楊黨震,李樹清,楊鳳玲,李波,段蓉

(1.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制國家安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

隨著煤炭資源開采逐漸由淺部進(jìn)入深部,煤層的低透氣性越發(fā)成為制約瓦斯高效抽采的關(guān)鍵因素,而煤層卸壓增透技術(shù)是提高瓦斯抽采效率的重要手段.鑒于此,國內(nèi)外專家提出水力沖孔、水力壓裂、深孔預(yù)裂爆破和二氧化碳致裂等造縫卸壓增透技術(shù),并進(jìn)行了大量研究[1-8].林柏泉等[9-10]研究了煤層割縫后縫槽如何卸壓和防突的機(jī)理,研究發(fā)現(xiàn)割縫后在其工作面前方形成了卸壓區(qū),縫槽的卸壓效果主要與縫槽的形狀與長度相關(guān);劉廳等[11]研究了水力割縫預(yù)抽后煤體的孔隙結(jié)構(gòu)特征,提出將液氮吸附和壓汞相結(jié)合的方法表征煤體孔隙結(jié)構(gòu),從而揭示了割縫預(yù)抽煤層卸壓增透技術(shù)的微觀機(jī)理;趙陽升等[12]研究了煤層不同埋藏深度、不同割縫寬度縫槽附近的卸壓范圍和卸壓效應(yīng).這些研究成果進(jìn)一步證實(shí)割縫卸壓技術(shù)可以改善瓦斯抽采效果,提高瓦斯抽采效率.而這些割縫技術(shù)均只是斷續(xù)造縫,很難進(jìn)行連續(xù)的大面積煤層割縫,如果增加割縫的擾動(dòng)范圍又將會(huì)加大瓦斯處理工作量和投資.為此筆者課題組通過前期調(diào)研,提出了一種可在煤層內(nèi)部連續(xù)割縫、實(shí)現(xiàn)煤層大面積卸壓增透的新技術(shù)——金剛石串珠繩鋸切割煤層卸壓增透技術(shù).本文擬通過煤體瓦斯?jié)B流試驗(yàn)得出不同損傷煤樣的應(yīng)力-滲透率擬合公式,并在此基礎(chǔ)上采用FLAC3D數(shù)值模擬方法,分析割縫后煤層的應(yīng)力及滲透率分布規(guī)律.論文研究成果對于金剛石串珠繩鋸切割煤層的工程實(shí)踐具有一定指導(dǎo)意義.

1 金剛石串珠繩鋸割縫工藝

將金剛石串珠繩鋸機(jī)應(yīng)用到煤礦井下作業(yè)時(shí),需要綜合考慮巷道布置、支護(hù)方式、切割煤層厚度、切割煤層面積等因素.金剛石串珠繩鋸切割煤層的工藝布置如圖1所示.首先在煤層中鉆孔,然后將繩鋸穿過鉆孔形成閉合的輸送回路,導(dǎo)向輪用來固定繩鋸位置及控制繩鋸切割行進(jìn)方向,繩鋸機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),推動(dòng)串珠繩高速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切割,切割過程中在串珠繩的入繩口設(shè)有噴口以進(jìn)行降塵減熱.根據(jù)所切割煤層的具體工況依次在煤層中間切割相應(yīng)數(shù)量的縫槽(圖1中割縫數(shù)量為3條).從2012年開始,筆者項(xiàng)目組對金剛石串珠繩鋸切割煤層這一工藝進(jìn)行了大量的前期研究工作,并在煤礦井下試驗(yàn),繩鋸機(jī)在高地應(yīng)力環(huán)境下的切割速率達(dá)到70～80 m2/h,實(shí)現(xiàn)了有效圍割煤層面積達(dá)1 500 m2,割縫效果良好.其現(xiàn)場作業(yè)情景如圖2所示.

圖1 金剛石串珠繩鋸切割煤層工藝布置

圖2 金剛石串珠繩鋸切割煤層現(xiàn)場

2 繩鋸切割煤層后不同損傷程度煤樣瓦斯?jié)B流試驗(yàn)

本次試驗(yàn)煤樣取自開灤礦區(qū)某礦5#煤層,采用巖芯鉆機(jī)制取標(biāo)準(zhǔn)煤樣Ф50 mm×100 mm,包括3個(gè)彈性煤樣和3個(gè)裂隙煤樣.不同損傷程度的煤樣制備方法:彈性煤樣是由巖芯鉆機(jī)直接制取后磨平兩端獲得;裂隙煤樣是將制得的彈性煤樣通過RMT-150C設(shè)備進(jìn)行單軸壓縮,直至出現(xiàn)貫穿裂隙時(shí)立即停止壓縮操作,即獲得裂隙煤樣.將制備完成的煤樣進(jìn)行尺寸、質(zhì)量等基本參數(shù)測量并編號.煤樣基本信息如表1和表2所示.

