人工增透裂隙的闭合对瓦斯抽放效率的影响

牛党明

（山西汾西矿业集团南关煤业， 山西 灵石 031300）

引言

高压水射流割缝抽放瓦斯技术效果明显，低渗高瓦斯煤层在经过高压水射流切割之后，煤体得到了大规模的暴露，煤层中的裂隙系统的到很大的扩展与再造，极大地提高了低渗高瓦斯煤层的渗透性[1-2]。由于高压水切割煤层之后，人工裂隙随着时间趋于闭合，所以，煤层瓦斯渗透率也随着时间而降低。那么，不同条件下人工裂隙的闭合特征会对瓦斯抽放效率造成什么样的影响呢？

1 不同尺寸人工裂隙的闭合特征对瓦斯抽放效率的影响

人工裂隙的厚度和长度决定了人工裂隙的几何学特征。人工裂隙长度越大，周围的卸压区就越大，从而使煤层增透卸压区域更大，原则上讲，为了保证瓦斯抽放效果，人工裂隙的长度应该尽可能大一点。但是人工裂隙长度过大时，人工裂隙中部闭合量就会增大，反倒是人工裂隙长度较小时人工裂隙越不容易闭合。所以，在人工裂隙厚度一定时，为了兼顾卸压效果和降低人工裂隙闭合量，人工裂隙的长度不能太大也不能太小，应该在1.0～1.2 m之间取值为宜。

裂隙的长度越大，裂隙周围的煤层的卸压增透区就越大，这是提高瓦斯抽放效率的一个有利条件。但是，数值模拟的结果显示，人工裂隙的长度越大，人工裂隙的闭合速度就越快，这一点可以也可以在Giwelli[2]的实验中得到印证，并且这个现象在软煤层中显得尤为突出。从模拟的结果我们还可以得出，人工裂隙不同时，瓦斯抽放效果肯定不同，因此，合理的确定人工裂隙长度对于提高瓦斯抽放效率来说尤为重要。

模拟结果显示，人工裂隙的厚度越大，人工裂隙的最终的闭合程度就越小，从而煤层的渗透性就越大，瓦斯抽放效率就越高。模拟结果同样可以解释为什么在高压水射流切割之后，瓦斯抽放的高效率只能保持较短的时间，因为，人工裂隙的厚度会随着时间的增加而趋于闭合，这是由于在地应力的作用下，随着时间的增加，人工裂隙的厚度很难保持最初的切割厚度，这点在软煤层中表现的尤为突出。

当人工裂隙厚度变化时，两个人工裂隙的法向应力图形状差不多，钻孔周围的法向应力最小，然后越往外围法向应力越大，而且都是压应力。由于人工裂隙的厚度变化范围很小，所以人工裂隙厚度的变化对卸压区的影响并不是很大，而人工裂隙闭合量随厚度的增大而增大的趋势也比较平缓。总之，为了使人工裂隙不至于闭合，人工裂隙的厚度应该是越大越好，这样既有利于增大煤层卸压面积，又使人工裂隙不易于闭合，保障了瓦斯流通。

因此，在高压水射流切割的过程中，切割产生的人工裂隙的厚度应该越大越好，因为这样可以延长高瓦斯抽放率的时间。

2 不同人工裂隙间距的闭合特征对瓦斯抽放的影响

人工裂隙布置的密度对于整个高压水射流割缝抽放瓦斯系统瓦斯抽放效率的高低有着重要影响，人工裂隙密度微小的改动都会对瓦斯抽放结果产生重大影响[5]。

数值模拟结果显示，人工裂隙间距越大，人工裂隙随时间闭合越快，最终裂隙的闭合量就越大。通过观察可知，经高压水射流切割之后，在人工裂隙周围的煤层中会有一个卸压增透区，在卸压增透区中，原岩应力得到释放，因此该区域内的应力要小于原岩应力，由渗流力学原理可知，应力越大，煤层渗透性就越差，应力越小，煤层渗透性就越高。因此，人工裂隙的间距越小，或者说人工裂隙的密度越大，煤层中形成的卸压增透区就越多，瓦斯抽放效果就会越好。此外，人工裂隙间距越小，人工裂隙闭合速度越慢，闭合程度越小。当人工裂隙间距越小时，两个人工裂隙周围的卸压增透区重合的就越多。间距为0.3 m时，两人工裂隙之间的卸压增透区面积较大，那么垂直作用于人工裂隙面上的法向应力就比较小，而法向应力正是导致裂隙闭合的主导因素，所以裂隙间距为0.3 m时，人工裂隙闭合程度较小。当人工裂隙间距为1.0 m时，两个人工裂隙之间的法向应力比间距为0.3 m时已有所增大，人工裂隙周围的卸压增透区的应力也有所增大，所以人工裂隙间距为1.0 m时，人工裂隙闭合量较间距为0.3 m时有明显增大。而当人工裂隙间距为1.5 m时，两个人工裂隙周围的卸压增透区已经几乎没有重合了，并且人工裂隙周围的法向应力也比较大，故人工裂隙闭合。很明显的是，人工裂隙间距减小，人工裂隙闭合量和闭合速度就越小，瓦斯通过人工裂隙的阻力就越小。在实际的操作中，哪怕是人工裂隙间距有一个微小的改动，都会对瓦斯抽放效果造成很大影响。

