急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕范圍演化規(guī)律研究

劉旭東，范酒源，王 剛,3，鞠 爽，馬祖杰

(1.國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制—省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

隨著煤礦開(kāi)采進(jìn)入深部區(qū)域，煤層的地應(yīng)力不斷升高，滲透性逐漸下降，致使動(dòng)力災(zāi)害時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了煤礦井下正常的采掘接替[1-4]。目前，水力化煤層增透技術(shù)是煤巖體結(jié)構(gòu)改造的有效技術(shù)，正向著集成化、多元化及智能化的方向發(fā)展[5]。隨著對(duì)煤層增透技術(shù)的不斷探索與創(chuàng)新，將高壓水力割縫與水力壓裂技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)人工水力割縫技術(shù)輔助致裂煤體使其增透的方法，因其具有致裂范圍大、增透效果顯著等優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛的推廣應(yīng)用[6]。我國(guó)煤層賦存與鉆孔布置具有復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，造成該技術(shù)被大范圍推廣應(yīng)用時(shí)仍需要突破許多技術(shù)瓶頸，尤其是現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用時(shí)鉆孔間距的合理布置問(wèn)題亟待解決。

目前，諸多學(xué)者通過(guò)鉆孔周圍煤體的濕潤(rùn)范圍確定鉆孔的布置間距。李志強(qiáng)等[7]通過(guò)研究計(jì)算了合理的注水壓力、注水時(shí)間、注水潤(rùn)濕范圍等動(dòng)態(tài)時(shí)空參數(shù)；李大廣等[8]構(gòu)建了不同注水壓力下的濕潤(rùn)半徑與時(shí)間的數(shù)學(xué)模型；梁寶霞等[9]通過(guò)研究推導(dǎo)出注水時(shí)間、濕潤(rùn)半徑、注水壓力與孔隙壓力的關(guān)系；陳小奎等[10]通過(guò)對(duì)注水鉆孔周圍煤體水含量的測(cè)量值計(jì)算出注水煤體的濕潤(rùn)范圍；李宗翔等[11]通過(guò)模擬在厚煤層中注水的過(guò)程，獲得了煤體注水的最小濕潤(rùn)范圍；李宗翔等[12]等利用數(shù)值模擬方法求解了煤層注水二維、三維非定常滲流方程，分析了鉆孔間距與濕潤(rùn)范圍的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系；李宗翔等[13]等利用數(shù)值模擬方法描述了不同注水壓力下煤體的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕過(guò)程，分析了單、雙孔布置及注水參數(shù)的變化關(guān)系，給出了合理注水參數(shù)的確定方法；肖國(guó)清等[14]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論模擬了煤層注水的濕潤(rùn)半徑；祖海軍[15]利用Fluent軟件模擬了煤層注水的濕潤(rùn)半徑，為確定最佳鉆孔間距提供了參考依據(jù)；黃新杰[16]利用Fluent軟件與Flac3D軟件模擬了煤層注水后的濕潤(rùn)范圍、濕潤(rùn)程度及濕潤(rùn)的分布狀態(tài)；劉令生等[17]運(yùn)用Fluent軟件，采用多孔介質(zhì)模型模擬了不同影響因素下煤層的濕潤(rùn)半徑；胡華磊[18]基于分形理論構(gòu)建了煤層注水平面平行流的分形模型及注水濕潤(rùn)半徑的計(jì)算關(guān)系式；張勁松[19]以注水孔為圓心，沿半徑方向施工若干不同距離的觀測(cè)孔測(cè)定其水分，現(xiàn)場(chǎng)確定了煤層注水的擴(kuò)散半徑。

相關(guān)學(xué)者對(duì)上述課題進(jìn)行了卓有成效的探索，并取得了豐碩的研究成果。但由于急傾斜特厚煤層地質(zhì)條件與開(kāi)采工藝的特殊性，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施水力割縫結(jié)合水力壓裂技術(shù)潤(rùn)濕煤體的鉆孔間距布置問(wèn)題異常復(fù)雜，且針對(duì)急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的潤(rùn)濕范圍演化規(guī)律的研究鮮有報(bào)道?；诖?，筆者在結(jié)合急傾斜特厚煤層特殊的地質(zhì)條件及開(kāi)采工藝的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，探究急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕范圍演化規(guī)律，以期為施工現(xiàn)場(chǎng)鉆孔間距的合理布置提供理論參考。

