水力沖孔布孔參數(shù)對(duì)高瓦斯突出煤層卸壓效果的影響

段守德，楊 威，宋浩然

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南 平頂山 467012； 2.中國礦業(yè)大學(xué)安全學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

高瓦斯突出煤層具有低滲透、微孔隙、高吸附的特點(diǎn)[1]，常用的抽采技術(shù)措施效果不佳，施工難度大。水力沖孔、射流割縫等技術(shù)是煤層增透的有效技術(shù)[2]，部分學(xué)者分別運(yùn)用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、工程試驗(yàn)等方法開展研究，研究表明沖孔后煤體卸壓，提高了煤體滲透率，煤層中瓦斯被大量排出，強(qiáng)化了煤層瓦斯抽采，取得了較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果[3-9]。但沖孔后的鉆孔卸壓規(guī)模情況研究相比較少，因而本文采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法研究沖孔卸壓半徑，進(jìn)一步加強(qiáng)該技術(shù)的現(xiàn)場實(shí)用性。

1 高壓水力沖孔裝備

設(shè)備操作分為兩個(gè)連續(xù)的環(huán)節(jié)：首先通過鉆機(jī)施工順層或穿層鉆孔，其次通過水射流對(duì)煤體進(jìn)行切割作業(yè)。這里的鉆孔施工與普通的鉆孔施工基本一致，可根據(jù)需要選擇螺旋鉆桿或者圓形鉆桿。當(dāng)鉆進(jìn)到達(dá)預(yù)定位置后，停止鉆進(jìn)，啟動(dòng)高壓泵站，調(diào)試壓力，在關(guān)閉鉆頭供水出口的同時(shí)打開鉆頭側(cè)向噴嘴，啟動(dòng)鉆機(jī)退鉆，在退鉆時(shí)施行切割作業(yè)。通過對(duì)煤層進(jìn)行切割，來完成卸壓增透，從而加大單個(gè)鉆孔的影響范圍，在削減工程量的同時(shí)提升瓦斯抽放效率。高壓水力沖孔裝備的適用條件應(yīng)滿足：①軟煤煤體和硬度f<1.8的硬煤煤體；②穿層或順層抽采鉆孔；③瓦斯壓力大、含量高、抽采達(dá)標(biāo)困難的煤層。

在水射流沖孔作業(yè)過程中，高壓泵出來的高壓水流經(jīng)液壓控制平臺(tái)，分水器(水辮)，高壓密封鉆桿進(jìn)入鉆割一體化鉆頭端頭的噴嘴，最后在噴嘴出口處以極高的速度形成高壓水射流對(duì)煤體進(jìn)行切割作業(yè)，具體裝置工作水流路線見圖1。

圖1 裝置工作水流路線

為實(shí)現(xiàn)將機(jī)械鉆孔和水射流切割煤體相結(jié)合的主體功能，設(shè)備主要包括高壓乳化液泵站、水壓控制系統(tǒng)以及鉆機(jī)三大部分，三者之間以高壓管路相連。其高壓泵站由BRW80/35(原XRB2B(A)型)乳化液泵和XRXT系列乳化液箱構(gòu)成；鉆機(jī)系統(tǒng)包括鉆機(jī)、鉆頭和耐高壓鉆桿，這些是沖孔的核心裝備，目前中國礦業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、鐵福來公司等都可以生產(chǎn)相應(yīng)的配件。

2 鉆孔卸壓效果數(shù)值模擬

利用FLAC3D軟件，采用數(shù)值模擬方法，以平頂山八礦己15煤層為研究對(duì)象，對(duì)不同孔徑鉆孔在不同孔間距時(shí)的卸壓效果進(jìn)行研究。在出煤量、孔間距彼此變化的條件下，探究鉆孔周圍的應(yīng)力分布規(guī)律，以及不同的直徑穿層鉆孔的影響范圍和彼此間的相互影響，優(yōu)化穿層鉆孔位置的分布。

2.1 模型的建立

由于煤層內(nèi)穿層鉆孔施工后，其周圍煤體將會(huì)發(fā)生塑性變形，因此，采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行計(jì)算。所建立的模型原始應(yīng)力為30 MPa，模型的頂部設(shè)定為應(yīng)力邊界，并且在其上施加30 MPa的應(yīng)力，為了運(yùn)算的方便，對(duì)模型進(jìn)行了必要的理想化假設(shè)，假設(shè)條件：①整個(gè)模型的三向應(yīng)力相等；②模型底部的四個(gè)側(cè)面為滾支邊界，并且其節(jié)點(diǎn)可以在上面滑動(dòng)，不可離開邊界界面；③沖孔的整體形狀為正圓柱體。

建立的數(shù)值模型如圖2所示，從左至右共設(shè)置7個(gè)鉆孔，相鄰的鉆孔間距分別15 m、10 m、7.5 m、5 m、4 m、3 m，且其鉆孔距模型的邊界均為10 m，模型參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模型

