基于ABAQUS的水力割缝数值模拟

收稿日期:2012－04－09
作者简介:饶培军(1987－)，男，河南平顶山人，中国矿业大学电力工程学院流体力学专业硕士研究生，现主要从事
高压水射流在煤矿安全中的应用研究。

基于ABAQUS 的水力割缝数值模拟研究
饶培军，李宝玉，毛凯昭
(中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州221008)
摘要:利用ABAQUS 软件建立水力割缝模型，模拟水力割缝后煤层内部的应力场、煤体位移、瓦斯渗流以及割缝周围瓦斯压力分布情况。

取距离掘进工作面5处的截面作为研究对象，处理模拟数据，得到在水平、垂直方向上与割缝中心不同距离处煤体应力、位移和孔隙压力的变化规律。

关键词:ABAQUS ;水力割缝;应力场;煤体位移;瓦斯渗流
中图分类号:TD712文献标识码:A 文章编号:1671－0959(2012)11-0109-03水射流割缝防突技术是利用高压水射流的切割和冲击能力，对渗透系数低、原始地应力大、瓦斯气体含量高的具有突出危险的煤层进行水力切割。

在预先打好的割缝钻孔内，利用高压水射流对钻孔两侧的煤体进行切割，由于高压水割缝对煤体的切割和冲击作用，将钻孔内两侧煤体切割出一定宽度的扁平缝槽，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成狭长的槽缝空间。

这一缝槽相当于在煤层内开采出一层极薄的保护层，达到层内煤体应力自我解放，为煤层内部的瓦斯流动和释放创造良好的条件，使煤体内瓦斯得到充分释放，应力集中带向内部转移，从而达到防突目的。

文中利用ABAQUS 有限元软件建立了三维模型，针对水力割缝后煤层内的瓦斯排放、煤体应力释放以及瓦斯流动场、煤体应力场的变化情况进行数值模拟和分析。

1水射流破煤岩机理
高压水射流冲击下煤岩破坏过程比较复杂。

尽管国内
外许多学者对高压水射流破煤岩机理进行了大量的研究，但是至今还有一些问题未能完全解决。

文中采用拉伸—水楔破煤岩理论。

当高压水射流冲击煤岩时，煤岩内的应力状态十分复杂。

除压应力外，还形成了较大的拉应力和剪应力。

文中把煤岩当作半空间弹性体，把水射流的冲击力当做是作用在半空间弹性体平面上的集中应力。

这样，在水射流的冲击作用下，煤岩内部的应力分布可视为半空间弹性体在集中载荷作用下的应力分布。

此时，在冲击区正下方的某一深度其剪应力达到极值，在冲击接触区边界附近形成拉应力。

一般情况下，煤岩抗拉强度比抗压强度小16 80倍，抗剪强度较抗压强度要小8 15倍，因此，虽然冲击产生的压应力不能对煤岩形成压破坏，但是形成的剪应力和拉应力都超过了煤岩的抗拉和抗剪极限强度，从而使煤岩发
生受拉或者剪切破坏，在煤岩中形成裂隙。

水射流进入到裂隙空间，在水楔作用下，裂隙尖端会产生拉应力集中，使裂隙迅速发展和扩大，导致煤岩的破碎。

2水力割缝数学模型
煤矿巷道开凿后，孔隙系统吸附状态瓦斯和游离状态
瓦斯同时分别以扩散和渗流方式向巷道流动，即同时满足孔隙系统扩散运动微分方程和裂隙系统渗流运动微分方程。

在孔隙系统中，一方面由于孔径小，孔隙系统流体的通过能力比裂隙系统要小得多;另一方面，在流动场中，向巷道扩散的路程比煤粒基质向裂隙中扩散的路程要长的多。

因此，可以忽略孔隙系统直接向巷道的扩散，仅考虑煤粒基质中吸附状态瓦斯向裂隙中的扩散，把扩散渗流认为是一个连续的串联过程。

孔隙裂隙煤层中的耦合运动是指含吸附影响的孔隙系统吸附状态瓦斯扩散、裂隙系统游离状态瓦斯渗流以及与固体煤层相互作用的运动，其耦合微分方程组由扩散微分方程、渗流微分方程和变形微分方程三部分组成。

为了方便数学处理，把煤层简化为刚体，不考虑吸附变形影响，即裂隙孔隙率和渗透率为常数，同时假设瓦斯在煤层内的运动是连续的扩散渗流过程。

3水力割缝分析模型3.1
模型选取
针对掘进工作面4300mm ˑ2200mm 的截面，选取正前
方20m ，即长ˑ宽ˑ高为20m ˑ15m ˑ10m 的三维模型为研究对象。