1 工程概況

烏東煤礦是新疆主要煤礦區(qū)礦井之一，其煤層屬于急傾斜特厚煤層(≥8 m)，煤層傾角為45°，平均總厚度為28.47 m。北區(qū)可開(kāi)采的45#煤層為瓦斯富集區(qū)且煤層的透氣性較差，瓦斯含量為6.26 m3/t，煤層初始透氣性系數(shù)為0.1 m2/(MPa2·d)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型

選用COMSOL數(shù)值仿真軟件模擬急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕范圍演化特征。在烏東煤礦北區(qū)+500 m水平45#煤層?xùn)|翼南巷內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)施工高壓水力“割—壓”鉆孔至上部+518 m水平。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工方案及煤層物理參數(shù)，建立與水平面成45°傾角的三維計(jì)算模型，模型的長(zhǎng)×寬×高為280 m×40 m×25 m，鉆孔物理模型如圖1所示。

圖1 急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔物理模型

鉆孔直徑為113 mm，長(zhǎng)度為55 m，開(kāi)孔位置距離煤層底板1.5 m，傾角為16°。通過(guò)每個(gè)鉆孔旋轉(zhuǎn)切割3個(gè)圓盤(pán)式縫槽，割縫半徑為2 m，割縫寬度為0.8 m。

2.2 數(shù)值模擬條件與邊界設(shè)定

模擬單孔、雙孔及六孔高壓水力“割—壓”鉆孔在注水壓力為20、30、40 MPa條件下，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)煤體的潤(rùn)濕范圍(半徑)演化規(guī)律。

邊界設(shè)定如下：

1)模型底部邊界水平、垂直位移為0 m；

2)模型左右邊界設(shè)置為輥支撐；

3)模型其余邊界為自由邊界；

4)割縫鉆孔所有邊界均設(shè)置為注水壓力值，模型上部邊界、左右邊界壓力設(shè)置均為0 MPa。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.3.1 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕演化規(guī)律分析

注水壓力為20、30、40 MPa，注水時(shí)間分別為6、12、18 h時(shí)，單孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的注水壓力分布云圖如圖2所示。

圖2 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體注水壓力分布云圖

由圖2可知，注水壓力以鉆孔為中心線沿徑向逐漸向外遞減，且變化梯度不斷減小，到達(dá)一定距離后，壓力降至臨界壓力以下，煤體將不再受注水影響。以水分增量達(dá)1%作為煤體是否被浸濕的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)圖2的數(shù)值模擬結(jié)果，獲得單孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤(rùn)半徑隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示。

圖3 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤(rùn)半徑隨時(shí)間的變化曲線

由圖3可知，單孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的濕潤(rùn)半徑隨注水壓力、注水時(shí)間的增加而增大。當(dāng)注水壓力每增加10 MPa，注水時(shí)間越長(zhǎng)，煤體的濕潤(rùn)半徑增加幅度越大；但當(dāng)注水時(shí)間相同時(shí)，注水壓力每增加10 MPa，煤體的注水濕潤(rùn)半徑增加幅度逐漸減小，其主要原因?yàn)楫?dāng)壓力增加到一定值后，鉆孔周圍煤體的滲透性幾乎不再發(fā)生變化，此時(shí)持續(xù)增加注水壓力對(duì)煤體滲流作用的影響正逐漸減弱。

2.3.2 雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕演化規(guī)律分析

注水壓力為20、30、40 MPa，注水時(shí)間分別為2、6、10 d時(shí)，雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的注水壓力分布云圖如圖4所示。依據(jù)圖4的數(shù)值模擬結(jié)果，獲得雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤(rùn)半徑隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

