Research and application of hydraulic slotting gas extraction technology in coal seams containing gangue
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摘要: 为研究水力割缝强化瓦斯抽采技术在含夹矸煤层中的应用，通过理论分析得出，与普通钻孔相比，水力割缝钻孔可通过增加煤层渗透率、煤体暴露面积、瓦斯流动通道3个方面强化瓦斯抽采，并建立了考虑孔隙率和渗透率变化的煤层瓦斯流动控制方程。以东庞矿21218工作面为工程背景，采用COMSOL数值模拟软件建立了含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型，通过对煤层瓦斯流动控制方程进行解算，研究了不同割缝高度、不同钻孔间距条件下，水力割缝瓦斯抽采钻孔的瓦斯压力分布规律，从而确定了上煤层割缝0.3 m、下煤层割缝0.1 m、钻孔间距7.5 m的水力割缝瓦斯抽采钻孔施工参数。基于上述参数，在东庞矿21218工作面现场施工28组、每组7个水力割缝钻孔，对含夹矸煤层瓦斯进行抽采作业，结果表明：与普通钻孔相比，水力割缝钻孔的每百米巷道施工工程量减少了28.51%，瓦斯抽采纯量由11.53 万m3提升至21.43 万m3，增幅为85.86%，巷道掘进期间掘进工作面平均瓦斯体积分数由0.06%降至0.01%，瓦斯抽采效果好，且有效提高了瓦斯抽采效率。Abstract: In order to study the application of hydraulic slotting enhanced gas extraction technology in coal seams containing gangue, theoretical analysis shows the following points. Compared with ordinary drilling, hydraulic slotting borehole can enhance gas extraction by increasing coal seam permeability, coal body exposure area, and gas flow channels. A coal seam gas flow control equation has been established considering changes in porosity and permeability. Taking the 21218 working face of Dongpang Mine as the engineering background, a numerical model for hydraulic slotting gas extraction in coal seams containing gangue is established by using COMSOL numerical simulation software. By solving the control equation of coal seam gas flow, the gas pressure distribution law of hydraulic slotting gas extraction borehole under different slotting heights and drilling spacing conditions is studied. The construction parameters for hydraulic slotting gas extraction borehole with a slotting of 0.3 m in the upper coal seam, a slotting of 0.1 m in the lower coal seam, and a borehole spacing of 7.5 m are determined. Based on the above parameters, 28 groups of 7 hydraulic slotting borehole are constructed on-site at the 21218 working face of Dongpang Mine to extract gas from coal seams containing gangue. The results show that compared with ordinary borehole, the construction quantity of hydraulic slotting borehole per 100 meters of roadway decreases by 28.51%. The net amount of gas extraction increases from 115300 m3 to 214300 m3 with an increase of 85.86%. The average gas volume fraction of the excavation working face during the roadway excavation period decreases from 0.06% to 0.01%. The gas extraction effect is good and the gas extraction efficiency is effectively improved.