为了保证切割后煤层中卸压增透区尽可能的多，同时人工裂隙的闭合速度和闭合量尽可能的低一点，从而使瓦斯抽放的效率高一点，人工裂隙的间距应该越小越好，即人工裂隙应该越密越好。但是人工裂隙越密，切割的成本就越高，因此人工裂隙也不能布置的太密[3]。

3 不同煤层埋深的闭合特征对瓦斯抽放的影响

图1是过钻孔中心的竖直剖面上的法向应力分布图，煤层埋深从200 m变化到1 000 m，两个人工裂隙周围的应力分布的形状比较类似。细致观察就会发现，两个人工裂隙中间，钻孔周围的深色区域面积在变小，并且颜色也是逐渐变浅的。深色区域是应力较小的区域，说明人工裂隙周围的垂直作用于人工裂隙面上的法向应力在不断增大。埋深为200 m的时候，作用于人工裂隙面上的法向应力大约为0.64 MPa，到了埋深为400 m的时候，法向应力增加到接近1 MPa，到埋深为800 m的时候，法向应力已经超过了1 MPa，到埋深为1 000 m的时候，人工裂隙周围的深色区域已经很小了，垂直作用于裂隙面上的法向应力大约为1.4 MPa到1.8 MPa，法向应力呈现随埋深的增大而增大的趋势，这也是人工裂隙闭合量随着煤层埋深不断增大的主要原因。

仔细观察我们还会发现，人工裂隙边缘部分出现了应力集中现象，不过应力集中的面积不大，这个区域的法向应力达到了3.4～3.8 MPa，是作用于人工裂隙面上的法向应力的5～6倍，是煤层中原岩应力的2倍左右。应力集中是导致煤层瓦斯渗透率降低的一个主要原因，因为应力集中可以导致裂隙的闭合，所以人工裂隙的边缘部分瓦斯渗透率较低。此外，煤层的渗透性会随着煤层有效应力的增大而减小[4-5]。因此，煤层埋深越大，瓦斯抽放效率就越低。

图1 不同煤层埋深时剖面法向应力云图

4 不同水平应力与竖直应力比的闭合特征对瓦斯抽放的影响

通过数值模拟结果我们可以知道，人工水平应力与竖直应力的比值越大，人工裂隙的闭合速度就越快。裂隙的闭合受到地层中水平应力与竖直应力比值的影响，并且煤层渗透率也会随着水平应力与竖直应力比值的增大而减小。研究表明，仅仅一个很小的应力比（λ=水平应力/竖直应力）加载到模型的边界上，整个模型的裂隙网络系统的渗透率就会受到很大影响。这正是因为法向水平应力的施加导致了裂隙的闭合。

人工裂隙周围的法向应力分布特点依然是两个人工裂隙中间部分，钻孔周围颜色较深，说明该区域法向应力较小，该区域法向应力值不到1 MPa，两个人工裂隙两头的法向应力略大，大约在1～1.4 MPa之间，越到外围颜色逐渐变浅，说明越到外围法向应力越大，到了最外层的原岩应力区，其法向应力值大约是两个人工裂隙中间区域法向应力值的数倍，可见，卸压增透效果最明显的区域还是人工裂隙和钻孔周围的区域。每个人工裂隙的边缘区域都有一个应力集中区域，该区域的法向应力值约是原岩应力区法向应力值的数倍。值得注意的一个现象是，随着应力比的不同，该应力集中区域的面积也不相同，当应力比为2.5和3.0时，该应力集中区域面积最大。由于应力集中区域裂隙受压，煤层瓦斯渗透性较差，所以为了保证瓦斯渗透性，应该避免人工裂隙周围应力集中现象的出现。

因此，当其他条件不变时，煤层瓦斯渗透率随着水平应力与竖直应力比值的增大而减小。

5 结论

1）人工裂隙厚度越大，煤层渗透性越高，瓦斯抽放效率越高。

2）人工裂隙长度越大，煤层卸压增透区越大，有利于提高瓦斯抽放效率。但人工裂隙长度越大，人工裂隙闭合越快，反而不利于瓦斯抽放。因此，人工裂隙长度不宜过大，也不宜太小。

3）人工裂隙的间距应尽可能小，这样煤层卸压增透区越大，有利于瓦斯抽放。

4）为保证瓦斯抽放效率，钻孔的布置最好沿着煤层倾向。

5）煤层埋深越大，煤层渗透率越低，瓦斯抽放效率越低。

6）水平应力与竖直应力的比值越大，瓦斯抽放效率越低。