唐巨鵬，楊森林，李利萍

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

煤與瓦斯突出是井下煤礦生產(chǎn)中遇到的一種極其復(fù)雜的礦井瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象［1］。它能在極短的時(shí)間內(nèi)，向巷道或采場(chǎng)空間拋出大量煤炭，同時(shí)噴出瓦斯，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，威脅煤礦安全生產(chǎn)。隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，我國(guó)多數(shù)煤礦相繼進(jìn)入深部開采階段，深部煤層表現(xiàn)出顯著的“高地應(yīng)力、高孔隙壓、高溫度和低滲透性”特征，煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害愈趨嚴(yán)重。目前，防治煤與瓦斯突出主要采用排放鉆孔的方法，深部煤層卸壓預(yù)抽瓦斯是降低瓦斯災(zāi)害的主要措施［2］。但由于煤層透氣性低，導(dǎo)致排放鉆孔密度大，抽放半徑較小，施工工期長(zhǎng)。針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者提出了多種防突措施。主要有：深孔預(yù)裂爆破、水力沖孔、煤層注水、水力割縫、水力壓裂等。深孔預(yù)裂爆破能夠使鉆孔底部形成表面積較大孔穴，但若裝藥不能滿足要求，易誘導(dǎo)突出發(fā)生［3］。水力沖孔、煤層注水一般在瓦斯壓力大的松軟煤層能夠取得較好效果，但由于鉆孔直徑較大，鉆孔時(shí)存在塌孔、夾鉆以及施工操作復(fù)雜等缺點(diǎn)［4，5］。水力割縫技術(shù)屬于一種新型射孔完井技術(shù)，趙嵐等［6］研究了在固 -氣耦合作用下，通過(guò)水力割縫釋放低滲透煤層的部分有效體積應(yīng)力，使部分煤層在割縫后發(fā)生垮落，應(yīng)力場(chǎng)重新分布；王婕、林柏泉［7］模擬了割縫排放低透氣性煤層內(nèi)瓦斯的過(guò)程，驗(yàn)證了割縫排放煤層內(nèi)瓦斯是降低低透氣性煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的有效方式；唐建新、賈劍青［8］按照高壓水射流技術(shù)應(yīng)用的原理，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于抽采鉆孔中切割煤體的高壓水射擊流裝置，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)噴嘴和射流器進(jìn)行了試驗(yàn)；宋維源等［9］從水力割縫技術(shù)致煤層應(yīng)力變化角度，將理論分析和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，根據(jù)滲流力學(xué)平面徑向流理論，分析給出了水力割縫技術(shù)增透抽采瓦斯原理；林柏泉等［10］通過(guò)對(duì)鉆孔周圍應(yīng)力分布的研究，指出“瓶塞效應(yīng)”是制約其影響范圍的主要因素，割縫可以消除此效應(yīng)；張其智，林柏泉等［11］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法得出，煤體水力割縫后割縫鉆孔起始瓦斯抽采量是普通鉆孔的2.5倍，且在考察時(shí)間內(nèi)割縫孔的抽采流量遠(yuǎn)大于普通孔，提高了瓦斯抽采效率；沈春明，林柏泉等［12］基于高壓水射流割縫卸壓增透技術(shù)，對(duì)割縫后瓦斯抽采和煤體透氣性的變化進(jìn)行研究，模擬計(jì)算了割縫后煤體卸壓影響范圍的變化特性。由此可見，考慮水力割縫布置方式對(duì)深部煤層卸壓防突效果影響的研究還未有報(bào)道。本文針對(duì)平頂山某煤礦深部開采特征，建立了三維有限元模型，用數(shù)值分析方法模擬了不同水力割縫布置方式對(duì)深部煤層卸壓防突的影響規(guī)律，通過(guò)比較，給出了卸壓效果較好的交錯(cuò)式水力割縫布置方式，研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)煤與瓦斯突出的防治提供一些參考。