从截面中心水平割缝，形成高30mm ，宽1500mm 的规则槽缝，割缝深度10mm 。

本构模型采用Mohr －Coulomb 弹塑性模型，固体骨架采用四节点实体孔压单元CPE4PR 。

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为了便于问题分析，模型假定割缝阶段煤体的应力—应变关系符合弹性应力—应变关系，煤体骨架不可压缩;渗透系数为定值，且煤体渗透性为各向同性。

3.2初始和边界条件设定
取割缝完成时刻为模型数值计算初始时刻，忽略钻孔和割缝过程中瓦斯排放以及煤体变形的影响;忽略割缝时水对煤体的影响。

1)以割缝空间为研究对象，在割缝以前，割缝空间内被掏空的煤体受到五个方向的压应力，在割缝完成后，割缝空间的煤体被掏空，再以模型为研究对象，相当于在割缝内空间边界上原本承受的被掏空煤体给予的反作用力突然被卸载，根据有限元原理，选取的三维模型外边界可以视为距离割缝无限远处，忽略无限远处的煤体应力分布情况，可以认为在割缝完成的瞬间，模型煤体在割缝空间的边界上受到法向朝空间的同等大小的应力，即上下平面受到12MPa、其他三个平面受到4.8MPa的应力。

2)同理，在模型外边界上设置与瓦斯压力值相等的孔隙压力，而以割缝空间边界为流体出口边界。

由于将模型外边界视为无限远处，所以在外边界上设置约束。

具体参数见表1。

表1有限元模型参数表
参数名称及符号参数值
煤层深度H/m535
煤层厚度m/m 5.2
煤层孔隙率n/(m3·m－3)0.2
瓦斯动力粘度μ/(Pa·s) 1.08ˑ10－6
泊松比μ'0.3
渗透率k/m2 6.0ˑ10－6
内摩擦角φ/(ʎ)20
剪胀角Ψ/(ʎ)10
煤体内聚力c/MPa 1.72
初始应力σy/MPa12.0
有效应力σ'y/MPa10.8
剪切模量G/MPa0.97ˑ103
体积模量K/MPa 2.08ˑ103
弹性模量E/MPa 2.07ˑ10－3
瓦斯压力p/MPa 1.2
大气压力p n/MPa0.1
煤岩密度ρv/(kg·m－3) 1.5ˑ103
抗拉强度σt/MPa0.5
利用有效应力分析法，将煤体中的有效应力和孔隙瓦斯压力严格区分，并将煤体骨架变形和孔隙内瓦斯的渗透同步考虑。

4数值模拟结果
选取距离掘进工作面纵向深度为5m处的截面进行研究，图1至图4给出了横截面的煤体位移、瓦斯渗流和孔隙压力状况云图。

在缝槽正上、下方应力、位移和孔隙压力变化较大，而两帮变化较小。

由于水力切割使煤层内一部分煤体被掏空，在煤层内形成狭长的扁平缝槽，形成自由面，相当于在局部区域人为地制造出一条细长保护层，缝槽周围的煤体会在层内自我解放，向缝槽空间发生位移，应力得到释放而变小，随着与缝槽中心的远离，应力释放的效果逐渐减小，有效应力减小程度逐渐变小，位移量也随之逐渐变小。

同时，割缝使煤层内部应力得到有效释放，煤体骨架体积增大，孔隙裂隙空间扩大，从而使煤体渗透率大大提高，有利于煤层内瓦斯的排放，且割缝在煤体内形成的狭长空间，为进一步的卸压和瓦斯排放提供有利条件。

3在水平、垂直方向的瓦斯渗流速度矢量分布云图
煤体内瓦斯渗流速度在缝槽上、下方以及两侧的渗流现象十分明显，这一点从图3瓦斯渗流速度矢量图也可以
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煤炭工程2012年第11期
得到很好的体现。