表1 模型參數(shù)取值

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

根據(jù)建立的模型，分別對(duì)半徑0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.7 m的鉆孔卸壓效果進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)得出的模擬結(jié)果，導(dǎo)出各個(gè)鉆孔水平應(yīng)力，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力數(shù)據(jù)。并根據(jù)煤巖的密度，將鉆孔孔徑與每米出煤量進(jìn)行換算，得到每米煤孔在不同孔徑下的出煤量(圖3)。依據(jù)不同出煤量、不同間距條件下各向應(yīng)力分布規(guī)律，進(jìn)而繪制出每米煤孔在不同出煤量不同間距條件下應(yīng)力分布規(guī)律圖(圖4)和不同出煤量條件下鉆孔周圍最大應(yīng)力集中圖(圖5)。

從圖3和圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔直徑越大，即出煤量越多，鉆孔周圍的徑向應(yīng)力受相鄰鉆孔影響越大，徑向應(yīng)力降幅增大，卸壓效果越好。當(dāng)孔間距為3 m時(shí)，煤體的徑向應(yīng)力明顯降低，孔徑越大，徑向應(yīng)力降幅越大，孔徑半徑大于0.4 m時(shí)，徑向應(yīng)力為原始應(yīng)力的29%～58%。隨著間距的增加，鉆孔間煤體的徑向應(yīng)力降幅減少，當(dāng)孔間距為15 m時(shí)，最大徑向應(yīng)力為原始應(yīng)力的96%～99%。因此，不同的孔間距影響煤體的應(yīng)力分布，對(duì)于不同直徑的穿層鉆孔，必定存在著與之對(duì)應(yīng)的一個(gè)最大鉆孔間距，使得鉆孔間的煤體應(yīng)力均小于某一個(gè)臨界值。若煤體卸壓率達(dá)到10%，實(shí)現(xiàn)煤體有效卸壓，則不同孔徑鉆孔存在對(duì)應(yīng)合理鉆孔間距和出煤量，使得煤體有效卸壓。然而由切向應(yīng)力分布規(guī)律圖4(b)看出，沖孔之后周圍煤體徑向應(yīng)力卸載，切向應(yīng)力仍然會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，見圖5。

圖3 每米煤孔在不同孔徑下的出煤量

圖4 每米煤孔在不同出煤量不同間距條件下應(yīng)力分布規(guī)律

圖5 不同出煤量條件下鉆孔周圍最大應(yīng)力集中

由圖5可知，當(dāng)出煤量為0.04 t/m時(shí)，鉆孔半徑為0.1 m，應(yīng)力集中為最小，卸壓結(jié)果較差。上述結(jié)果表明鉆孔卸壓效果同出煤量的增大而增大，但當(dāng)水力沖孔半徑在0.3～0.5 m之后，孔徑繼續(xù)增大，卸壓效果增大趨勢不明顯，同時(shí)，鉆孔出煤量在0.37～1.0 t/m范圍內(nèi)時(shí)，鉆孔四周的應(yīng)力集中程度較輕。綜合兩方面因素，孔徑小，則卸壓效果不明顯，孔徑大則會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，因此煤孔的出煤量在0.37～1.0 t/m之間時(shí)效果較好。此外隨著出煤量增多，鉆孔孔徑增大，煤體蠕變至穩(wěn)定的時(shí)間越長，如果沖孔后周圍應(yīng)力為平衡，則會(huì)導(dǎo)致煤體硬度不均，掘進(jìn)工作面的支撐壓力會(huì)發(fā)生較劇烈的變化，反而會(huì)促進(jìn)了突出危險(xiǎn)性。

假設(shè)煤體卸壓率達(dá)到10%，就可以實(shí)現(xiàn)有效卸壓，則當(dāng)鉆孔間距、出煤量如下述對(duì)應(yīng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)充分卸壓，也為水力沖孔的鉆孔布置提供理論依據(jù)。

1) 孔間距5 m且孔直徑0.6 m(出煤量0.37 t/m)時(shí)，鉆孔之間的煤巖體可以全部實(shí)現(xiàn)卸壓10%以上。

2) 孔間距7.5 m且孔直徑0.8 m(出煤量0.65 t/m)時(shí)，鉆孔之間的煤巖體可以全部實(shí)現(xiàn)卸壓10%以上。

3) 孔間距10 m且孔直徑1 m(出煤量1 t/m)時(shí)，鉆孔之間的煤巖體可全部實(shí)現(xiàn)卸壓10%以上。

4) 孔間距超過15 m時(shí)，單純依靠水力沖孔很難實(shí)現(xiàn)卸壓10%以上。

3 沖孔半徑現(xiàn)場測試及分析

采取鉆孔瓦斯流量法對(duì)排放鉆孔和沖孔鉆孔的影響半徑進(jìn)行測定，探究沖孔鉆孔的卸壓效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