1 水力割縫橫向深度確定

水力割縫技術(shù)是利用割縫設(shè)備兩側(cè)噴頭射出高壓水射流，通過(guò)不斷沖擊煤層表面，使得煤碎屑不斷剝落，煤體縫隙不斷加深，直至達(dá)到臨界深度，引起煤體結(jié)構(gòu)破壞，最終工作面前方煤體得到充分卸壓，同時(shí)排放瓦斯，從而消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，保證煤礦安全生產(chǎn)。高壓水射流最大切割橫向深度決定了煤體卸壓范圍和效果，若忽略流體粘性和重力，則其公式為［13］：

式中：Er——煤層彈性模量（MPa）；ρr、cr分別為煤層密度和聲速（kg/m3），（m/s）；

ρm、cm——射流流體密度和聲速（kg/m3），（m/s）；

σd——?jiǎng)訌?qiáng)度極限（MPa）；

ν0——噴嘴出口速度（m/s）；

b——射流進(jìn)入接觸煤體后的高度（m）。

該突出煤層參數(shù)為：Er=10GPa，ρr=1380kg/m3，cr=2692m/s，ρm=1000kg/m3，cm=1400m/s，σd=15.8MPa，ν0=210m/s，b=0.0045m。計(jì)算得到單側(cè)最大切割深度為xmax=2.37m，卸壓范圍可達(dá)4.74m。

2 水力割縫模型建立

以平頂山某煤礦某開采工作面為例，建立三維有限元模型（圖1）。采面標(biāo)高為-720m。

圖1 三維有限元模型Fig.1 Three dimentional finite element model

數(shù)值模擬模型尺寸參數(shù)取值：長(zhǎng)、寬、高均為30m，頂、底板厚度13m，煤層厚度4m，割縫橫向剖面簡(jiǎn)化為矩形，經(jīng)公式（1）計(jì)算得到該煤層最大水力割縫橫向深度為4.74m，考慮實(shí)際水力割縫橫向切割深度受地質(zhì)條件、割縫工藝等影響，取水力割縫切割深度為4m，寬0.2m，割縫縱向深度為10m。模型底面、Z向側(cè)面施以固定約束，頂面、X向側(cè)面均施以均布載荷，其垂直應(yīng)力為16MPa，水平應(yīng)力為22.4MPa。煤層及頂板、底板力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 割縫前應(yīng)力云圖Fig.2 Stress contour before cutting seam

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 水力割縫前應(yīng)力分布

開采煤層標(biāo)高為-720m，處于深部開采階段，割縫前煤層附近 X向應(yīng)力呈扇形輻射狀遞增（圖2（a）），應(yīng)力值為8.84～11.7MPa，煤層左右端面深色區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力最大值為34.7MPa；割縫前Y向應(yīng)力以煤層為中心向外輻射成橢圓形變化（圖 2（b）），應(yīng)力值為 12.8～13.6MPa。

圖4 三種水力割縫布置方式下應(yīng)力曲線圖Fig.4 Stress curves of three kinds of cutting arrangement

表1 模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of model

割縫前對(duì)煤層應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律分析表明：盡管煤層水平應(yīng)力（即X向應(yīng)力）和垂直應(yīng)力（即Y向應(yīng)力）均小于頂?shù)装鍛?yīng)力，但局部區(qū)域由于上覆巖層垂直應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造水平應(yīng)力形成的高地應(yīng)力場(chǎng)長(zhǎng)期作用，深煤層更趨于松軟破碎，部分煤體應(yīng)力得到初步釋放，應(yīng)力場(chǎng)重新分布，形成了新的應(yīng)力集中區(qū)。因此開采深部突出煤層時(shí)，必須一方面對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行采前有效卸壓，釋放煤體集中應(yīng)力，另一方面預(yù)抽瓦斯，降低深煤層瓦斯壓力，才能保證煤礦安全生產(chǎn)。水力割縫技術(shù)就是采前通過(guò)對(duì)煤層布孔割縫，人為制造深達(dá)煤體十幾米甚至幾十米的立體孔縫網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到既充分釋放煤體集中應(yīng)力，使應(yīng)力場(chǎng)重新分布，對(duì)煤體卸壓，又溝通了突出煤層瓦斯解吸、運(yùn)移、抽采的通道，為煤與瓦斯突出的防治提供保障。

