射流噴頭，迸射出高速水射流對煤體進行沖擊。高速水射流到達煤體表面時首先產生水錘壓力，使得部分煤體破碎，從而萌生出剪切裂隙，同時抗拉強度較低的煤體在拉應力的作用下產生大量裂紋，之后持續沖擊使煤體進一步破碎剝離并形成縫槽。水射流割縫過程如圖1所示；割縫鉆孔驅替過程如圖2所示。

從圖1可以看出，在水射流割縫過程中，通過在煤體中間割縫的形式產生多組縫槽，為煤體提供充分的卸壓空間，使儲層壓力降低。同時割縫過程中水流也將破碎煤渣帶出孔外，使得孔內暴露面積增大。縫槽周圍裂隙通道得到進一步發育，微觀裂隙增加，多組縫槽產生新裂隙且相互貫通，鉆孔抽采影響范圍進一步擴大。

水射流割縫技術提高了煤層透氣性，有效降低了煤層瓦斯壓力，拓展的裂隙空間有利于更多游離態瓦斯被抽采。但煤層中瓦斯主要賦存形式為吸附態，占80～90%，難以被抽采。注氮驅替技術可以通過分壓置換原理，將煤層中大部分吸附態瓦斯轉變為游離態，從而降低煤與瓦斯突出風險。若僅采用注氮驅替技術，受煤層透氣性低、煤層瓦斯壓力較高等制約，需較高注氣壓力和注氣量才能起到促抽效果，出于安全和經濟方面考慮，存在一定程度的浪費。

從圖2可以看出，在對煤層進行水力割縫后，一方面有效釋放了煤層瓦斯壓力和鉆孔周圍應力，另一方面拓展了鉆孔周圍裂隙發育，改變了煤層的原始應力和裂隙狀況，提高了煤層透氣性和瓦斯釋放能力。在此基礎上進行注氣驅替，割縫卸壓效果使注入的氮氣壓力高于煤層瓦斯壓力即可起到分壓置換效果；拓展的裂隙網絡為注入氮氣提供了更為發育的滲流通道，有效擴大注氣影響的范圍。

割縫擾動還促進了原始煤層中微小裂隙的萌生，增大了煤層孔隙率，使得煤基質上產生出更多的吸附位可以被注入的氮氣分子占據，置換出更多瓦斯。并且注入大量氮氣帶來的增流效果，可以有效解決水力割縫造成鉆孔瓦斯流量衰減快的問題，裂隙中部分失去運移動力的瓦斯，隨注入氮氣受壓力梯度影響向兩側抽采孔處運移，被抽采出，進一步增強瓦斯抽采效果。

2" 割縫鉆孔注氮驅替數值模擬

2.1" 數值模型構建

2.1.1" 基本假設

聯合工藝的促抽效果與常規單一工藝相比，其主要提升是在射流割縫對煤層孔隙、裂隙重構基礎上，進行注氣驅替。因此，文中主要模擬對比普通鉆孔在割縫鉆孔中注氣的提升效果。

結合工藝原理及現場實際情況，作出下列假設：①煤體是一種均勻裂隙介質；

②注氣過程中，系統處于等溫狀態，忽略煤體中CH4、N2吸附-解吸過程中的熱效應；③煤吸附/解吸所導致的基質膨脹/收縮是各向同性的；④煤體內不含水，裂隙內由氣體所充滿；

⑤忽略氣體的體積力；⑥氣體在孔隙中的擴散服從Fick擴散定律，在裂隙內的滲流服從Darcy定律。

2.1.2" 理論模型

1）煤體變形控制方程。

含瓦斯煤體應力場控制方程為

Gui，jj+G1－2υuj，ji－α∑2r=1Pr，i－Kεs，i+Fi=0

（1）

式中 "G為剪切模量，MPa；ui，jj為張量形式，其中第1個下標表示變量u的i方向分量，第2個下標表示對ui求i方向偏導數，第3個下標表示對ui，j求j方向偏導數；u為位移分量；υ為泊松比；α為Biot系數；Pr，i為i方向氣體組分r壓力，MPa；r為單組分氣體，r=1代表甲烷，r=2代表氮氣；K為體積模量，MPa；εs為煤體吸附氣體應變，kg/m3；F為凈體力分量，N/m3。

其中，

εs=αga1b1P1+a2b2P21+b1P1+b2P2

（2）

式中" αg為吸附應變系數；a1，b1分別為甲烷的Langmuir常數；a2，b2分別為氮氣的Langmuir常數，單位分別為m3/kg，MPa-1；P為氣體組分r壓力，MPa。

