低透氣性煤層水射流瓦斯增透關(guān)鍵技術(shù)研究

張小軍

摘 要：低透氣性煤層瓦斯抽采問題一直是中國煤炭企業(yè)在安全生產(chǎn)中的一個重要課題?；诹黧w連續(xù)介質(zhì)理論，聯(lián)立連續(xù)性方程、Euler方程、能量方程及張量總和表達(dá)式建立水射流沖擊煤體的控制方程，給出射流壓力與射流流速及流量的關(guān)系式，確定射流壓力與射流流速及流量之間呈正相關(guān)趨勢。通過ANSYS/LS-DYNA模擬研究水射流壓力與切割半徑間的關(guān)系，結(jié)果表明射流壓力越大，切割深度越遠(yuǎn)，但切割壓力越大，伴隨而來的峰值應(yīng)力不穩(wěn)定現(xiàn)象越劇烈;沖擊水壓為60 MPa時，沖擊深度趨于平緩峰值，沖擊效率較高。采用實驗室實驗方法確定水射流噴口半徑，初步檢驗水射流對低滲透煤體的切割效果良好。工業(yè)性試驗結(jié)果表明水射流增加了煤體貫通裂隙，擴(kuò)大了瓦斯的滲出范圍，瓦斯抽采效率明顯提升。

關(guān)鍵詞：低透氣性煤層;瓦斯開采;水射流增透;數(shù)值模擬;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TD 231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）03-0410-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0304

Abstract：The problem of gas extraction from low permeability coal seams has always been an important issue for coal enterprises in Chinese safe production.This paper establishes a control equation of water jet impact on coal body based on the theory of fluid continuum medium，the joint continuity equation，Euler equation，energy equation and tensor sum expression，builds the relationship between jet pressure and jet flow rate and traffic，and determines the positive correlation trend between jet pressure and jet flow rate and flow rate.The relationship between hydraulic flushing pressure and cutting radius was investigated by ANSYS/LS-DYNA simulations，indicating that the higher the pressure，the farther the cutting depth，but the higher the cutting pressure，the more dramatic the accompanying peak stress instability.When the impact water pressure is 60 MPa，the impact depth tends to level off the peak with the impact efficiency higher.The radius of the water jet nozzle was determined by laboratory experimental method，and the preliminary test shows that the water jet has good effects on cutting and breaking coal of low permeability coal body.The results of industrial experiments shows that hydraulic flushing increases the penetration fissures of coal body，expands the range of gas seepage，and significantly improves the gas extraction efficiency.Key words：low-permeability coal seam;gas mining;water jet permeabiligy-enhancement;numerical simulation;key technologies

0 引 言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的長足發(fā)展對資源需求日益增多，中國煤礦開采規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大和開采深度也持續(xù)向深部發(fā)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(nèi)外研究人員針對瓦斯增透技術(shù)的研究已經(jīng)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(shù)[8];之后又探討了巖石在射流壓力作用下裂隙的發(fā)育擴(kuò)展方式、裂隙的產(chǎn)生準(zhǔn)則[9-10]以及流體的壓力分布規(guī)律[11]，為后期應(yīng)用于煤礦開采及瓦斯抽采提供一定的理論基礎(chǔ);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(shù)的基礎(chǔ)上采用水射流切割煤體[12];李杭州等以巖石斷裂及細(xì)觀損傷力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分別討論射流壓力作用下煤巖尖端裂紋擴(kuò)展的發(fā)生準(zhǔn)則和損傷范圍以及其發(fā)育延展方向，為現(xiàn)場工程提供一定理論依據(jù)[13];孫小明等采用穿層鉆孔水射流擴(kuò)孔技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化增透，解決九里山煤礦煤層透氣性差、區(qū)域預(yù)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(xiàn)場實際相結(jié)合的方法對硫磺溝礦進(jìn)行高位鉆孔抽采，最終達(dá)到降低瓦斯?jié)舛鹊男Ч鸞15];國林東等采用自行研究“鉆-割-封”技術(shù)，后瓦斯的抽采濃度及抽采純量均獲得提升，并且實現(xiàn)煤層的卸壓增透[16];杜昌華等針對煤層水文地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯治理難等問題，結(jié)合水射流瓦斯增透的技術(shù)原理，提出“鉆孔擴(kuò)孔一體化”的增透技術(shù)措施，以此為基礎(chǔ)在礦區(qū)內(nèi)開展試驗研究并取得成功[17];任仲久結(jié)合理論分析、室內(nèi)實驗與現(xiàn)場工業(yè)性驗證，確定水射流沖孔技術(shù)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(rèn)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(fā)利用急需完善或開發(fā)現(xiàn)有設(shè)備以滿足今后的生產(chǎn)需要[19]。