这是因为煤体受到地应力表现在垂直方向压力较水平方向的侧压大。

所以，当割缝使应力得到释
放时，在缝槽上、下方煤体渗流速度要明显大于左右两侧。

图4割缝周边煤体孔隙压力等值线云图
由于孔隙压力是瓦斯压力作用于煤体而引起的，孔隙压力的变化情况实质上反应了瓦斯压力的变化状态。

瓦斯渗流的结果必然导致孔隙压力的降低，从图4可以看出，割缝后缝槽周围煤体的孔隙压力以缝槽为中心，依次呈梯度增加，最后在距离缝槽中心较远处与原始孔隙压力值持平。

缝槽周围煤体的孔隙压力变化较大，几乎影响到了整个截面。

分析可知，煤体应力和位移的改变对瓦斯的渗流状态有着直接的影响，应力释放的越充分，位移越大，瓦斯渗流效果越好，孔隙压力也相应越小。

这是因为割缝释放了煤层内煤体的部分原始应力，使煤体所受有效应力减小，煤体骨架发生膨胀变形，孔隙裂隙扩大，孔隙率增加，这样加速了煤层内瓦斯气体在煤体孔隙裂隙内的流动，有利于瓦斯排放，煤体所受孔隙压力变小即是瓦斯充分排放的结果。

5水力割缝技术的应用
5.1试验工作面的基本情况
14221工作面上巷位于新安矿14采区下山西翼，上邻14201工作面，下邻14241工作面均未掘进。

西部为14、16采区边界保护煤柱，东部为14采区下山保护煤柱，地面无建筑物和水体。

14221工作面地质构造简单，褶曲宽缓，沉积基底不平以及古河流冲刷是造成煤层厚度变化的主要原因，煤厚变化较大，顶底板起伏大，工作面与胶带下山相对应位置以下20m范围内揭露顶板正断层两条，断层附近伴随瓦斯异常。

全区可采煤厚在1.8 14.2m之间，平均厚度为5.2m，顶、底板均为砂质泥岩，煤层瓦斯压力为1.2MPa，绝对瓦斯涌出量1.5 2m3/min，煤层硬度系数f 为0.2。

5.2割缝钻孔布置
在4.3mˑ2.2m掘进工作截面的上下两排布置8个孔径大小为89mm的割缝钻孔，钻孔的终孔控制在巷道两帮轮廓线以外5m，工作面正前方9 12m范围，钻孔设计为上、下排孔，影响范围要分别控制到煤层的顶、底板位置，所有钻孔必须根据煤层的倾角合理布置。

5.3效果分析
钻屑瓦斯解吸指标值Δh2最大值由割缝前Δh2=214Pa 降到割缝后最大值150Pa，Δh2值下降达30%;钻孔瓦斯涌出初速度q m最大值由割缝前q m=20L/min降到割缝后4L/ min，q
m
值下降达80%，说明割缝能排放瓦斯，降低煤体瓦斯压力，具有很好的防突效果。

5.4现场煤体位移量测试
割缝完成后采用位移量测定仪在工作面前方煤体进行了3次位移量测试，实验表明:割缝应在坚固系数f不大于0.6的软分层中进行，煤的坚固系数越小，割缝的效果越好，测试结果如图5所示。

图5煤体位移量测试曲线图
6结论
1)割缝后，在缝槽正上、下方应力、位移和孔隙压力变化较大，而两帮变化较小。

煤体在垂直割缝平面方向上应力、位移和孔隙压力的变化量随距离割缝中心远近变化而变化。

距离中心越近，煤体应力和变形变化越大，卸压效果越明显。

瓦斯渗流速度越快，煤体所受孔隙压力越小，瓦斯排放越充分;距离缝槽中心越远，煤体所受应力和孔隙压力越接近煤层原始值。

2)缝槽上、下方以及两侧的渗流现象十分明显。

瓦斯的渗流作用导致煤层空隙压力的降低明显，这一点充分说明了割缝的卸压效果好、卸压范围广的优点。

参考文献:
［1］于不凡，王佑安．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［M］．北京:煤炭工业出版社，2000．
［2］郭莹．土力学［M］．辽宁:大连理工大学出版社，1994．［3］李忠华，张啸，尹亮亮．高压水射流煤层切槽卸压效果的数值模拟［J］．煤矿开采，2009，(8):16 17．
［4］陈淼，李宝玉．水力割缝防突技术在掘进工作面的应用［J］．中国煤炭，2010，(5):96 98．
［5］费康．ABAQUS在岩土工程中的应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2010．
［6］林柏泉，吕有厂，李宝玉，等．高压磨料射流割缝技术及其在防突工程中的应用［J］．煤炭学报，2007，(9):959
963．
［7］张其智，林柏泉，孟凡伟，等.高压水射流割缝对煤体扰动影响规律研究及应用［J］．煤炭科学技术，2011，(10):
49 52．
(责任编辑郭继圣)
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