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0. 引言
瓦斯事故是影响煤矿安全高效生产的主要因素之一[1-2]。煤层瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的最有效手段。我国煤层大多存在渗透率低的问题，严重影响钻孔抽采效率[3-5]。随着高压水射流技术的引入，水力割缝强化瓦斯抽采技术在各大矿区逐渐得到应用，我国学者也对该技术进行了诸多研究。秦江涛等[6]针对突出煤层构造应力高、透气性系数低、瓦斯抽采效果差等问题，采用水力割缝和压裂联合增透技术对煤层瓦斯进行抽采，取得了良好效果。吴教锟[7]将水力割缝增透技术应用在石门揭煤中，减少了瓦斯抽采时间，实现了安全高效揭煤。贾同千等[8]针对水力压裂区域化瓦斯增透盲区，提出了水力割缝局部化瓦斯增透技术措施，形成了复杂地质低渗煤层水力压裂−割缝综合瓦斯增透技术。刘志伟等[9]为了掌握超高压水力钻割一体化增透合理技术参数，对合理割缝压力、不同割缝时间的单刀出煤量进行了试验。张帅等[10]采用理论分析、FLAC3D数值模拟方法研究了不同缝槽间距条件下，缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律。孙振敏[11]采用数学方法分析了煤层割缝钻孔的卸压增透机理，并在现场对比了割缝钻孔和普通钻孔的瓦斯抽采效果。陈洪涛等[12]将超高压水力割缝技术应用于透气性差的煤层瓦斯抽采中，并优化了水力割缝参数。陈树亮等[13]采用高压磨料水力割缝试验系统研究了添加磨料后的水力割缝效果及基本规律。李生舟等[14]理论分析了水射流压力、割缝时间、水射流旋转速度等工艺参数对超高压水射流割缝效果的影响。陆占金等[15]分析了高压水射流破煤机理，研制了适用于坚硬煤层条件且能够有效提高水射流打击力的圆锥收敛型喷嘴。倪兴[16]建立了水力割缝煤体瓦斯抽采流固耦合模型，研究了水力割缝钻孔有效抽采半径、孔周瓦斯压力变化情况。
目前针对含夹矸煤层水力割缝强化瓦斯抽采的研究较少。本文以冀中能源股份有限公司东庞矿21218工作面为工程背景，采用数值模拟方法研究了含夹矸煤层不同水力割缝参数下瓦斯抽采效果，并进行了现场工业化试验。
1. 工程概况
东庞矿21218工作面设计倾斜平均长度为172 m，走向平均长度为792 m，煤层赋存标高为−510～−540 m，地面标高为94.2 m。工作面内主采2号煤层沉积较稳定，结构复杂，含有一层夹矸，煤层及夹矸厚度有一定变化。上层煤厚度为2～3 m，平均厚度为2.4 m；下层煤厚度为0.7～1.5 m，平均厚度为1.25 m；夹矸厚度为0.2～1 m，平均厚度为0.7 m。21218工作面位于矿井突出危险区域，瓦斯含量相对较大，为5.36 m3/t，最大瓦斯压力为1.15 MPa。为了掩护21218工作面胶带巷掘进，在2号煤层底板以下14 m左右位置施工1条底板岩巷，通过底板岩巷向上施工钻孔抽采瓦斯，对胶带巷附近的煤层进行消突。21218工作面布置如图1所示，岩层柱状如图2所示。
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图 2 东庞矿21218工作面岩层柱状Figure 2. Rock stratum histogram of 21218 working face in Dongpang Mine2. 水力割缝瓦斯运移模型
2.1 水力割缝强化瓦斯抽采基本原理
水力割缝技术是在煤层中施工普通钻孔，然后利用高压水射流将煤体破碎冲出，在煤层中形成1个或多个宽度一定的圆盘状缝槽。普通钻孔和水力割缝钻孔抽采过程中的瓦斯流动模型如图3所示。
水力割缝钻孔与普通钻孔相比，能够强化瓦斯抽采的原因主要有以下3点：① 水力割缝过程中水射流对煤体造成冲击扰动，使割缝周围煤体破坏，产生大量裂隙，增加了煤体渗透率，为瓦斯流动提供通道。② 水力割缝后，煤体的暴露面积大幅提高，即瓦斯能从煤体直接解吸出来到钻孔空间的面积增加，同时缝槽的形成为瓦斯解吸提供了空间。③ 缝槽形成后，煤体在地应力的作用下不断变形，该过程中割缝周围煤体会产生新的裂隙，为瓦斯流动提供通道。综上可知水力割缝能从多方面强化瓦斯钻孔抽采能力。
2.2 煤层瓦斯流动控制方程
假设瓦斯是煤层中的唯一流体且在煤层中的流动符合达西定律，煤体是多孔介质且为均质、各向同性的，则可根据质量守恒方程、瓦斯含量方程、达西定律和渗透率变化方程建立煤层瓦斯运移控制方程。
瓦斯在煤层中流动的质量守恒方程可表示为[17]