2）擴散場控制方程。

煤層中的瓦斯和氮氣以擴散的方式在煤體孔隙中運移，此過程符合Fick定律，因此煤層孔隙中二元氣體擴散運動的質量守恒方程為

crt+

SymbolQC@ （－Dr

SymbolQC@ cr）=（cpr－cr）τ

（3）

式中" cr為吸附態氣體r的濃度，kg/m3；t為時間，s；Dr為氣體r的擴散系數，m2/s；cpr為t=0時刻組分r的含量，kg/m3；τ為解吸擴散系數，m2/s。

3）滲流場控制方程。

煤層裂隙中的游離瓦斯的滲流過程符合Darcy定律，根據質量守恒原理、標準狀態下氣體狀態方程和Darcy定律可得煤層裂隙中二元氣體滲流運動連續性方程

為

MrRTPrt+

SymbolQC@ （MrkPrRTμr

SymbolQC@ p）=（cr－cpr）τ

（4）

式中" 為孔隙率，%；Mr為組分r的摩爾質量，g/mol；R為摩爾氣體常數，

J/（mol·K）；T為煤體溫度，K；μr為組分r的動力黏度，Pa·s；k為煤層滲透率，md；p為氣體總壓力，MPa。

4）耦合項。

孔隙率和滲透率與煤層的應力狀態及力學性質相關，煤層孔隙率模型可表示為

=α－（α－0）exp（S0－S）

（5）

其中，

S0=（p10+p20）/Ks－εs0

（6）

S=εv+（p1+p2）/Ks－εs

（7）

式中" εv為煤的體積應變；下標“0”代表初始值。

通過立方定律描述滲透率與孔隙率的關系

k=k0（/0）3

（8）

式中" k0為初始滲透率，md；0為初始孔隙率，%。

將式（1）、（3）、（4）聯立，即構成注N2促抽煤層瓦斯流-固耦合模型。

2.2" 模型工況條件

2.2.1" 幾何模型

以黃陵二號煤礦217工作面為例，走向3 603 m，傾向300 m，煤層瓦斯含量為1.97～5.62 m3/t，煤層瓦斯壓力0.20～0.66 MPa。主要考察注氣區域，為簡化模擬運算，建立同樣大小的200 m×40 m×3 m（長×寬×高）的普通煤層和割縫煤層模型，如圖

3所示，X方向為工作面傾向，Y方向為工作面走向。

幾何模型主視圖，如圖4所示。在煤層中部共布置5個鉆孔，最中間鉆孔為注氣孔，兩側4孔為

抽采孔，鉆孔長度160 m，鉆孔間距5 m，鉆孔直徑為113 mm。割縫煤層中對所有鉆孔中均進行割縫處理，根據在礦井進行的割縫預試驗結果，布置割縫半徑0.8 m，寬度3 cm的縫槽，縫槽間距10 m，相鄰鉆孔交錯等距割縫，注氣孔前段30 m為封孔區域，不布置縫槽。

煤層中部布置坐標為A（40，0，1.5）、B（40，40，1.5）的A-B測線用于監測瓦斯壓力變化。模型頂部受上覆巖層重力作用。氣體在煤層內運移，四周為無流動邊界。煤層初始瓦斯壓力為0.5 MPa，注氣壓力為

2 MPa，抽采孔負壓為20 kPa，將以上參數代入模型進行模擬。

2.2.2" 模擬方案

煤層注氣驅替瓦斯效果主要取決于鉆孔參數及注氣參數，為了分析布孔間距和注氣壓力對注氣效果影響，以及對比普通煤層、割縫煤層注氣效果差異，在鉆孔直徑、抽采負壓等條件相同的情況下，分別研究單因素對普通煤層、割縫煤層注氮驅替效果影響。其中布孔間距分別為3，4，5，6，7 m，注氣壓力分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 MPa。

2.2.3" 基礎參數

依據煤樣基礎試驗測定結果和收集的現場資料及參考相關文獻，煤體相關物性參數見表1。

2.3" 現場對比驗證

為驗證所建理論模型的準確性，將現場瓦斯生產速率與數值模擬結果進行對比，如圖5所示。

從圖5可以看出，在45，90，180 d與現場實測結果的相對誤差分別為4.6%，6.1%和14.8%，平均誤差為9.8%，表明兩者總體吻合度較高。隨著抽采進行，單孔的瓦斯生產速率呈先急劇增大再緩慢減小的趨勢。對比礦井現場數據，模擬結果

