图1 超高压水力割缝钻孔布置
Fig.1 Layout of super high pressure hydraulic slotting drill
随着煤炭资源的大规模开采，浅部资源大量枯竭，全国矿井开采深度平均以每年20～30 m的速度向下延伸，深部煤层低透气性是制约煤矿安全高效绿色开采的关键因素[1-2]。目前通过煤岩体结构改造来提高煤层透气性是重要的措施之一，主要有水力压裂[3-5]、水力冲孔[6-7]、CO2相变致裂[8-9]、松动爆破[10]等物理改造技术，CO2相变致裂存在成本高、工序复杂的特点，水力冲孔在一定程度上能增大钻孔的抽采半径，但由于水射流压力低，冲孔半径较小，其影响半径相对较小，特别是中硬煤层，效果更差，应用范围受到很大的限制；水力压裂卸压增透影响范围较大，但很难保证控制范围内实现煤体均匀卸压、增透而不留空白带，并且易诱发灾害。随着超高压水力割缝装备的不断完善，水力割缝增透技术可控性好、强度适中，是煤层改造增透的良好方法。
目前很多学者对水力割缝进行了大量研究，林柏泉等[11]采用数值模拟、相似试验和现场测试相结合的方法对切槽卸压特征进行了研究，刘厅等[12]对割缝预抽后煤体孔隙结构变化特征进行了研究。薛王龙[13]对掘进工作面水力割缝瓦斯抽采进行了研究，闫发志对基于弹性断裂力学和 Biot 经典渗流力学理论，采用数值模拟的方法，分析了割缝钻孔与压裂钻孔协同布置时不同条件下压裂裂缝扩展规律。文献[14]基于颗粒流基本原理，采用 PFC2D 软件建立数值模型，模拟了割缝钻孔周围裂纹在不同侧压系数λ下的扩展模式。文献[15]对500 mm×500 mm×500 mm特大煤样采用水力割缝提高瓦斯渗透率进行试验研究，结果表明：割缝能提高瓦斯排放量，相同埋深下，割缝后初期瓦斯排放速度急增，为钻孔的2.0～2.5倍，随埋深增加，水力割缝对提高煤层渗透率效果越明显[16]。
以上研究主要是通过缝槽周围应力变化特征定性说明煤层渗透率提高开展的研究，而对渗透率定量表征很少，因此笔者对其进行了研究。
兖矿贵州能化有限公司五轮山煤矿位于贵州省毕节地区纳雍县，井田含煤地层为二叠系上统龙潭组，含可采及局部可采煤层11层，即3、5-2、5-3、6-3、8、9、14、16、20、32、33号煤层。现首采煤层为8号煤层，煤层吸附能力强(吸附常数a=29.463 m3/t、b=1.642 Pa-1)，透气性差，煤层瓦斯压力高达3 MPa左右，原始瓦斯含量约21.2 m3/t，为高瓦斯突出煤层。该矿1809工作面倾向长度468 m，走向长度150 m，位于开拓大巷西北侧，东北侧与1811设计工作面毗邻，西南侧与1807工作面相邻，巷道条带区域采取的区域预抽措施为瓦斯高抽巷下向穿层钻孔预抽8号煤层瓦斯；回采工作面采取的区域措施为顺层钻孔超高压水力割缝预抽8号煤层瓦斯，钻孔设计长度80 m，中间压茬距离10 m，割缝钻孔间距4 m，割缝钻孔中间辅一普通钻孔，本次试验割缝钻孔13个，钻孔布置如图1所示。
图1 超高压水力割缝钻孔布置
Fig.1 Layout of super high pressure hydraulic slotting drill
超高压水力割缝卸压增透技术是将常压水经高低压转化器转化成压力可达100 MPa的高压水射流，高压水射流随前螺旋割缝钻杆旋转的过程中经喷嘴喷出切割煤体，形成扁平缝槽，缝槽半径可达2 m左右，①可以大幅增大煤层暴露面积，②可以提供煤体变形空间，如图2所示。处于承压状态下的含瓦斯煤体经超高压水射流切割以后，变形破裂、次生裂隙发育；③三向应力降低、孔裂隙张开贯通，渗透率提高。渗透率的提高大幅降低割缝钻孔缝槽周围煤体瓦斯的运动阻力，煤体瓦斯解吸又可提高煤体的强度，能够实现强化瓦斯抽采、快速消突的效果。
图2 超高压水力割缝瓦斯运移模型
Fig.2 Model of gas transport through super high pressure hydraulic slotting