$$ \frac{{\partial M}}{{\partial t}} + \nabla \left( {\rho v} \right) = {Q_{\rm{m}}} $$ (1) 式中：M为煤体中瓦斯含量，kg/m3；t为时间，s；ρ为煤体中的瓦斯密度，kg/m3；v为瓦斯流动速度，m/s；Qm为瓦斯源项，kg/(m3·s)。
煤体中瓦斯含量分为吸附瓦斯含量M1和游离瓦斯含量M2，分别表示为[18]
$$ {M_1} = \frac{{abP}}{{1 + bP}} \frac{{100 - A - W}}{{100}} \frac{1}{{1 + 0.31W}} $$ (2) $$ M{}_2 = \delta P\varphi $$ (3) 式中：a为单位质量煤体最大吸附瓦斯量，m3/kg；b为煤的吸附常数，MPa−1；P为煤层瓦斯压力，MPa；A为煤的灰分，%；W为煤的水分，%；
$\delta $ 为瓦斯压缩系数，$\delta $ =mg/(RT)；mg为瓦斯气体分子量，16 g/mol；R为理想气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为热力学温度，K；φ为煤体孔隙率。煤体中的瓦斯可看作是理想气体，则瓦斯密度可表示为[19]
$$ \rho=\frac{m_{{\rm{g}}} P}{R T} $$ (4) 根据达西定律，钻孔周围瓦斯流动速度为[20]
$$ v = - \frac{k}{\mu }\nabla P $$ (5) 式中：k为煤体渗透率，m2；μ为瓦斯动力黏度，Pa·s。
对式（1）−式（5）联立，可得煤层瓦斯运移方程：
$$ \left[ {\frac{{{m_{\rm{g}}}\varphi }}{{RT}} + \frac{{ab \left( {100 - A - W} \right)}}{{{{\left( {1 + bP} \right)}^2} 100 \left( {1 + 0.31W} \right)}}} \right]\frac{{\partial P}}{{\partial t}} - \frac{{k{m_{\rm{g}}}}}{{\mu RT}}\nabla \left( {P\nabla P} \right) = 0 $$ (6) 水力割缝钻孔形成后，钻孔和割缝周围煤体的孔隙率和渗透率会发生改变。在不考虑温度对孔隙率影响的情况下，孔隙率可表示为[21]
$$ \varphi = \frac{1}{{1 + {\varepsilon _{\rm{v}}}}}\left( {{\varphi _0} + {\varepsilon _{\rm{v}}}} \right) $$ (7) 式中：εv为煤体的体应变；φ0为煤体初始孔隙率。
渗透率与孔隙率之间满足以下关系[22]：
$$ \frac{k}{{{k_0}}} = {\left( {\frac{\varphi }{{{\varphi _0}}}} \right)^3} $$ (8) 式中k0为煤体初始渗透率，m2。
根据式（7）、式（8）可得渗透率：
$$ k = \frac{{{k_0}}}{{{{\left( {1 + {\varepsilon _{\rm{v}}}} \right)}^3}}}{\left( {1 + \frac{{{\varepsilon _{\rm{v}}}}}{{{\varphi _0}}}} \right)^3} $$ (9) 式（6）、式（7）、式（9）即为煤层瓦斯流动控制方程。
3. 割缝高度对抽采效果的影响
3.1 数值模型建立
根据东庞矿21218工作面地质条件，建立含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型，如图4所示。模型尺寸为20 m×20 m×4.35 m(长×宽×高)。
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图 4 含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型Figure 4. Numerical model for hydraulic slotting gas extraction in coal seams containing gangue由于夹矸为不透气岩层，为了保证抽采效果，对上下煤层均进行割缝。在高压水射流作用下，水力割缝半径通常能达到1.6~2.0 m，因此将割缝半径定为1.6 m，利用COMSOL数值模拟软件代入瓦斯参数，对建立的煤层瓦斯流动控制方程进行解算，研究水力割缝钻孔的瓦斯抽采效果。模型四周为应力边界条件和无流动边界条件，钻孔周围为自由边界条件。模型计算参数见表1。
表 1 数值模型计算参数Table 1. Calculation parameters of the numerical model参数 数值 参数 数值 初始地应力/MPa 15.50 初始瓦斯压力/MPa 1.15 夹矸弹性模量/GPa 3.45 吸附常数a/（m3·kg−1） 24 夹矸泊松比 0.29 吸附常数b/MPa−1 1 夹矸黏聚力/MPa 4.63 煤的灰分/% 4.38 夹矸内摩擦角/（°） 27 煤的水分/% 1.85 夹矸密度/（kg·m−3） 2 530 瓦斯分子量/（g·mol−1） 16 煤层弹性模量/GPa 2.35 气体常数/（J·mol−1·K−1) 8.314 煤层泊松比 0.25 煤层温度/K 293 煤层黏聚力/MPa 2.97 初始渗透率/m2 1.14×10−8 煤层内摩擦角/（°） 28 瓦斯动力黏度/（Pa·s） 1.84×10−5 煤层密度/（kg·m−3） 1 430 初始孔隙率 0.06 3.2 单孔模拟结果分析
