基于應(yīng)力監(jiān)測的水力沖孔有效半徑測定方法研究*

程子華

（1.河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

1 引言

我國部分煤礦具有高瓦斯、低滲透性等特點，導(dǎo)致煤層瓦斯抽采效率低、抽采周期長等問題，嚴重影響煤礦的安全生產(chǎn)［1-3］。因此通過多種技術(shù)方法使得煤層增透，提高瓦斯抽采率，其中水力沖孔是有效的煤層增透技術(shù)措施。

水力沖孔是利用高壓水射流將鉆孔圍巖破壞，圍巖產(chǎn)生裂隙、縫隙提高煤層的滲透率，并且可使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)變成游離瓦斯，游離瓦斯通過裂隙、裂縫排除。通過以上兩方將提高煤層瓦斯抽采效率［4-7］。

而監(jiān)測水力沖孔有效半徑，能檢驗煤層增透效果。目前學(xué)者對有水力沖孔效半徑進行了研究。楊帥［8］等建立基于Klinkenberg效應(yīng)的瓦斯運移氣固耦合模型，并利用該模型進行模擬不同出煤量條件下水力沖孔的有效半徑；華明國［5］等針對傾斜煤層水力沖孔有效半徑進行研究，模擬發(fā)現(xiàn)沿煤層傾向方向水力沖孔有效影響半徑存在差異，由于煤層傾角較大沖孔影響范圍呈橢圓形分布，對沿煤層傾向位于沖孔上部的煤層影響效果比位于沖孔下部大 ；郝從猛［9］等利用 COMSOL Multiphysics模擬造穴后瓦斯抽采有效半徑，計算合適的布孔間距，并在現(xiàn)場實踐驗證了合理性；陶云奇［10］等通過水力沖孔物理模擬系統(tǒng)研究水力沖孔卸壓增透機理以及瓦斯運移規(guī)律；夏善奎［11］等對視電阻率法進行反演水力沖孔有效半徑的原理進行解釋，并在現(xiàn)場驗證了該方法的有效性；王峰［12］等采用煤層瓦斯含量法進行現(xiàn)場實驗研究水力沖孔有效半徑與沖煤量、抽采期的關(guān)系，并根據(jù)研究總結(jié)出中馬村礦最佳水力沖煤量和抽采期。

有效半徑的研究多為模擬及現(xiàn)場實驗，并且現(xiàn)場實驗中測量水力沖孔有效半徑一般采用煤層瓦斯壓力法和煤層瓦斯含量法［13-14］，鮮有采用監(jiān)測應(yīng)力變化進行測量有效半徑。薛湖煤礦煤層瓦斯含量高、透氣性低，采用順層水力造穴技術(shù)進行消突，并采用自主研制應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)對水力造穴周圍煤體應(yīng)力變化進行監(jiān)測，以此測量造穴有效半徑。研究結(jié)果對確定水力沖孔有效半徑具有一定指導(dǎo)意義，對于其它類似工作面或礦井的瓦斯治理及突出防治也具有參考價值。

2 工作面概況

河南神火集團有限公司薛湖煤礦位于河南省永城市北部，井田地質(zhì)儲量2.021億t，可采儲量8674萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力120萬t/年，服務(wù)年限51.6年。其主采煤層為二2煤層，該煤層經(jīng)突出危險性鑒定為突出煤層。

25采區(qū)位于薛湖井田東部，走向長度約3070m，傾斜長度約950m，開采標高-760~-600m。25采區(qū)所在的二2煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖或細粒砂巖，直接底板為細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖。采區(qū)內(nèi)煤層厚度為2.4~3.3m，平均厚約2.5m。煤層傾角一般在5~11°，平均9°。煤層平均瓦斯壓力為0.99MPa，平均瓦斯含量為8.11m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.0861m2/（MPa2.d），百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為1.38d-1，煤層硬度較大，煤層堅固性系數(shù)為0.22~0.4059。

項目試驗研究地點為25采區(qū)25040工作面機巷K2區(qū)域，25040工作面位置如圖1所示。

圖1 25040工作面位置示意圖

3 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)簡介及現(xiàn)場測點布置

3.1 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)包括應(yīng)力傳感器（含應(yīng)力感應(yīng)器、高壓油管、三通閥和監(jiān)測儀）、安裝桿、手動注油泵和手持數(shù)據(jù)采集儀等部件，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

應(yīng)力傳感器（圖2中1所示）為應(yīng)力監(jiān)測裝置的主要部件，通過應(yīng)力感應(yīng)彈片（圖2中6所示）將煤巖所受應(yīng)力轉(zhuǎn)換為油壓，彈片可以外探或內(nèi)收；手動注油泵（圖2中9所示）將油液經(jīng)過三通閥（圖2中3所示）、高壓油管（圖2中2所示）給應(yīng)力感應(yīng)器施加油壓；監(jiān)測儀（圖2中5所示）采集、顯示并記錄油壓值。各部件的實物如圖3所示。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測裝置實物圖

