密集水力沖孔增透抽采瓦斯試驗研究

張福旺，秦汝祥，楊應(yīng)迪

(1．平頂山天安煤業(yè)九礦有限責任公司，河南 平頂山 467000；2．安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

高瓦斯低透氣性突出煤層高效預抽瓦斯是煤礦生產(chǎn)面臨的難題之一，影響著礦井采掘接替平衡，更是礦井安全生產(chǎn)的桎梏。保護層開采條件下預抽被保護層瓦斯是最經(jīng)濟最有效的瓦斯治理措施。無保護層開采的地質(zhì)條件，開采層強化增透就成為了預抽煤層瓦斯的必然選擇，目前的煤層強化增透措施有煤層密集鉆孔、深孔預裂爆破、高壓空氣炮、CO2相變致裂和水力化措施等，其中，水力化措施[1-4]在易于發(fā)生煤與瓦斯突出的“三軟”煤層的瓦斯治理中效果較為顯著，得到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用。劉海等[4]提出煤層淹沒水射流擴孔方法，測試了鉆孔有效影響半徑。陳久福等[5]提出煤層群分層水力壓裂增透技術(shù)方法。馬海峰等[6]針對千米深井提出“水-砂-水”水力壓裂技術(shù)，提高了鉆孔抽采瓦斯的濃度和流量。楊正宇等[7]提出水力沖孔和水力壓裂一體化方法，實現(xiàn)了煤層卸壓增透目的，提高了鉆孔抽采瓦斯的濃度和純量，進而縮短煤層瓦斯抽采達標時間。于寶種[8]采用高壓射流造穴，發(fā)現(xiàn)水力壓裂增透區(qū)半徑隨鉆孔半徑的增大而線性增大。已有研究表明，水力化措施好壞的關(guān)鍵是利用水力在煤體中形成孔洞，水力沖孔正是在松軟煤體中形成孔洞的最佳的方法，孔洞的形成對鉆孔周圍煤體瓦斯的解吸與排放產(chǎn)生直接的影響。劉曉等[9]通過數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場實驗提出了水射流層狀卸壓增透抽采瓦斯技術(shù)，提高了鉆孔的瓦斯抽采半徑。高亞斌等[10]結(jié)合水力沖孔與水力割縫的技術(shù)優(yōu)勢,提出了穿層鉆孔“鉆-沖-割”的耦合卸壓技術(shù)，提高了卸壓鉆孔的影響范圍和卸壓程度。李冰等[11]通過利用壓汞、液氮、甲烷等溫吸附、傅里葉紅外光譜和拉曼光譜等測試分析手段對水力沖孔前后煤微觀孔隙和結(jié)構(gòu)成分進行了研究，得出水力沖孔會改善煤體內(nèi)部的孔隙通道，增加微觀孔隙的數(shù)量，改變煤體內(nèi)部官能團的相對含量。曹佐勇等[12]運用數(shù)值模擬對近距離煤層群水力沖孔鉆孔周圍的瓦斯壓力隨孔徑變化關(guān)系進行了研究，并根據(jù)質(zhì)量守恒得出了近距離突出煤層群的瓦斯抽采有效影響半徑的計算公式。王新新等[13]認為水力沖孔在煤體中重新構(gòu)件不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，沖孔后，在煤體孔洞周圍由近及遠依次形成瓦斯充分排放區(qū)、瓦斯排放區(qū)、瓦斯壓力過渡區(qū)和原始瓦斯壓力區(qū)。魏建平等[14]采用流量法和壓力法分別測試了“三軟”煤層中水力沖孔的有效半徑，發(fā)現(xiàn)隨著時間的延長，孔洞周圍煤體發(fā)生位移，孔洞消失。程小慶等[15]研究發(fā)現(xiàn)，水力沖孔增加鉆孔孔洞，隨著單孔沖出煤量的增加，鉆孔抽采瓦斯有效影響半徑相應(yīng)增加。唐建平等[16]發(fā)現(xiàn)單孔沖煤量一定時，瓦斯抽采有效半徑隨著沖孔水壓的增加而逐漸增大，但是當沖孔水壓增大到一定程度時，抽采有效半徑增加幅度隨著注水壓力增大而減小。陶云奇等[17]利用水力沖孔模擬試驗裝置研究發(fā)現(xiàn)，水力沖孔能快速降低鉆孔周圍煤體氣體壓力，并隨著距鉆孔距離的增大，影響效果逐漸降低，水力沖孔對煤體的增透效果會在抽采一段時間后才會顯現(xiàn)，由此提出了等效抽采半徑和有效抽采時間2個參數(shù)，評價水力沖孔增透效果。王凱等[18]采用壓力法和含量法研究水力沖孔的卸壓范圍時發(fā)現(xiàn)，沖孔后孔洞周圍存在卸壓區(qū)，在卸壓區(qū)以外存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，孔洞周圍煤體透氣性分布與主應(yīng)力變化趨勢一致。王恩元等[19]發(fā)現(xiàn)水力沖孔后，孔洞周圍煤體存在動態(tài)變形，使得卸壓區(qū)煤體透氣性增大，瓦斯流量增大。許彥鵬等[20]認為水力沖孔后，抽采孔周圍煤體變形過程緩慢，因此提出了“水力沖孔+空氣炮爆破”的綜合增透強化抽采技術(shù)，并認為2次爆破間隔3 min，累計爆破40次，綜合效果最佳。