水射流瓦斯增透技術(shù)通過增加煤巖內(nèi)貫通裂隙的范圍及數(shù)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(guān)于水射流壓力變化對于瓦斯增透效果的相關(guān)研究還較少，因此，文中擬對于瓦斯增透的壓力選擇最優(yōu)解進(jìn)行研究，為今后瓦斯增透技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供新思路。

1 水射流瓦斯增透控制方程

1.1 基本假設(shè)

1）假設(shè)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(zhì)、連續(xù)和各向同性的固體。

3）假設(shè)連續(xù)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(jī)理分析

基于流體連續(xù)介質(zhì)理論[22]，得到高壓水柱沖擊煤體的控制方程如下

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(dāng)噴嘴直徑不變時，射流壓力與射流流速及流量呈正相關(guān)趨勢變化;當(dāng)流量不變時，射流壓力與噴嘴直徑呈反相關(guān)趨勢發(fā)展。

2 水射流瓦斯增透數(shù)值模擬研究

2.1 模型網(wǎng)格劃分

為了更好的貼合現(xiàn)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(jìn)行模擬，該模型與應(yīng)變率相關(guān)。

煤樣的具體參數(shù)見表1。

設(shè)射流水對煤體的作用過程中受力是對稱的，據(jù)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。

模型單元類型取3D Solid 164實體單元，單元網(wǎng)格分別按0.20 cm，0.80 cm，1.60 cm長度劃分，模型單元數(shù)為413 722，節(jié)點數(shù)為207 122。建模過程中對水柱和煤體分別進(jìn)行了不同材料種類的網(wǎng)格劃分，針對水柱區(qū)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(wǎng)格劃分法。

2.2 不同射流壓力作用下煤巖數(shù)值模擬分析

由于煤體在射流作用下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)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(yīng)力隨時間變化的曲線以及不同時刻的模型整體有效應(yīng)力云圖。在對射流單元進(jìn)行隱藏后可以更加方便的觀察到煤體材料的有效應(yīng)力變化。

利用后處理軟件LS-PREPOST對計算結(jié)果進(jìn)行處理，分別得到20，40，60，80 MPa射流壓力下的Mises有效應(yīng)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(yīng)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(yīng)力基本不再變化，沖擊距離也達(dá)到最大值。就整個沖擊過程而言，煤巖中最大有效應(yīng)力隨著沖擊距離的增加而逐漸減小。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)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(xiàn)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(yuǎn)沖擊影響范圍的參數(shù)值見表2。

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(kuò)大。結(jié)合本節(jié)2.2數(shù)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。

3 試驗效果分析

3.1 室內(nèi)切割試驗

考慮到現(xiàn)場實際加壓問題，如果射流壓力過大噴嘴結(jié)構(gòu)承受不住壓力會發(fā)生破壞[25]。因此，在煤礦取樣后進(jìn)行了室內(nèi)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(jìn)行切割試驗。如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在噴嘴直徑為3 mm時，射流水柱較為集中無霧化現(xiàn)象，其切割效果良好，可以達(dá)到600～800 mm的切割深度。

3.2 工業(yè)性試驗結(jié)果分析

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

煤礦含煤地層厚度平均為234.45 m，共含煤10層。自上而下編號為一、二1、二12、二22、三、四、五、七11、七21、七2，其中二1、二12、二22、三、四、五煤為主要可采煤層，七11煤為不穩(wěn)定的局部可采煤層，而剩下的一、七21、七2煤為不可采煤層。

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(xiàn)過瓦斯相對涌出量達(dá)到51.8 m3/t的情況。因此，要采用水射流瓦斯增透技術(shù)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(fā)生。

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

在礦井的32211綜采工作面機(jī)巷內(nèi)選取了4個鉆孔，采用射流壓力為60 MPa進(jìn)行了現(xiàn)場試驗并對數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄，如圖7所示。

由圖7可知，未使用水射流瓦斯增透技術(shù)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(shù);采用割縫技術(shù)后瓦斯抽采量先迅速上升，在后續(xù)抽采過程中抽采量緩慢下降，但是衰減后的抽采量也遠(yuǎn)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(jìn)行切縫處理，其基本處于線性下降狀態(tài)。表明在采用水射流瓦斯增透技術(shù)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(jié) 論