與現場抽采的產氣變化規律及特征基本吻合，符合現場實際情況，驗證了所建立三維模型的準確性及可靠性。

3" 數值模擬結果及分析

3.1" 布孔間距影響

分別在布孔間距為3，4，5，6，7 m，鉆孔直徑113 mm，抽采負壓20 kPa，注氣壓力2.0 MPa條件下，進行模擬研究，普通煤層、割縫煤層鉆孔周圍瓦斯壓力云圖如圖6所示。當鉆孔間距較近時，隨著注抽時間變長，鉆孔之間逐漸形成聯通區域，進一步加快復合區域瓦斯抽采效率。隨著鉆孔間距不斷增大，普通煤層、割縫煤層鉆孔之間的聯通性變差，煤層瓦斯壓力下降變緩。

對比觀察相同間距下的普通煤層、割縫煤層瓦斯壓力變化情況可以發現，在布孔間距較近時，兩煤層均可快速形成聯通區域。但割縫煤層由于縫槽的存在，縫槽之間的新生裂隙存在聯通，因此在相同鉆孔間距下，割縫煤層形成聯通區域速率快于普通煤層，且聯通區域影響范圍更廣。當布孔間距過大時，隨著注抽時間不斷延長，普通煤層鉆孔間仍無法形成有效聯通，而割縫煤層可以。

為了更直觀地對比鉆孔直徑對普通煤層和割縫煤層注氮驅替效果影響的差異，根據布置的A-B測線監測抽采20 d時測線上各點的瓦斯壓力，如圖7和圖8所示。

按照瓦斯壓力下降到原始壓力50%的區域為界限，劃分注抽影響范圍。從圖7可以看出，隨著鉆孔間距不斷減小，普通煤層注氣孔的注氣影響范圍逐漸變大。當鉆孔間距最小為3 m時，注氣孔影響范圍為6.6 m；鉆孔間距為最大7 m時，注氣孔影響范圍僅為2.25 m，低于間距3 m時。

隨著鉆孔間距不斷減小，注氣孔影響范圍成倍擴大。當鉆孔間距由7 m減小為6 m時，注氣孔影響范圍僅從2.25 m增大到2.38 m；當鉆孔間距由6 m減小為5 m時，注氣孔影響范圍增大到2.96 m，且隨著間距減小進一步擴大。究其原因是隨著鉆孔間距的不斷減小，聯通區域逐漸擴大，進一步提升注氣影響范圍。

從圖8可以看出，割縫煤層受布孔間距影響規律與普通煤層相似，但由于煤層割縫形成縫槽，鉆孔間更易聯通，使得在相同布孔間距下，割縫煤層注氣影響區域要大于普通煤層。當布孔間距為7 m時，割縫煤層注氣影響范圍達到3.69 m，大于普通煤層的注氣影響范圍。

對比圖7、圖8可以看出，在鉆孔間距為6 m時，割縫煤層使煤層瓦斯壓力下降到原始煤層瓦斯壓力的一半以下，而普通煤層僅在縮小為3 m時才能達到這一效果。由此可以判斷在割縫煤層中注氣可以有效擴大鉆孔注氣影響范圍。在實際工程應用中，可以減少打孔數量，加快工作進度。

3.2 "注氣壓力影響

分別在注氣壓力為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 MPa，鉆孔直徑113 mm，鉆孔間距5 m，抽采負壓20 kPa，注氣壓力2.0 MPa條件下，進行模擬研究，普通煤層、割縫煤層瓦斯壓力云圖如圖9所示。單位時間內增大注氣壓力可有效提高煤層瓦斯壓力下降速率。由于注氮驅替主要是通過高壓氣體注入置換瓦斯，提高瓦斯抽采效率，較高的注氣壓力有助于氮氣更好更快地擴散和滲透到煤層裂隙和孔隙中，增強驅替效果。

對比觀察發現，對于普通煤層，當注氣壓力提高到2.0 MPa及以上時，在10 d和40 d時影響范圍接近；對于割縫煤層，當注氣壓力達到2.0 MPa及以上時，在20 d時就可使注氣孔與抽采孔之間形成聯通。過高的注氣壓力可能導致氮氣在煤層中的流動變得過于劇烈，甚至破壞煤層結構，反而降低驅替效果；同時過高的壓力增加了能耗和操作成本，不利于經濟效益的提高，因此現場注氣壓力選取2.0 MPa及以下即可。

為了對比不同注氣壓力對普通煤層和割縫煤層注氮驅替效果影響的差異，根據布置的A-B測線上監測抽采20 d時，測線上各點瓦斯壓力，如圖10和圖11所示。

從圖10可以看出，隨著注氣壓力的不斷增大，普通煤層注氣孔影響范圍不斷擴大。當注氣壓力最小為1.0 MPa時，注氣孔影響范圍為1 m；當注

氣壓力提高到1.5 MPa時，影響范圍擴大到1.9 m；

當注氣壓力繼續提高到2.0 MPa時，影響范圍達到2.9 m。結合上文中對不同鉆孔間距對煤層注氮驅替效果影響的分析可以看出，注氣壓力的提升對煤層注氣影響范圍的影響更大，可以有效增大注氣影響范圍。