表1 彈性煤樣的基本參數(shù)

表2 裂隙煤樣的基本參數(shù)

為了得出不同損傷煤樣的應(yīng)力-滲透率關(guān)系,對其進(jìn)行瓦斯?jié)B流試驗(yàn).此次試驗(yàn)使用裝置為RLW-500G煤巖三軸蠕變-滲流-吸附解吸滲流系統(tǒng),如圖3所示,其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示.該滲流試驗(yàn)系統(tǒng)與一般瓦斯?jié)B流裝置相比,其優(yōu)點(diǎn)在于該裝置綜合考慮了溫度的控制,具有一定自動(dòng)化程度,并且操作簡單,測量精度較高,還可以進(jìn)行長時(shí)間的蠕變加載.

圖3 RLW-500G煤巖三軸蠕變-滲流-吸附解吸滲流系統(tǒng)

表3 試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)繩鋸切割工藝煤體的受力特征,滲流試驗(yàn)應(yīng)力路徑采用3次等壓循環(huán)加卸載方式,其最大加載峰值為16 MPa,如圖4所示.

圖4 3次等壓循環(huán)加卸載

對不同損傷煤樣做3次循環(huán)加卸載的瓦斯?jié)B流試驗(yàn),確定彈性煤樣與裂隙煤樣的滲透性.再通過對各煤樣的應(yīng)力-滲透率的擬合,得出各煤樣在3次循環(huán)加卸載下的應(yīng)力-滲透率擬合公式,如表4所示.

表4 各煤樣3次循環(huán)加卸載應(yīng)力-滲透率擬合公式

3 繩鋸切割煤層數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型及參數(shù)

圖5 數(shù)值模擬模型

根據(jù)煤層繩鋸割縫工程實(shí)際,采用FLAC3D軟件建立長寬高為200 m×136 m×18 m的數(shù)值模型,如圖5所示.設(shè)置數(shù)值模擬模型的邊界條件:前后左右邊界為輥支撐邊界條件,下邊界為固定約束邊界條件,上邊界施加10 MPa垂直應(yīng)力.

模型巖層分布如圖6所示,各巖層力學(xué)參數(shù)如表5所示.

圖6 模型巖層分布情況

表5 數(shù)值模擬各巖層力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算煤層滲透率

將表4中獲得的應(yīng)力-滲透率擬合公式導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值模擬軟件,在軟件中建立如圖7所示的滲透率更新程序,由軟件根據(jù)煤體損傷狀態(tài)去判斷加載和卸載的過程,確定其相應(yīng)區(qū)域使用的應(yīng)力-滲透率擬合公式.

圖7 煤體滲透率更新程序

3.3 金剛石串珠繩鋸切割煤層模擬結(jié)果分析

3.3.1 金剛石串珠繩鋸切割煤層覆巖應(yīng)力變化規(guī)律

圖8 縫槽上部煤巖體垂直應(yīng)力隨繩鋸割煤工作面推進(jìn)變化情況

為了掌握金剛石串珠繩鋸切割煤層過程中垂直應(yīng)力和滲透率分布情況,在數(shù)值模型中沿繩鋸割煤工作面推進(jìn)方向設(shè)置一條應(yīng)力和滲透率監(jiān)測線,監(jiān)測割煤工作面推進(jìn)至30，60，90 m時(shí)縫槽上方0.5 m處的應(yīng)力和滲透率狀態(tài).圖8為垂直應(yīng)力數(shù)值監(jiān)測結(jié)果.

從圖8可以看出:繩鋸切割煤層過程中,縫槽周邊煤巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞,應(yīng)力重新分布;縫槽兩側(cè)外部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力值最高升至14.5 MPa,縫槽內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力降低現(xiàn)象,其應(yīng)力最低降至7.1 MPa;隨著工作面依次推進(jìn)至30，60，90 m的過程中,應(yīng)力減小的區(qū)域越來越大,卸壓范圍增大.