1）基于流體連續(xù)介質(zhì)理論，聯(lián)立連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及張量總和表達(dá)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(guān)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(jìn)行了數(shù)值模擬。射流壓力越大，切割深度越遠(yuǎn);但切割壓力越大，伴隨而來的峰值應(yīng)力不穩(wěn)定現(xiàn)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(yīng)力波動范圍較小，且切割深度可達(dá)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(shù)切割煤體，人工增大煤體的內(nèi)部裂隙破裂范圍，增加煤體內(nèi)瓦斯的析出途徑，達(dá)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(yuǎn)低于7號、8號及10號鉆孔。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 中國煤炭新聞網(wǎng).我國煤炭行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀[EB/OL].http：//www.cwestc.com/newshtml/2014-12-21/355698.shtml.2014-12-21.

China Coal News.The development status of Chinas coal industry[EB/OL].http：//www.cwestc.com/newshtml/2014-12-21/355698.shtml，2014-12-21.

[2]皮燕，葉青，王海珍.煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害事故的MORT分析[J].礦業(yè)工程研究，2014，29（3）：58-64.PI Yan，YE Qing，WANG Haizhen.MORT analysis of coal mine gas explosion accident[J].Mining Engineering Research，2014，29（3）：58-64.

[3]發(fā)改能源〔2016〕2714號.煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃[S].國家發(fā)展改革委和國家能源局，2016-12-26.Development and Reformation Energy[2016] No.2714.The 13th Five-Year Plan for the Development of the Coal Industry[S].National Development and Reform Commission and National Energy Administration，2016-12-26.

[4]劉艷亮.2002—2016年我國煤礦事故統(tǒng)計分析及預(yù)防措施[J].陜西煤炭，2018（3）：64-65.LIU Yanliang.Statistical analysis and preventive measures of coal mine accidents in my country from 2002 to 2016[J].Shaanxi Coal，2018（3）：64-65.

[5]BP中國官網(wǎng).2018《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》[EB/OL].http：//www.bp.com/zh_cn/china.html，2018-07-30.

BP China Official Website.2018 “BP World Energy StatisticsYearbook”[EB/OL].http：//www.bp.com/zh_cn/china.html，2018-07-30.[6]GORTLER H.

Berechnung von Aufgaben der freien Turburbulenz auf Grund eines neuen Naherungsansatzes[J].ZAMM，1942，22（5）：51-57.

[7]SCHLICHING H.Boundary layer theory[M].NewYork：Mcgraw-Hill book company，Nic.，1968.

[8]FARMER I W，ATTEWELL P B.Rock penetration by high velocity water jets[J].International Joumal of Rock Mechanics and Mining Science，1965，2（2）：135-153.

[9]POWELL J H，SIMPSON S P.Theoretical study of the mechanical effects of water jets impinging on a semi-infinite elastic solid[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，1969（6）：353-364.

[10]FOREMAN S E，SECOR G A.The mechanics of rock failure due to water Jet impact sixth conference on drilling and rock mechanics[J].Society of Petroleum Engineers，1973：42-47.

[11]REHBINDER G.Some aspects of the mechanism of erosion of rock with a high speed water Jet[J].Paper EI，3rd International Symposium on Jet Cutting Technology，ChicagoⅡ，1976：1-20.

[12]唐建新，尹光志，魏作安.高壓水射流技術(shù)在煤礦預(yù)抽防突中的試驗研究[J].西安科技學(xué)院學(xué)報，2003（1）：19-22.

TANG Jianxin，YIN Guangzhi，WEI Zuoan.Experimental study of high-pressure water jet technology in coal mine pre-drainage and outburst prevention[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2003（1）：19-22.

[13]李杭州，張恩強(qiáng).煤體裂紋水力致裂的擴(kuò)展機(jī)理[J].西安科技學(xué)院學(xué)報，2003（4）：372-374.LI Hangzhou，ZHANG Enqiang.Mechanism of coal crack growth under water pressure[J].Journal of Xian Institute of Science and Technology，2003（4）：372-374.

[14]孫小明，王兆豐，韓亞北，等.單一低透氣性煤層水射流擴(kuò)孔增透技術(shù)與效果分析[J].煤炭工程，2015，47（4）：72-74.SUN Xiaoming，WANG Zhaofeng，HAN Yabei，et al.Single low-permeability coal seam water jet reaming technology and effect analysis[J].CoalEngineering，2015，47（4）：72-74.