己15-22060采面位于八礦二水平己二采區(qū)下部西翼，采面傾斜長度為150 m，頂板為沙質(zhì)泥巖和沙巖，底板均為砂質(zhì)泥巖。己15-22060低抽巷設(shè)計(jì)890 m，用于掩護(hù)己15-22060進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)，底抽巷和進(jìn)風(fēng)巷水平距離25 m，垂直距離20 m。測試鉆孔從底抽巷上方開口進(jìn)入煤層，施工一組平行鉆孔，共11個(gè)，如圖6和圖7所示。

圖7中11號(hào)為水力沖孔鉆孔，在不同距離處設(shè)置抽采鉆孔1#～10#，為考察鉆孔。鉆孔施工順序?yàn)?，先施工直徑?5 mm的普通抽采鉆孔，在每一個(gè)考察鉆孔施工完成后立即封閉鉆孔全部巖石段。待封孔完畢后，施工中間的11號(hào)鉆孔：首先進(jìn)行普通抽采鉆孔影響半徑測試，當(dāng)打鉆穿過己16-17煤后停止鉆進(jìn)，連續(xù)觀測4次1#～10#考察孔的流量，每10 min測量一次，流量不變后，記錄測試數(shù)據(jù)；繼續(xù)施工并穿過己15煤之后，連續(xù)觀測5次1#～10#考察孔的流量，每10 min觀測一次，流量穩(wěn)定后停止觀測，記錄測試數(shù)據(jù)；進(jìn)行沖孔影響半徑測試，完成巖段擴(kuò)孔工作后，將沖孔用鉆頭送至己15煤見煤點(diǎn)，停鉆觀測4次1#～10#考察孔流量，每10 min觀測一次，流量穩(wěn)定后停止觀測；隨后進(jìn)行沖孔，沖孔直徑為89 mm，出煤量達(dá)3 t時(shí)，停止沖孔，觀測1#～10#考察孔的流量，每10 min觀測一次，觀測6次，流量穩(wěn)定后停止觀測，現(xiàn)場測試結(jié)束。

3.2 測試結(jié)果分析

依照測試的數(shù)據(jù)，繪制出全部過程當(dāng)中各測量鉆孔的瓦斯流量變化圖，見圖8。

圖6 鉆孔布置剖面

圖7 鉆孔布置軌跡示意圖

圖8 各測量鉆孔瓦斯流量變化圖

分析圖8可得如下結(jié)果。

1) 普通抽采鉆孔施工后，所有考察孔的瓦斯流量沒有顯著增加，表明普通孔施工之后擾動(dòng)半徑小于1 m；水力沖孔后，考察孔瓦斯的流量顯著升高，離沖孔鉆孔越遠(yuǎn)，瓦斯效果增幅越不顯著。

2) 水力沖孔出煤3 t以后，3#、4#、6#、7#、8#鉆孔流量順次提升65.0%、62.8%、49.6%、58.7%、52.2%(5號(hào)鉆孔穿孔)，流量均顯著增大，處在水力沖孔的有效影響范圍之內(nèi)，擾動(dòng)半徑大于4 m；1#、2#、9#、10#鉆孔的瓦斯流量沒有顯著增大，位于沖孔的影響范圍之外。

3) 水力沖孔出煤3 t之后卸壓擾動(dòng)半徑比普通孔大4倍以上。

從現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)可以看出，使用水力沖孔技術(shù)增大擾動(dòng)半徑，能有效地增加抽采瓦斯的效率，提高煤體卸壓的效果。實(shí)驗(yàn)得出的水力沖孔擾動(dòng)半徑為4 m，與上述鉆孔卸壓數(shù)值模擬中，孔間距5 m，孔徑半徑0.4 m的鉆孔，能使孔間煤體達(dá)到有效卸壓的結(jié)論相吻合。驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為優(yōu)化穿層鉆孔分布情況，提升煤體卸壓效果給出了可行的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1) 隨著鉆孔直徑的增大，孔四周的徑向應(yīng)力降幅增大，卸壓效果越好；鉆孔間距越大，孔四周的徑向應(yīng)力遭受的鉆孔影響減小，卸壓的效果稍有增大。

2) 對(duì)不同的鉆孔半徑，有相應(yīng)的有效鉆孔間距，因此鉆孔間的煤體應(yīng)力存在某一個(gè)臨界值。在此臨界值下，對(duì)不同出煤量的孔，通過合理控制鉆孔間距和出煤量，可以讓煤體得到有效卸壓。

3) 對(duì)比模擬與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，若使煤體達(dá)到良好的卸壓效果，煤孔的理論半徑在0.3～0.5 m范圍內(nèi)，即出煤量在0.37～1 t/m范圍內(nèi)，煤孔的理論孔間距在5 m左右。

4) 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試表明，水力沖孔后，鉆孔的擾動(dòng)半徑比沖孔之前增大了4倍以上，這與FLAC3D數(shù)值模擬的研究結(jié)果相互吻合，現(xiàn)場水力沖孔的卸壓效果良好，能有效地提高抽采瓦斯的效率。