煤层瓦斯在密度梯度、压力梯度的作用下，其运移一般经历解吸、扩散、渗流3个过程，其中瓦斯渗流在整个过程中起主导作用。在工程应用上，钻孔瓦斯抽采煤体，其瓦斯运移可视为单一的渗流过程，服从达西定律。因此超高压水力割缝钻孔瓦斯抽采量可表示为
(1)
式中：A1为煤层暴露面积，m2；q为钻孔瓦斯渗流速度，m/s；n为钻孔割缝刀数；h为缝槽宽度；L为钻孔长度，
为钻孔径向、缝槽切面、缝槽径向瓦斯渗流压力梯度，MPa/m；K1、K2、K3为钻孔径向、缝槽切面、缝槽径向煤层渗透系数,m/d；r1、r2为钻孔、缝槽半径，m。
通过对上式分析发现，提高钻孔瓦斯抽采量关键因素是如何增大孔壁煤层暴露面积和单位时间、单位面积瓦斯渗流量。超高压水力割缝可以显著增大煤层暴露面积，提高煤体渗透率，因此运用超高压水力割缝技术进行煤体卸压增透是一种良好的瓦斯治理方式[17]。
超高压水力割缝形成的缝槽为外宽内窄不规则的形状，为简化缝槽宽度计算，将缝槽视为规则圆柱体，用单刀出煤量反演等效缝槽宽度计算公式为
h=4m/(πd2ρ)
(2)
式中：m为超高压水力割缝单刀出渣量，取0.36 t；d为割缝缝槽直径，取2.0 m；ρ为五轮山煤矿8号煤层密度，取1.51 t/m3；k为煤量损失不均衡系数，取0.80～0.95，根据五轮山煤矿的返水返渣情况，此处按0.85取值(100 m顺层长钻孔角度2°，实际终孔为俯角钻孔，钻孔深部切割煤渣经过钻杆长距离研磨，到孔口成粉末状)。
经计算，超高压水力割缝缝槽宽度为10 cm左右，为数值模拟缝槽宽度的确定提供了依据。
为了探究超高压水力割缝周围煤体变形破坏及应力重新分布特征，以贵州五轮山煤业有限公司1809回采工作面为工程背景，采用FLAC3D数值模拟软件对水力割缝钻孔围岩应力分布特征、塑性破坏特征进行数值模拟研究。依据其地质条件，分别建立缝槽间距为2、3、4 m，缝槽直径2 m，宽度0.1 m，钻孔直径0.1 m，模型尺寸为：12 m×8 m×8 m、14 m×8 m×8 m、16 m×8 m×8 m(长×宽×高)的简化模型，割缝模型顶部采用均布载荷，水平X、Y方向及竖直Z方向应力分别为8、12、11 MPa。求解选用Mohr-Coulumb力学模型，1809工作面顶底板煤岩层物理力学参数见表1。
1)不同缝槽间距条件下的塑性破坏特征。超高压水力割缝力学模型初始应力场平衡以后，施工割缝钻孔，其后按照设计缝槽间距、宽度对煤体进行切割，力学模型重新平衡以后塑性破坏特征如图3所示。
通过图3可以看出，超高压水力割缝以后塑性区主要发生在缝槽间煤体，基本不向外侧延伸。当缝槽间距较小时(2 m)，割缝引起的塑性破坏区相互贯通，会增大割缝期间埋钻风险且割缝以后易塌孔；随着缝槽间距的增加(3 m)，缝槽间塑性破坏区范围减小，塑性破坏区沿Y方向破坏宽度为0.9 m，弹性核区逐渐增大，降低钻孔塌孔程度；缝槽间距继续增大(4 m)，塑性破坏区范围基本不变，弹性区渐渐增大，中间煤体无法受到卸压缝槽的影响。
表1 1809工作面顶底板煤岩层物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of roof andfloor coal and rock strata in No.1809 working face
岩性密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)石灰岩2 70018.309.803.5415.2133煤1 4404.722.891.535.6026泥岩2 4006.723.561.622.8728
图3 不同缝槽间距条件下的塑性破坏特征
Fig.3 Plastic failure characteristics under different slot spacing conditions