由此可見，水力化增透措施的關(guān)鍵是在“三軟”煤體中形成空腔或孔洞，人為造成煤體變形的自由面，提供膨脹變形空間，創(chuàng)造煤體膨脹增透的有利條件。但是，單一鉆孔沖孔形成的煤體位移與膨脹變形范圍有限，基于此，提出了利用煤層底板巷向煤體施工均勻布置的密集鉆孔，水力沖孔后再預抽煤層瓦斯，利用沖孔形成的煤層中均布的密集孔洞，為煤體提供大量的可持續(xù)膨脹變形空間，在增加煤層透氣性的同時，延長煤體高效預抽瓦斯的時間，有效降低了煤層瓦斯含量，達到消突的目的，從而保障工作面的安全生產(chǎn)。

1 密集水力沖孔增透原理

水力沖孔是利用高壓水射流沖擊煤體，瞬間作用于煤體的水力壓應(yīng)力超過煤體的抗壓強度，使受沖擊的煤體發(fā)生壓剪破壞[15]，使得煤體中的裂隙發(fā)育與擴展。與此同時，水進入煤體裂隙，剝蝕煤體，形成沖蝕坑，增大鉆孔周圍煤體破碎區(qū)。破碎煤粉在水力的帶動下排出鉆孔，為鉆孔周圍煤體提供膨脹變形空間，降低了鉆孔周圍煤體的力學強度，使水力沖孔作用范圍擴大。射出水流與空氣發(fā)生卷吸作用，水流速度隨射流距離的增加而迅速下降，因而距離噴嘴越遠，水流破煤作用力越弱，射流作用力不能破碎煤體的極限距離即為該條件下的水力有效沖孔半徑。由于煤體是彈塑性體，在水力有效沖孔半徑范圍以外的煤體中還會形成比水力有效沖孔半徑大得多的破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，如圖1所示。在鉆孔的破碎區(qū)和塑性區(qū)內(nèi)，煤體破碎、膨脹變形，裂隙增加并相互溝通，透氣性增大，煤體內(nèi)瓦斯得以迅速解吸，從而降低了煤體瓦斯含量和瓦斯壓力?？锥粗車纬傻摹叭齾^(qū)”范圍隨水力沖孔孔洞半徑而變化，沖孔半徑越大，孔洞周圍煤體的破碎區(qū)和塑性區(qū)范圍也越大，相似模擬和現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，該范圍約是沖孔直徑的1.7～1.8倍[13,15]。

圖1 水力沖孔鉆孔受力示意

在突出危險性較強的煤體中，選擇合適的布孔參數(shù)，均布密集鉆孔，并對所有鉆孔進行水力沖孔，使得沖孔后各鉆孔的塑性區(qū)相互連通，由此整個水力沖孔區(qū)域內(nèi)煤體將會破碎，裂隙增多，煤體透氣性增大。此時，再利用沖孔孔洞進行煤層瓦斯預抽，將會以鉆孔為中心形成煤層瓦斯含量(壓力)的下降漏斗。合適的布孔參數(shù)下，相鄰鉆孔之間的下降漏斗相連，兩鉆孔間瓦斯含量(壓力)下降曲線如圖2所示，從而實現(xiàn)了密集水力沖孔對全區(qū)域煤體進行增透抽采瓦斯的目的。