圖4 雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體注水壓力分布云圖

圖5 雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤(rùn)半徑隨時(shí)間的變化曲線

由圖5可知，在注水壓力20、30、40 MPa條件下，當(dāng)注水2 d時(shí)雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的濕潤(rùn)半徑分別為6.1、7.1、7.8 m，壓力每增加10 MPa，注水濕潤(rùn)半徑分別增加了1.0、0.7 m；同理，當(dāng)注水6 d時(shí)，壓力每增加10 MPa，注水濕潤(rùn)半徑分別增加了1.8、1.3 m；當(dāng)注水10 d時(shí)，壓力每增加 10 MPa，注水濕潤(rùn)半徑分別增加了2.1、1.5 m。在相同的注水時(shí)間下，注水濕潤(rùn)半徑隨注水壓力的增加而增大。在相同注水壓力下，注水濕潤(rùn)半徑隨注水時(shí)間的增加而增大，但兩者增加的幅度均逐漸減小，與單孔得出的結(jié)論一致。

2.3.3 六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕演化規(guī)律分析

注水壓力為20、30、40 MPa，注水時(shí)間分別為2、6、10 d時(shí)，六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的注水壓力分布云圖如圖6所示。

圖6 六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體注水壓力分布云圖

依據(jù)圖6的數(shù)值模擬結(jié)果，獲得六孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤(rùn)半徑隨時(shí)間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 六孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤(rùn)半徑隨時(shí)間的變化曲線

由圖7可知,六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的濕潤(rùn)半徑隨注水壓力、注水時(shí)間的增加而增大，但增加速率逐漸減小，其主要原因?yàn)殡S著注水時(shí)間的增加，煤體的飽和度及孔隙中的水分逐漸增加。當(dāng)注水16 d左右時(shí)，煤體濕潤(rùn)半徑幾乎不再發(fā)生變化，此時(shí)煤體趨近于飽和狀態(tài)。在注水壓力20、30、40 MPa 下，煤體飽和狀態(tài)的注水濕潤(rùn)半徑分別為11.6、13.8、15.3 m。

對(duì)比單孔、雙孔及六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕演化規(guī)律可知：當(dāng)六孔高壓水力“割—壓”鉆孔間距為 30 m 時(shí)，可以更全面地濕潤(rùn)煤體，達(dá)到預(yù)期的煤層注水潤(rùn)濕效果。

2.3.4 “割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕演化規(guī)律對(duì)比分析

為了更加明顯地反映出采用水力割縫技術(shù)輔助潤(rùn)濕煤體時(shí)的注水濕潤(rùn)效果，對(duì)單孔高壓水力“割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔在注水壓力為20 MPa，相同注水時(shí)間條件下鉆孔周圍煤體潤(rùn)濕演化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，其壓力分布云圖如圖8所示。依據(jù)圖8數(shù)值模擬結(jié)果，得到注水壓力20 MPa下，單孔高壓水力“割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔周圍煤體濕潤(rùn)半徑隨時(shí)間的變化曲線，如圖9 所示。

圖8 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔周圍煤體注水壓力分布云圖

圖9 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔周圍煤體濕潤(rùn)半徑對(duì)比曲線

由圖9可知,在相同注水壓力、注水時(shí)間條件下，高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的濕潤(rùn)范圍明顯比普通注水鉆孔大。當(dāng)注水時(shí)間分別為1、2、3 d時(shí)，“割—壓”鉆孔的濕潤(rùn)半徑比普通注水鉆孔的濕潤(rùn)半徑分別大0.8、0.8、0.6 m。結(jié)果表明：采用水力割縫技術(shù)輔助潤(rùn)濕煤體時(shí)，鉆孔周圍煤體的注水濕潤(rùn)范圍更大、注水效果更顯著。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)域煤體注水可注性分析

為判斷試驗(yàn)區(qū)域煤體的可注性，對(duì)采集的煤樣全水分、真密度、塊體密度、孔隙率、吸水性、堅(jiān)固性系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)定結(jié)果表明：試驗(yàn)區(qū)域煤的全水分Mt為3.2%、真密度ρ為1.35 g/cm3、塊體密度ρg為1.24 g/cm3、孔隙率q為8.15%、吸水性ωz為12.46%、堅(jiān)固性系數(shù)f為0.8。根據(jù)MT/T 1023—2006《煤層注水可注性鑒定方法》[20]中煤層注水可注性判定規(guī)則：當(dāng)煤樣同時(shí)滿足Mt≤4%，q≥4%，ωz≥1%，f≥0.4時(shí)，煤層為可注水煤層，否則為不可注水煤層。由此判定試驗(yàn)區(qū)域煤體為可注水煤層。