3.2 不同水力割縫布置方式卸壓效果模擬

水力割縫布置方式是影響煤層卸壓防突效果的重要因素，因此對(duì)平行、菱形和交錯(cuò)三種不同水力割縫布置方式下煤層應(yīng)力變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。相同的割縫參數(shù)為：割縫數(shù)量均取為4條（上下各2條），割縫橫向距離均為6m，縱向距離均為2m。分析在同一煤層、同等割縫數(shù)量條件下，三種水力割縫布置方式對(duì)煤層卸壓情況，通過(guò)比較，選擇合理割縫布置方式。由圖3數(shù)值模擬結(jié)果可知，三種水力割縫布置方式均具有較好的卸壓效果，但卸壓區(qū)范圍有較大差異。通過(guò)比較可知，交錯(cuò)式水力割縫布置方式卸壓區(qū)范圍基本覆蓋整個(gè)煤層，而平行布置與菱形布置方式的割縫卸壓影響區(qū)范圍產(chǎn)生重疊，沒有充分發(fā)揮水力割縫卸壓優(yōu)勢(shì)。取不同水力割縫布置方式卸壓云圖右側(cè)不同顏色區(qū)域所對(duì)應(yīng)數(shù)值為應(yīng)力觀測(cè)區(qū)值，分別為1～9觀測(cè)區(qū)，畫出三種布置方式下X向、Y向應(yīng)力觀測(cè)區(qū)與應(yīng)力值關(guān)系曲線圖。由圖4（a）可知，三種布置方式下X向應(yīng)力變化差別不大，曲線變化趨勢(shì)基本一致。觀測(cè)區(qū)8為應(yīng)力降最大區(qū)域，可以看出菱形與交錯(cuò)排列水力割縫布置方式卸壓效果較為明顯，卸壓區(qū)域應(yīng)力降分別為97.5％和91.6％，而平行布置方式僅為72.4％。由圖4（b）可以得出，三種布置方式下Y向應(yīng)力中菱形布置方式平均應(yīng)力值比其他兩種方式都大，因此菱形布置方式卸壓效果最不理想。除此之外，交錯(cuò)布置方式應(yīng)力降為97.8％，而平行與菱形布置方式分別為56.6％和87.5％。綜合以上分析可以得出，交錯(cuò)式水力割縫布置方式既可以滿足卸壓范圍的需要，又能夠較好的釋放深部煤層應(yīng)力，其與平行和菱形布置方式相比，卸壓效果更為理想。

4 結(jié)論

（1）割縫前對(duì)煤層應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律分析表明：由于深煤層更趨于松軟破碎，部分煤體應(yīng)力得到初步釋放，應(yīng)力場(chǎng)重新分布，形成了新的應(yīng)力集中區(qū)。因此開采深部突出煤層時(shí)，必須一方面對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行采前有效卸壓，釋放煤體集中應(yīng)力，另一方面預(yù)抽瓦斯，降低深煤層瓦斯壓力，才能保證煤礦安全生產(chǎn)；

（2）相同割縫參數(shù)下，不同水力割縫布置方式對(duì)煤層卸壓效果數(shù)值模擬表明：三種水力割縫布置方式（平行、菱形、交錯(cuò)）均具有較好卸壓效果，但對(duì)煤層卸壓區(qū)范圍有很大差異。比較分析可知，交錯(cuò)式水力割縫布置方式不但卸壓效果顯著，而且卸壓區(qū)范圍波及最大，卸壓效果比其它兩種更為理想。

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