圖2 密集水力沖孔布置及煤層瓦斯含量(壓力)變化預想

2 工作面布置及試驗方案

2.1 試驗面概況及沖孔區(qū)域

試驗地點為平煤九礦己16-17-22050工作面，工作面走向長度620 m，傾斜寬度126 m，煤層傾角-5°～35°，平均20°，煤層厚度0.6～13.2 m，平均厚度5 m，賦存不穩(wěn)定，透氣性系數(shù)0.020 8 m2/(MPa2·d)。瓦斯含量9.09 m3/t，瓦斯壓力1.94 MPa，為煤與瓦斯突出危險區(qū)域。工作面底板布置瓦斯治理巷，如圖3所示。

圖3 工作面布置

根據(jù)實驗區(qū)域的瓦斯地質(zhì)條件的差異性及鉆孔布置參數(shù)特征，本次密集水力沖孔試驗范圍包括圖4所示B、C、D、E、F和G，共計6個區(qū)域。

圖4 密集水力沖孔試驗區(qū)域

2.2 密集水力沖孔方案

1)密集水力沖孔鉆孔布置。穿層鉆孔水力沖孔后，有效擴大了煤孔段空腔體積，易于煤體膨脹變形，增加煤體的透氣性，從而使得鉆孔抽采瓦斯有效范圍擴大。為測試穿層鉆孔水力沖孔后抽采瓦斯的影響區(qū)域，在己16-17-22050工作面里段瓦斯治理巷采用瓦斯流量法布置了測試鉆孔，如圖5所示，措施孔進行水力沖孔，觀察孔測試鉆孔抽采瓦斯流量，測試結(jié)果表明，單位長度煤孔沖出煤量0.6 t時，鉆孔影響半徑約為5 m。

圖5 水力沖孔影響半徑測試

根據(jù)測試結(jié)果，在己16-17-22050工作面里段底板瓦斯治理巷向己16-17煤層布置密集穿層水力沖孔鉆孔，終孔間距為8 m×8 m，孔徑94 mm，整個試驗區(qū)域共計388個沖孔鉆孔。以B區(qū)域為例，密集水力沖孔布孔如圖6所示。

圖6 B區(qū)域密集水力沖孔布置

2)水力沖孔參數(shù)。試驗區(qū)域所有鉆孔均進行水力沖孔，即穿層鉆孔成孔后，煤孔段進行水力沖孔，沖孔水壓6.5 MPa，水量125 L/min，當沖出的水變清后，停止沖孔，退出水力沖孔鉆桿，向鉆孔內(nèi)布置瓦斯抽采套管，密封鉆孔預抽煤層瓦斯。

3 水力沖孔治理效果及分析

3.1 鉆孔沖出煤量

水力沖孔的沖出煤量體現(xiàn)了煤層中孔洞的大小，是煤體內(nèi)應(yīng)力重新分布、煤體松動變形形成透氣性裂隙的根本，決定著己16-17-22050工作面突出煤層瓦斯治理效果的好壞。表1為工作面里段各區(qū)域?qū)嶋H施工鉆孔數(shù)量及水力沖孔結(jié)果，從表1看，除D區(qū)以外，其余區(qū)域水力沖孔沖出煤量較大，平均單孔出煤量在10 t左右，平均每米煤孔沖出煤量約為1 t，達到了預期的沖煤量。

表1 水力沖孔沖出煤量統(tǒng)計結(jié)果

由于D區(qū)處于應(yīng)力異常區(qū)附近，且水力沖孔沖出煤量明顯偏小，為防止該區(qū)域煤體未能松動形成足夠多的裂隙，從而影響后續(xù)瓦斯抽采，D區(qū)采取了加密水力沖孔鉆孔的方式，在原鉆孔間隙施工了19個加密鉆孔，單孔沖出煤量超過13 t，平均每米煤孔沖出煤量1.02 t。

從煤孔長度和單孔沖出煤量的統(tǒng)計結(jié)果看，煤孔越長單孔沖出煤量越大，體現(xiàn)了沖孔水壓作用在了整個煤孔段，并對全煤孔范圍起到了沖孔效果，可以猜想，全煤孔范圍內(nèi)的孔洞近似成圓柱形，這種孔洞利于煤層的整體膨脹變形，從而使得全煤厚范圍透氣性整體增加，加速全煤層瓦斯的解吸。