[15]邱春亮，趙鵬翔，王緒友，等.硫磺溝礦（4-5）04工作面高位鉆孔抽采瓦斯技術(shù)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2018，38（3）：389-395.QIU Chunliang，ZHAO Pengxiang，WANG Xuyou，et al.Gas drainage technology by high-position boreholes in（4-5）04 working face of Liuhuanggou mine[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2018，38（3）：389-395.

[16]國林東，趙旭生，黃振飛.瓦斯抽采鉆孔“鉆-割-封”技術(shù)研究及應(yīng)用[J].煤礦安全，2019，50（3）：61-64，68.GUO Lindong，ZHAO Xusheng，HUANG Zhenfei.Research and application of“drill-cut-seal”technology for gas drainage boreholes[J].Safety in Coal Mines，2019，50（3）：61-64，68.

[17]任仲久.水力沖孔技術(shù)在低透氣性突出煤層瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2019，51（3）：65-70.REN Zhongjiu.Application of hydraulic punching technology in gas drainage from outburst coal seams with low permeability[J].Coal Engineering，2019，51（3）：65-70.

[18]杜昌華，馮仁俊.低透松軟破碎厚煤層水力擴(kuò)孔增透技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（4）：152-156.DU Changhua，F(xiàn)ENG Renjun.Research on hydraulic reaming and anti-permeability technology of low permeability soft and broken thick coal seam[J].Coal Science and Technology，2019，47（4）：152-156.

[19]劉見中，孫海濤，雷毅，等.煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用新技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤炭學(xué)報，2020，45（1）：258-267.LIU Jianzhong，SUN Haitao，LEI Yi，et al.Current status and development trend of new technologies for coal-bed methane development and utilization in coal mining areas[J].Journal of China Coal Society，2020，45（1）：258-267.

[20]李志強(qiáng)，唐旭.水射流卸壓增滲及抽采瓦斯效果的滲流力學(xué)數(shù)值解[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2012，32（4）：464-469.LI Zhiqiang，TANG Xu.Numerical solution of seepage mechanics for the effects of water jet pressure relief and seepage enhancement and gas drainage[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2012，32（4）：464-469.

[21]劉孔智，胡正田，曹金歲，等.高壓水射流自旋式割縫技術(shù)在柿花田煤礦的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2013，33（6）：646-650，679.LIU Kongzhi，HU Zhengtian，CAO Jinsui，et al.Application of high-pressure water jet spin slotting technology in Shihuatian coal mine[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2013，33（6）：646-650，679.

[22]BEAR J.多孔介質(zhì)流體動力學(xué)[M].李競生，陳崇希，譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，.

[23]王丹丹.水射流沖擊破碎的數(shù)值分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.WANG Dandan.Numerical analysis of water jet impact crushing[D].Chongqing：Chongqing University，2008.

[24]秦超.高壓水射流防治煤與瓦斯突出的數(shù)值模擬及分析[D].唐山：河北聯(lián)合大學(xué)，2011.QIN Chao.Numerical simulation and analysis of high-pressure water jet to prevent coal and gas protrusion[D].Tangshan：Hebei United University，2011.

[25]唐建新，賈劍青，胡國忠，等.鉆孔中煤體割縫的高壓水射流裝置設(shè)計及試驗[J].巖土力學(xué)，2007，28（7）：1501-1504.

TANG Jianxin，JIA Jianqing，HU Guozhong，et al.Design and test of a high-pressure water jet device for cutting seams in a borehole[J].Rock and Soil Mechanics，2007，28（7）：1501-1504.

[26]張吉，張慶春.汝箕溝井田瓦斯成因及賦存規(guī)律研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37（增刊）：13-14.ZHANG Ji，ZHANG Qingchun.Research on the cause and occurrence of gas in Rujigou mine field[J].Mining Safety and Environmental Protection，2010，37（S）：13-14.

[27]楊自杰.寧夏汝箕溝礦區(qū)大峰井田侏羅紀(jì)煤層煤巖學(xué)特征[J].寧夏工程技術(shù)，2016，15（2）：134-137.

YANG Zijie.Petrographic characteristics of Jurassic coal seams in Dafeng mine field，Rujigou mining area，Ningxia[J].Ningxia Engineering Technology，2016，15（2）：134-137.