3.2 現(xiàn)場測點布置

水力沖孔施工前，進行應(yīng)力計的安裝工作。在25040機巷中布置一組應(yīng)力監(jiān)測孔，用于監(jiān)測水力沖孔周圍煤體的應(yīng)力變化。水力沖孔與監(jiān)測孔的位置關(guān)系如圖4所示，圖中A孔為水力沖孔，1、2、3、4號孔為應(yīng)力監(jiān)測孔。水力沖孔和應(yīng)力監(jiān)測孔的參數(shù)如表1所示。

圖4 測點布置圖

表1 水力沖孔和應(yīng)力監(jiān)測孔鉆孔參數(shù)

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)

應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，各孔初始應(yīng)力數(shù)值見表2。

表2 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)初始應(yīng)力數(shù)值

由于2#孔儀器出現(xiàn)漏油，導(dǎo)致2#孔無數(shù)據(jù)。由表2可知，有效孔的平均初始應(yīng)力值為19.23MPa，其中1#鉆孔初始應(yīng)力值最大，為20.28MPa，應(yīng)力值最小為3#鉆孔的18.33MPa。由于測點距工作面較遠，且測點附近未受到其他作業(yè)活動的影響，因此所測得的應(yīng)力值接近原巖應(yīng)力值。由測得數(shù)據(jù)可知25040機巷煤層原巖應(yīng)力值較大，應(yīng)力值約為19MPa。結(jié)合25040工作面開采深度以及現(xiàn)場鉆孔施工過程中出現(xiàn)吸鉆、卡鉆現(xiàn)象，表明應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)測量的準確性，可準確反映出鉆孔周圍應(yīng)力變化特征。

4.2 水力沖孔周圍煤層應(yīng)力演化規(guī)律

（1）水力沖孔過程應(yīng)力演化。水力沖孔期間，三個有效監(jiān)測點中僅有離沖孔最近的1#應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)值發(fā)生較大變化，距沖孔較遠距離的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)值無明顯變化。水力沖孔過程中，1#應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化如圖5所示。

圖5 水力沖孔期間1#傳感器應(yīng)力變化值

在水力沖孔期間，距離孔穴較近的1#監(jiān)測孔應(yīng)力數(shù)值先保持穩(wěn)定后小幅上升最后下降，但變化幅度不大。此時處在水力沖孔前期，高壓水尚未充分進入鉆孔周圍煤體，導(dǎo)致煤體破壞范圍未達到1#孔附近，并且煤體遭到破壞后原巖應(yīng)力場調(diào)整需要時間，故監(jiān)測應(yīng)力數(shù)值保持穩(wěn)定；隨著水力沖孔作用的進行，鉆孔周圍煤體受高壓水射流的影響產(chǎn)生破裂，并在鉆孔周圍緩慢形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，并且三區(qū)的位置隨沖孔作用的進行不斷向外遷移。在此過程中1#測點在一定時間內(nèi)將處于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，因此1#測點的應(yīng)力會出現(xiàn)短暫而輕微的上升；隨著水力沖孔作業(yè)的進行，高壓水射流將鉆孔周圍煤體破壞，產(chǎn)生裂隙、裂縫，改變煤體的結(jié)構(gòu)，使原巖應(yīng)力場發(fā)生改變，并且引起應(yīng)力集中區(qū)遷移，此過程中1#測點所在位置由應(yīng)力集中區(qū)過度至應(yīng)力卸壓區(qū)，故1#測點應(yīng)力值不斷下降。

（2）水力沖孔后煤層應(yīng)力變化規(guī)律。水力沖孔完成后，1#、3#和4#應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)力變化如圖6所示。當水力沖孔施工完成后，水力沖孔導(dǎo)致鉆孔周圍煤層應(yīng)力場重新分布，由近及遠形成應(yīng)力三區(qū)，而1#孔距水力沖孔較近處于卸壓區(qū)內(nèi)，故應(yīng)力值急劇下降，第9天后，1#測點圍巖應(yīng)力調(diào)整完成，此后應(yīng)力值保持平穩(wěn)。

圖6 水力沖孔后應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化

當水力沖孔完成后第7天時，3#測孔開始出現(xiàn)應(yīng)力升高現(xiàn)象，當應(yīng)力峰值升高至22.5MPa后，應(yīng)力值開始出現(xiàn)跌落，這一現(xiàn)象是由于水力沖孔導(dǎo)致的煤體應(yīng)力場變化，應(yīng)力三區(qū)向外遷移的結(jié)果。