上下煤层割缝高度均为0.1 m、抽采90 d时的瓦斯压力分布如图5所示。可看出割缝钻孔附近处于低瓦斯压力状态，随着瓦斯压力增高，瓦斯压力等值面呈圆柱状分布。为了进一步观测瓦斯压力分布规律，沿模型中部建立一个剖面来观察割缝钻孔周围瓦斯压力变化规律。不同割缝高度钻孔上下煤层瓦斯压力分布规律剖面如图6所示。
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图 6 单孔水力割缝钻孔不同割缝高度下瓦斯压力分布剖面Figure 6. Section of gas pressure distribution at different slotting heights in single-hole hydraulic slotting boreholes在瓦斯抽采中，通常以瓦斯压力下降51%作为有效抽采区域边界的确定依据[23]。从图6可看出，对于同一割缝钻孔，下煤层瓦斯有效抽采区域宽度大于上煤层；随着割缝高度增加，瓦斯压力降低区域范围(即有效抽采区域)逐渐增大；当割缝高度为0.1 m时，割缝区域对应的下煤层边界均处于有效抽采区域状态，而上煤层割缝区域对应的边界处部分煤体瓦斯压力高于初始瓦斯压力的49%（0.564 MPa），说明割缝高度为0.1 m时，上煤层边界处不能满足抽采要求；当割缝高度为0.2 m时，上下煤层瓦斯有效抽采区域范围增大，下煤层割缝区域对应的边界均处于有效抽采区域，但上煤层割缝区域对应的边界处部分煤体的瓦斯压力仍高于初始瓦斯压力的49%；当割缝高度为0.3，0.4 m时，上下煤层割缝区域对应的边界处瓦斯压力均低于初始瓦斯压力的49%。
根据上述分析可知，对下煤层来说，割缝高度为0.1 m时即可达到抽采要求，上煤层的割缝高度需达到0.3 m才能保证煤层边界处于有效抽采区域范围内。瓦斯抽采一方面要保证煤层的瓦斯抽采效果，另一方面要尽可能地减少工程量。上下煤层选择相同割缝高度时，上下煤层的割缝高度均需达到0.3 m，对下煤层来说相当于变相增加工程量，因此上下煤层选择不同的割缝高度，下煤层割缝高度为0.1 m，上煤层割缝高度为0.3 m。
3.3 多孔模拟结果分析
在瓦斯抽采过程中，钻孔布置间距是一个重要参数。根据上述研究结果建立多钻孔瓦斯抽采数值模型，如图7所示。
模拟方案：上煤层割缝高度为0.3 m，下煤层割缝高度为0.1 m，除钻孔数量变化外，其他参数均未改变，分别研究钻孔间距为6.0，7.5，9.0 m时的瓦斯抽采效果。
为便于分析，截取模拟结果剖面。为保证钻孔控制范围内的煤层均处于有效抽采区域，选取上下边界截面。不同钻孔间距下瓦斯压力分布如图8所示。
从图8可看出，同一钻孔间距下，上边界钻孔控制范围中心处瓦斯压力和高瓦斯压力区域均大于下边界；随着钻孔间距增大，上下边界钻孔控制范围中心处高瓦斯压力区域均增加。随着与钻孔距离增大，瓦斯压力呈非圆形扩散特性，钻孔之间的瓦斯压力降低区域增加，即瓦斯抽采钻孔在抽采过程中会相互影响。为了更加直观地观察不同钻孔间距下钻孔控制范围中心处瓦斯压力变化规律，在模型上边界中间布置1条测线，测线监测的瓦斯压力变化曲线如图9所示。
从图9可看出，从模型边界到模型中部再到模型边界，瓦斯压力呈“W”变化趋势，在钻孔控制范围内(即曲线2个低点之间)，瓦斯压力呈先升高再降低的变化规律。钻孔间距为6.0，7.5，9.0 m时，钻孔控制范围内煤层最大瓦斯压力分别为0.402，0.548，0.683 MPa。按照瓦斯压力下降51%作为有效抽采区域边界的确定依据，钻孔间距为9.0 m时不能使钻孔控制范围内的煤层达到抽采要求，钻孔间距为7.5 m时钻孔控制范围内的煤层能够达到抽采要求，由此可确定采用上煤层割缝高度0.3 m、下煤层割缝高度0.1 m的割缝方式时，钻孔间距可为7.5 m。
4. 瓦斯抽采方案及效果分析
4.1 抽采方案确定
按照上述研究结果，水力割缝钻孔采用上煤层割缝高度0.3 m、下煤层割缝高度0.1 m、钻孔间距7.5 m的方式布置钻孔，钻孔有效控制范围要达到巷道2边各15 m。现场共施工28组水力割缝钻孔，每组7个钻孔，如图10所示。
现场施工时，由于无法准确测定割缝半径，以出煤量为指标来判断割缝是否达标。按照割缝半径1.6 m计算，需出原煤3.22 m3。结合相关研究，煤体碎胀系数根据破碎后粒径不同可达1.2~1.8[24]。考虑煤体破碎后的体积膨胀和煤层厚度变化，为充分保障抽采效果，碎胀系数取1.4，将出煤量设计为4.5 m3。为了对比抽采效果，在水力割缝钻孔附近施工32组普通钻孔，钻孔间距为6.6 m，每组施工8个钻孔，如图11所示。
4.2 效果分析