3.2 試驗(yàn)區(qū)域鉆孔布置與技術(shù)實(shí)施

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，在烏東煤礦北區(qū) +500 m 水平45#煤層?xùn)|翼南巷距離1#煤門(mén)向東40 m處，施工6個(gè)高壓水力“割—壓”鉆孔，其長(zhǎng)度為 55 m，間距為30 m，6#鉆孔距離1#煤門(mén)190 m。1#～6#鉆孔終孔位置均落在北區(qū)+518 m水平45#煤層?xùn)|翼，鉆孔參數(shù)與數(shù)值模擬物理模型參數(shù)保持一致。在烏東煤礦北區(qū)+500 m水平45#煤層?xùn)|翼南巷40～190 m內(nèi)進(jìn)行高壓水力“割—壓”技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，工藝流程為：施工鉆孔→高壓水力割縫→封孔→高壓注水。其中1#、2#鉆孔注水壓力為20 MPa；3#、4#鉆孔注水壓力為30 MPa；5#、6#鉆孔注水壓力為 40 MPa。注水時(shí)間均為16 d。鉆孔設(shè)計(jì)方案如圖10 所示。

圖10 高壓水力“割—壓”鉆孔設(shè)計(jì)方案

3.3 效果考察

以6#鉆孔為中心線，水分增加1%的界限為煤體的潤(rùn)濕范圍[21]。采用鉆孔法與直接觀察法相結(jié)合的手段進(jìn)行潤(rùn)濕范圍的測(cè)試工作。

1)首先按設(shè)計(jì)深度收集6#鉆孔的鉆屑，并測(cè)定鉆屑的原始水分。

2)然后按照設(shè)計(jì)要求對(duì)6#鉆孔進(jìn)行煤層高壓注水；待注水工作結(jié)束，按照設(shè)計(jì)方案依次施工測(cè)試鉆孔，同時(shí)收集鉆屑，鉆屑選取深度依次為10、15、25 m。

3)最后采用空氣干燥法測(cè)定樣品的全水分。

鉆孔注水潤(rùn)濕范圍測(cè)試方案如圖11所示。

圖11 高壓水力“割—壓”6#鉆孔注水潤(rùn)濕范圍測(cè)試方案

距離高壓水力“割—壓”6#鉆孔不同位置的測(cè)試孔，其煤樣全水分增量測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 高壓水力“割—壓”6#鉆孔周圍煤體全水分增量曲線

由圖12可知，以高壓水力“割—壓”6#鉆孔為中心線，在12 m以內(nèi)煤體全水分增量值在潤(rùn)濕臨界線以上，為有效潤(rùn)濕區(qū)域；在12～15 m內(nèi)，煤體全水分增量值在潤(rùn)濕臨界線上下波動(dòng)，為潤(rùn)濕—非潤(rùn)濕交錯(cuò)區(qū)，不同位置煤樣全水分增量值差異可能是由煤體自身非均質(zhì)造成的。由此可知，高壓水力“割—壓”6#鉆孔的注水濕潤(rùn)半徑為12～15 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。因此認(rèn)為在烏東煤礦+500 m水平45#煤層?xùn)|翼南巷實(shí)施高壓水力“割—壓”技術(shù)時(shí)，“割—壓”鉆孔的間距選擇30 m較為合適。

4 結(jié)論

1)急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體注水濕潤(rùn)范圍隨注水壓力、注水時(shí)間的增加而增大。當(dāng)注水壓力、注水時(shí)間達(dá)到一定范圍時(shí)，煤體的飽和度逐漸增加，濕潤(rùn)半徑增加的幅度逐漸減小。

2)注水16 d左右時(shí)，在注水壓力40 MPa下，模擬六孔高壓水力“割—壓”鉆孔飽和狀態(tài)的注水濕潤(rùn)半徑達(dá)15.3 m，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆孔的潤(rùn)濕—非潤(rùn)濕交錯(cuò)區(qū)范圍在12～15 m內(nèi)，數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果誤差較小，具有較高的準(zhǔn)確性。

3)在相同注水條件下，高壓水力“割—壓”鉆孔比普通高壓注水鉆孔的濕潤(rùn)范圍更大，可以明顯地提高煤體的注水效率。