4#監(jiān)測孔在第15天出現(xiàn)應(yīng)力攀升，表明此時的應(yīng)力集中區(qū)遷移至4#監(jiān)測孔位置。

表3 水力沖孔前后監(jiān)測孔應(yīng)力值

水力沖孔完成后，隨時間推移應(yīng)力場逐漸穩(wěn)定，1#測點穩(wěn)定應(yīng)力值為6.08MPa，3#測點穩(wěn)定應(yīng)力值為13.18MPa，4#測點應(yīng)力值持續(xù)上升，并最終穩(wěn)定在26.31MPa左右。1#、3#孔應(yīng)力值相比于水力沖孔前的三個監(jiān)測點所測得煤層原始應(yīng)力值出現(xiàn)下降，應(yīng)力值分別跌落70%和28%，而4#孔應(yīng)力值相比于水力沖孔前應(yīng)力值升高38.4%。根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，水力沖孔施工后，鉆孔周圍煤體應(yīng)力三區(qū)呈現(xiàn)逐漸向深部轉(zhuǎn)移的趨勢。通過對煤體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，水力沖孔有效半徑約為2.4m。

4.3 單孔線造穴瓦斯含量考察

在25040機巷單孔線造穴試驗完成后，為驗證采用應(yīng)力監(jiān)測法推算出的有效半徑的可靠性，在該區(qū)域進行殘余瓦斯含量和瓦斯壓力測定，取樣鉆孔位置如圖7所示，在3個測點考察煤層原始瓦斯含量和瓦斯壓力，所測數(shù)據(jù)如表4所示。

圖7 取樣鉆孔布置圖

表4 水力沖孔A孔造穴前后瓦斯含量和瓦斯壓力對比

圖8 水力沖孔前后瓦斯參數(shù)對比

由上可知25040工作面機巷線煤層原始瓦斯含量為7.6m3/t，計算煤層瓦斯壓力為0.49MPa。在進行水力沖孔并瓦斯抽采30 d后，對煤層殘余瓦斯含量和瓦斯壓力進行測定。距A孔1.2m處的測量點a的殘余瓦斯含量為3.1m3/t，計算瓦斯壓力為0.16MPa，此時相比于水力沖孔前瓦斯含量降低59%，瓦斯壓力下降了67%。距A孔2m處的測量點b的殘余瓦斯含量為5.4m3/t，計算瓦斯壓力為0.31MPa，相比于水力沖孔前瓦斯含量下降和瓦斯壓力值分別下降29%、37%。而距離A孔2.8m處的取樣鉆孔c的殘余瓦斯含量和瓦斯壓力相比于水力沖孔前無變化。

水力沖孔鉆孔抽采30 d后a、b兩考察孔的瓦斯含量和瓦斯壓力出現(xiàn)明顯下降。而距離A孔2.8m處的測量點c的殘余瓦斯含量和瓦斯壓力沒有明顯下降。經(jīng)殘余瓦斯含量法及瓦斯壓力法測定，25040機巷水力沖孔的卸壓增透有效半徑約為2.4m。此數(shù)值與采用應(yīng)力監(jiān)測法測得有效半徑相同，故應(yīng)力監(jiān)測法測得有效半徑值準確。

5 結(jié)論

本文采用應(yīng)力監(jiān)測方法對水力沖孔有效半徑進行測量，分析水力沖孔周圍煤體應(yīng)力變化特征，確定了順層水力沖孔有效影響半徑。得到了以下結(jié)論：

（1）水力沖孔期間，鉆孔周圍煤體應(yīng)力場發(fā)生改變，形成應(yīng)力三區(qū)，距離鉆孔較近的煤體處于應(yīng)力集中區(qū)，故應(yīng)力值增長，較遠處煤體處于原巖應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力值無變化。

（2）水力沖孔完成之后，原巖應(yīng)力場調(diào)整完成，在水力沖孔有效影響范圍內(nèi)的煤體卸壓，應(yīng)力下降，而卸壓范圍以外的煤層應(yīng)力形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值升高。

（3）水力沖孔完成后，距離孔穴0.8m、2.4m處的煤體應(yīng)力值均下降，下降幅度分別為70%、28%，而3.2m處的應(yīng)力值則上升38.4%?？梢钥闯隹籽ǜ浇后w的應(yīng)力向遠處轉(zhuǎn)移，線造穴有效影響半徑約為2.4m。

（4）采用殘余瓦斯含量法及瓦斯壓力法所得水力沖孔有效半徑與應(yīng)力監(jiān)測法測得值一致，故用自主研發(fā)應(yīng)力監(jiān)測儀可準確測算有效半徑。