圖9 切割多條縫時(shí)垂直應(yīng)力的分布

由于串珠繩鋸的切割厚度非常小(國內(nèi)生產(chǎn)的繩鋸最大直徑為30 mm),切割時(shí)對煤層應(yīng)力場的影響范圍較為有限.為了增大卸壓范圍,在繩鋸切割完1條縫槽之后,在其下方再進(jìn)行多次切割,獲得了多條割縫的垂直應(yīng)力分布曲線,如圖9所示.

從圖9中發(fā)現(xiàn):切割1條縫時(shí)應(yīng)力值最大降低到7.1 MPa,切割2條縫時(shí)應(yīng)力值可以降到4.9 MPa,切割3條縫時(shí)應(yīng)力值最大可以降到2.9 MPa.與此同時(shí),卸壓范圍也隨著縫槽數(shù)量的增多而擴(kuò)大,切割1,2,3條縫時(shí)卸壓影響范圍分別為11,15,20 m.也就是說,隨著對煤層切割次數(shù)的增多,卸壓程度提高,卸壓范圍擴(kuò)大.

3.3.2 切割1條縫時(shí)煤巖體滲透率變化規(guī)律

對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理分析,獲得繩鋸切割1條縫過程中不同推進(jìn)距離、縫槽不同高度位置處的煤層滲透率分布規(guī)律,分別如圖10和圖11所示.

圖10 不同推進(jìn)距離滲透率的分布特征

根據(jù)圖10可以看出:當(dāng)金剛石串珠繩鋸切割煤層后,煤層的滲透率得到了提高.煤層切割30 m時(shí),起割位置及止割位置的滲透率接近1 md,割縫工作面上方區(qū)域滲透率也發(fā)生了變化,從0.1 md升高到0.7 md左右.從滲透率的數(shù)值變化可以看出,隨著工作面向前推進(jìn),割縫對滲透率的影響范圍也逐漸增大,即滲透率值增加的范圍逐漸擴(kuò)大.但繩鋸切割工作面中間部分的滲透率值出現(xiàn)了小范圍的減小,結(jié)合前述垂直應(yīng)力演化規(guī)律分析此現(xiàn)象原因,主要是由于縫槽中間部分應(yīng)力恢復(fù)造成的,但較未進(jìn)行金剛石串珠繩鋸割縫操作的區(qū)域,其滲透率的值仍然升高了0.6 md左右.

圖11 縫槽上方不同高度滲透率的分布特征

分析圖11可得:割縫后在距離縫槽上方0.5 m處,煤巖體形成了較大的增透范圍,該范圍內(nèi)的滲透率均大于0.7 md;在距離縫槽上方1 m處,煤巖體滲透率大于0.7 md的區(qū)域僅在縫槽兩側(cè)的小范圍內(nèi),而大部分區(qū)域的煤巖體滲透率為0.3 md;在距離縫槽上方1.5 m處,縫槽兩側(cè)以外區(qū)域滲透率幾乎無明顯變化.由此分析可知，距離縫槽越遠(yuǎn),煤巖體滲透率變化值越小,割縫后煤層滲透率大小與縫槽的垂直距離成反比.

3.3.3 不同縫槽數(shù)量煤巖體滲透率分布對比

為了更直觀地對比縫槽數(shù)量對煤層滲透率的影響效果,提取不同縫槽數(shù)量下縫槽上方0.5 m處煤巖體的滲透率,得到其分布情況如圖12所示.

圖12 縫槽上方0.5 m處滲透率分布

從圖12可以發(fā)現(xiàn):繩鋸切割煤層后,煤巖體滲透率增加峰值出現(xiàn)在起割位置和止割位置,峰值附近形成倒“V”的增透范圍,該增透范圍隨著縫槽數(shù)量增加而擴(kuò)大,切割1,2,3條縫時(shí)該增透范圍分別為13,18,24 m.隨著對煤層切割次數(shù)的增多,卸壓范圍得到了擴(kuò)大,滲透率也相應(yīng)提高.

4 結(jié)論

1)繩鋸切割破壞煤巖體原始應(yīng)力平衡,在縫槽周邊一定范圍內(nèi)形成卸壓區(qū),且卸壓效果與縫槽的垂直距離成反比,同時(shí)在縫槽左右兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.

2)隨著割縫工作面推進(jìn),煤巖體增透范圍逐漸擴(kuò)大,隨著縫槽長度增加,在縫槽中部出現(xiàn)滲透率提升幅度減小的現(xiàn)象.

3)切割縫槽數(shù)量越多,煤層應(yīng)力降低值和滲透率升高值越大,即增加割縫次數(shù)可以提高卸壓程度,擴(kuò)大卸壓增透范圍.