2)不同缝槽间距条件下的应力重新分布特征。为便于分析割缝以后缝槽周围煤体三向应力变化，沿Y方向作直线AB为煤体三向应力观测线，与钻孔间距0.5 m，如图2所示。数值模拟完成以后提取煤体三向应力数据，经整理分析，缝槽间距2、3、4 m时煤体向应力变化曲线如图4所示，从图中可以看出，X方向水平应力不产生应力集中，Y方向水平应力出现卸压、Z方向垂直应力出现集中现象。当缝槽间距较小时(2 m)，由缝槽引起的垂直应力集中区域相互叠加，不利于钻孔周围煤体的稳定，塌孔概率增加影响抽采效果；随着缝槽间距的增加(3、4 m)，在缝槽间煤体中存在由缝槽各自形成的应力集中区，但应力峰值在不断减小，应力曲线由单峰曲线逐渐转变为双峰曲线，峰值中间煤体没有卸压。
基于多孔介质有效应力原理，对煤层进行三维条件下应力、孔隙压力与煤层渗透率试验研究，得到三维情况下的体积应力、孔隙压力与渗透率的关系式[18]为
K=aexp(-bΘ+cp)
(3)
Θ=σX+σY+σZ
(4)
其中：K为渗透率，10-3μm2；Θ为体积应力；σX、σY、σZ为X、Y、Z方向的垂直应力，MPa；p为平均孔隙压力，MPa；a为渗透率初始值，0.97×10-3μm2；b、c为拟合常数，通过对五轮山煤矿8号煤层体积应力、孔隙压力和渗透率的试验拟合得出，b 取值0.161，c取值0.043。
将图4中煤体三向应力代入到式(3)中，可以得到水力割缝后，缝槽间距为2、3、4 m三种情况下缝槽周围煤体的渗透率变化曲线，如图5所示。
通过图5可以看出，沿Y方向与缝槽间距0.75 m范围内渗透率在0.1×10-3μm2以上，渗透率相比提高了5～14倍，其余煤体渗透率变化不大，因此综合考虑超高压水力割缝缝槽间距3 m比较合理。
图4 不同缝槽间距条件下煤体三向应力分布曲线
Fig.4 Stress distribution curves under different slot spacing conditions
图5 不同缝槽间距条件下煤体渗透率分布曲线
Fig.5 Permeability distribution curves of coal under different slot spacing conditions
1809工作面区域预抽钻孔于2018年5月16日开始采用GF-100型超高压水力割缝设备进行水力割缝，装置如图6所示。
割缝压力90～95 MPa，缝槽间距3 m，每刀割缝时间8～10 min，21 d后竣工，其后对割缝后瓦斯抽采流量和瓦斯浓度进行监测和现场测定，本次试验汇流支管瓦斯纯量和瓦斯浓度如图7所示。由图7可以看出，瓦斯抽采纯量在0.7～1.1 m3/min，与相同间距条件下的传统普通钻孔相比，提高了2～4倍，瓦斯体积分数在50%以上，也有较大幅度提升。
图6 GF-100型超高压水力割缝设备
Fig.6 GF-100 super high pressure hydraulic seam cutting equipment
图7 1809工作面水力割缝试验钻孔瓦斯抽采结果
Fig.7 Gas drainage result of hydraulic seam cutting test borehole in No.1809 working face
1)超高压水力割缝能够增大煤层暴露面积，转移煤体应力，提高渗透率，在管路高负压作用下预抽，可大幅提高单孔瓦斯抽采流量。
2)通过FLAC3D数值模拟的方法分析了缝槽间距2、3、4 m条件下缝槽周围煤体塑性破坏范围、三向应力重新分布特征；基于含瓦斯煤体渗透率与煤体三向应力、孔隙压力之间的关系，演化了缝槽间距2、3、4 m条件下周围渗透率变化特征，综合确定合理割缝间距为3 m。
3)现场实践表明：超高压水力割缝增大了煤体扰动体积，瓦斯流量和浓度明显提升，支管瓦斯抽采纯量在0.7～1.1 m3/min内波动，瓦斯体积分数达到50%以上。
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