普通钻孔和水力割缝钻孔现场统计各对比指标见表2。现场施工时，普通钻孔共施工钻孔长度为10 299 m，覆盖巷道范围长度为206 m；水力割缝钻孔共施工钻孔长度为7 220 m，覆盖巷道范围长度为202 m。与普通钻孔相比，每百米巷道水力割缝钻孔施工工程量减少28.51%。从瓦斯抽采纯量上看，从最后1个钻孔施工完成并网抽采开始统计，在整个预抽期内，普通钻孔抽采纯量为11.53 万m3，水力割缝钻孔抽采纯量为21.43 万m3，较普通钻孔提升85.86%。21218胶带巷掘进期间，普通钻孔抽采段掘进工作面平均瓦斯体积分数为0.06%，水力割缝钻孔抽采段掘进工作面平均瓦斯体积分数为0.01%，较普通钻孔段大幅下降，保障了巷道安全高效掘进。总体来看，无论是施工工程量、瓦斯抽采纯量还是掘进工作面平均瓦斯浓度，水力割缝钻孔均优于普通钻孔，大大提高了瓦斯抽采效果。
表 2 普通钻孔和水力割缝钻孔瓦斯抽采效果对比Table 2. Comparison of gas extraction effects between ordinary boreholes and hydraulic slotting boreholes指标 普通钻孔 水力割缝钻孔 覆盖巷道长度/m 206 202 工程量/m 10 299 7 220 抽采纯量/万m3 11.53 21.43 掘进工作面平均瓦斯体积分数/% 0.06 0.01 5. 结论
1） 从渗透率、煤体暴露面积、瓦斯流动通道3个方面对比分析了水力割缝钻孔强化瓦斯抽采机理，并建立了考虑孔隙率和渗透率变化的煤层瓦斯流动控制方程。
2） 利用数值模拟软件建立了含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采模型，通过分析不同割缝高度下瓦斯抽采效果，确定了上煤层割缝0.3 m、下煤层割缝0.1 m的施工参数；通过分析不同钻孔间距抽采效果，确定了钻孔布置间距为7.5 m。
3） 现场应用结果显示，与普通钻孔相比，水力割缝钻孔施工工程量减少28.51%，瓦斯抽采纯量提升85.86%，巷道掘进期间掘进工作面平均瓦斯体积分数由0.06%降至0.01%，应用效果良好，有效提高了瓦斯抽采效率。
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图 2 东庞矿21218工作面岩层柱状
Figure 2. Rock stratum histogram of 21218 working face in Dongpang Mine
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图 4 含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型
Figure 4. Numerical model for hydraulic slotting gas extraction in coal seams containing gangue
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图 6 单孔水力割缝钻孔不同割缝高度下瓦斯压力分布剖面
Figure 6. Section of gas pressure distribution at different slotting heights in single-hole hydraulic slotting boreholes
表 1 数值模型计算参数
Table 1 Calculation parameters of the numerical model
参数 数值 参数 数值 初始地应力/MPa 15.50 初始瓦斯压力/MPa 1.15 夹矸弹性模量/GPa 3.45 吸附常数a/（m3·kg−1） 24 夹矸泊松比 0.29 吸附常数b/MPa−1 1 夹矸黏聚力/MPa 4.63 煤的灰分/% 4.38 夹矸内摩擦角/（°） 27 煤的水分/% 1.85 夹矸密度/（kg·m−3） 2 530 瓦斯分子量/（g·mol−1） 16 煤层弹性模量/GPa 2.35 气体常数/（J·mol−1·K−1) 8.314 煤层泊松比 0.25 煤层温度/K 293 煤层黏聚力/MPa 2.97 初始渗透率/m2 1.14×10−8 煤层内摩擦角/（°） 28 瓦斯动力黏度/（Pa·s） 1.84×10−5 煤层密度/（kg·m−3） 1 430 初始孔隙率 0.06 
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表 2 普通钻孔和水力割缝钻孔瓦斯抽采效果对比
Table 2 Comparison of gas extraction effects between ordinary boreholes and hydraulic slotting boreholes
指标 普通钻孔 水力割缝钻孔 覆盖巷道长度/m 206 202 工程量/m 10 299 7 220 抽采纯量/万m3 11.53 21.43 掘进工作面平均瓦斯体积分数/% 0.06 0.01
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