3.2 平均單孔抽采濃度

對第1組和第2組穿層鉆孔水力沖孔后單孔抽采瓦斯?jié)舛入S時間變化特征的考察發(fā)現(xiàn)，沖孔后預抽鉆孔周圍煤體裂隙發(fā)育，煤層瓦斯易于解吸，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛容^高，隨著抽采時間的延長，單孔瓦斯?jié)舛戎饾u下降，如圖7所示。統(tǒng)計的14個鉆孔初始平均體積分數(shù)為81.57%，第4天平均體積分數(shù)為73.07%，第11天為55.79%，第18天為52.64%；抽采18 d后單孔最高體積分數(shù)69%，單孔最低體積分數(shù)38%?？梢?，水力沖孔在煤體中形成的孔洞促使鉆孔周圍煤體持續(xù)變形，約在1.8倍孔洞直徑范圍內(nèi)煤體的地應(yīng)力下降，煤體受壓程度降低、透氣性增大。王恩元[19]對水力沖孔后孔洞周圍煤體的應(yīng)力監(jiān)測也表明，煤體應(yīng)力區(qū)存在逐漸增大的動態(tài)演化特性，這種特性加速了煤體瓦斯的解吸，平煤九礦的試驗表明，卸壓增透利于瓦斯抽采的作用時間至少可持續(xù)18 d。

圖7 鉆孔抽采瓦斯體積分數(shù)隨時間變化關(guān)系

3.3 瓦斯抽采總量

穿層鉆孔水力沖孔、封孔合茬后即開始抽采瓦斯，隨著開始抽采瓦斯的鉆孔數(shù)量的增多，抽采瓦斯純量逐漸增大，如圖8所示，當工作面里段鉆孔全部抽采后，抽采純量達到了2 m3/min，隨著工作面的推進，鉆孔抽采瓦斯純量存在小幅波動。穿層鉆孔正常抽采期間抽采純量基本維持在1.0～1.5 m3/min，總體抽采純量較高。

圖8 穿層鉆孔抽采瓦斯純量

3.4 抽采區(qū)域煤體消突效果檢驗

己16-17-22050工作面里段穿層鉆孔最后一個鉆孔抽采60 d后，對抽采區(qū)域施工了24個效果檢驗孔，鉆孔布置如圖9所示，采用直接法測試了煤層殘余瓦斯含量，主動法測試了煤層殘余瓦斯壓力，測試結(jié)果見表2。

表2 檢驗鉆孔測試結(jié)果

圖9 效果檢驗鉆孔布置

校驗鉆孔施工過程中，未出現(xiàn)噴孔、頂鉆和其他動力現(xiàn)象。經(jīng)實測，己16-17-22050工作面里段預抽區(qū)域殘余瓦斯含量為2.70～4.03 m3/t，殘余瓦斯壓力0.10～0.25 MPa。從測試結(jié)果看，煤層殘余瓦斯壓力準確性不高，可采用直接法測試的煤層殘余瓦斯含量作為評判依據(jù)。水力沖孔及預抽煤層瓦斯前后，煤層瓦斯含量由最初的9.09 m3/t降低至4.03 m3/t。可見，采用密集穿層鉆孔水力沖孔后預抽煤層瓦斯，實現(xiàn)了低透氣性突出煤層瓦斯的消突治理，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。

4 結(jié) 論

1)水力沖孔在煤體中形成的孔洞促使鉆孔周圍煤體持續(xù)變形，約在1.8倍孔洞直徑范圍內(nèi)煤體的地應(yīng)力下降，煤體受壓程度降低、透氣性增大，加速了煤體瓦斯的解吸，這種卸壓增透利于瓦斯抽采的作用時間至少可持續(xù)18 d。

2)水力沖孔、抽采18 d后單孔最高體積分數(shù)69%，最低體積分數(shù)38%，平均單孔瓦斯體積分數(shù)為52.64%；鉆孔抽采瓦斯期間抽采瓦斯純量可維持在1～1.5 m3/min，總體抽采效果較好。

3)水力沖孔強化增透后抽采60 d，煤體殘余瓦斯含量由預抽前的9.09 m3/t降低至4.03 m3/t，實現(xiàn)了低透氣性突出煤層的消突，保障了工作面的安全生產(chǎn)。