從圖11可以看出，割縫煤層中注氮可以有效使煤層瓦斯壓力快速下降。通過與圖10的普通煤層對比發現，在相同注氣壓力下，割縫煤層注氣孔影響范圍均遠大于普通煤層。這進一步說明了在割縫煤層中注氣，由于孔內縫槽的形成、孔內表面積、孔體積的增大以及相鄰鉆孔縫槽之間的裂隙網絡溝通，有效提高了注氮驅替效果。

3.3" 煤層割縫對注氮驅替的影響

通過對煤層注氮驅替單因素影響研究，探究在鉆孔直徑113 mm，間距5 m，抽采負壓20 kPa，注氣壓力2.0 MPa條件下，分析普通煤層和割縫煤層瓦斯壓力隨注抽時間變化云圖如圖12所示。

從圖12可以看出，煤層割縫對注氮驅替的主要影響區域在水平方向，注入氣體延縫槽向更遠處滲流，并與臨近鉆孔及其縫槽之間形成貫通，使得割縫區域內的瓦斯壓力下降速率更快。割縫煤層的瓦斯壓力下降區域主要集中在縫槽區域，類似橢圓形，在水平寬度方向超過普通煤層，證明了割縫煤層的注氣影響范圍大于普通煤層。

布置的A-B測線上監測兩煤層隨抽采時間變化的各點瓦斯壓力，如圖13和圖14所示。

從圖13、圖14可以看出，普通煤層注抽10 d后，注氣孔的有效影響范圍約為1.56 m，而割縫煤層為2.16 m；普通煤層注抽20 d后，注氣孔有效影響范圍達到2.65 m，而割縫煤層此時為5.75 m；普通煤層注抽30 d后，注氣孔有效影響范圍達到6.51 m，割縫煤層此時為11.55 m，由此可以判斷出割縫煤層可以有效提高煤層瓦斯壓力下降速率。

4" 現場試驗

為了驗證聯合工藝的實際效果，在黃陵二號煤礦217工作面開展現場試驗。現場試驗鉆孔布置如圖15所示，共布置2組鉆孔，每組3個鉆孔。

其中，1#、2#、3#為普通組鉆孔，4#、5#、6#為割縫組鉆孔，孔深均為160 m，方位角90°，傾角1.5°，孔徑113 mm。2#、5#鉆孔為中部注氣孔，封孔長度30 m，其余孔封孔15 m。割縫組鉆孔均進行預割縫處理，縫槽間距10 m，鉆孔間距均為5 m。分別對普通組和割縫組注氣前后平均瓦斯純量變化進行統計，如圖16和圖17所示。

從圖16可以看出，注氣前平均瓦斯純量為0.038 m3/min；注氣階段，瓦斯純量迎來提升階段；注氣階段結束后，瓦斯純量逐漸下降。其中注氣階段達到純量峰值，為0.058 m3/min，平均純量為0.048 m3/min，超過注氣前26.32%。

從圖17可以看出，割縫注氮組在注氣階段純量提升，且在注氣結束后純量仍有上漲，之后緩慢下降，但高于注氣前水平。注氣前平均瓦斯純量為0.044 m3/min，在注氣階段平均純量為0.059 m3/min，超過注氣前34.79%。純量峰值出現在注氣階段結束之后，為0.119 m3/min。割縫組瓦斯純量峰值超普通組105.17%，割縫組注氣階段平均值超注氮組22.92%。通過對比2組鉆孔各階段瓦斯純量變化差異，驗證了割縫煤層注氣可以有效提高驅替效果。

5" 結" 論

1）割縫卸壓可以提高煤層透氣性，拓展裂隙網絡，增大注氣影響范圍。提高注入氮氣置換瓦斯量的同時，其注氣增流效果也有效解決了割縫后鉆孔瓦斯流量衰減問題。

2）割縫煤層布孔間距6 m時的注氣影響效果與普通煤層3 m時的效果接近，相同條件分別注抽10，20，30 d后，普通煤層注氣影響范圍分別為1.56，2.65，6.51 m，而割縫煤層分別為2.16，5.75，11.55 m。相同布孔條件下，割縫煤層注氣影響范圍大于普通煤層，水平擴展的縫槽之間相互貫通并形成橢圓形的瓦斯下降空間。

3）水射流割縫-注氮聯合促抽瓦斯工藝可以有效提高煤層注氮驅替效果，割縫組瓦斯純量超普通組的105.17%，變化規律符合數值模擬過程，割縫組抽采效率更高，煤層瓦斯壓力下降速率更快。

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（責任編輯：高佳）