機(jī)械擴(kuò)孔造穴強(qiáng)化卸壓增透抽采瓦斯抽采工程實(shí)踐＊

華帥 畢寸光 張斌 田坤云

（1.安陽市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南安陽 455141；2.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南鄭州 450007）

0.引言

相關(guān)工程應(yīng)用及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)均表明[1-2]，穿層鉆孔抽采、順層鉆孔抽采及動(dòng)壓區(qū)抽采是目前礦井采掘工作面最常用的抽采技術(shù)措施，在降低工作面煤層瓦斯方面起著重要的作用，煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔的設(shè)計(jì)方案及布置方式的確定主要依據(jù)鉆孔的有效抽采半徑。同時(shí)，有效抽采半徑也是影響鉆孔瓦斯預(yù)抽效果的主要因素，直接關(guān)系到預(yù)抽鉆孔布置密度和預(yù)抽時(shí)間的長短。人為強(qiáng)制卸壓是有效提高煤層透氣性、擴(kuò)大抽放鉆孔影響范圍、提高煤層瓦斯抽采增濃的重要手段[3]，采用機(jī)械造穴擴(kuò)孔進(jìn)而擴(kuò)展瓦斯?jié)B流通道可實(shí)現(xiàn)卸壓增透。基于此，在試驗(yàn)礦井布置1組鉆孔進(jìn)行機(jī)械造穴擴(kuò)孔試驗(yàn)，監(jiān)測注水壓力及流量實(shí)時(shí)變化。試驗(yàn)結(jié)束后聯(lián)接抽放系統(tǒng)考察相關(guān)瓦斯指標(biāo)以驗(yàn)證卸壓增透效果。

1.機(jī)械擴(kuò)孔造穴強(qiáng)化卸壓增透抽采瓦斯原理

底板巖巷上向穿層鉆孔機(jī)械擴(kuò)孔造穴卸壓增透技術(shù)在煤層的底板巖巷內(nèi)施工上向打直徑穿層鉆孔至煤層頂板，利用機(jī)械擴(kuò)孔裝置切割和高壓水射流沖刷煤體排出大量碎煤和瓦斯，使洞室擴(kuò)大最終形成較大空間的洞室。使地應(yīng)力顯著降低，應(yīng)力集中向沖孔周圍移動(dòng)，洞室周圍煤體孔裂隙擴(kuò)展延伸。使沖孔附近煤體卸壓增透，煤體孔裂隙張開、擴(kuò)展貫通，透氣性大幅增加，可以有效提高抽放效果，為區(qū)域瓦斯高效抽采提供條件[4]。

2.煤層機(jī)械擴(kuò)孔瓦斯有效抽采半徑現(xiàn)場測定與考察

2.1 煤層機(jī)械擴(kuò)孔造穴現(xiàn)場試驗(yàn)

為對機(jī)械擴(kuò)孔瓦斯抽采有效半徑進(jìn)行考察研究，在以安陽地區(qū)某礦2303工作面底板巷、切眼底板巖巷布置三組考察鉆孔開展機(jī)械擴(kuò)孔造穴實(shí)驗(yàn)，機(jī)械擴(kuò)孔造穴鉆孔竣工參數(shù)見表1。

表1 機(jī)械擴(kuò)孔鉆孔參數(shù)

在設(shè)計(jì)位置施工煤層機(jī)械擴(kuò)孔造穴試驗(yàn)鉆孔（D18-10、D19-10、D23-5和D23-9），施工完成后進(jìn)行水力沖孔，沖孔完成后對鉆孔進(jìn)行封孔，并接瓦斯流量計(jì)，記錄抽采流量，瓦斯?jié)舛萚5]。

機(jī)械擴(kuò)孔鉆孔D18-10、D19-10、D23-5和D23-9的沖煤量分別為3.8m3、3.4m3、2.4m3、3.2m3。根據(jù)出煤量體積和造穴煤孔長度，可以算出以上試驗(yàn)鉆孔擴(kuò)孔平均直徑分別為1.27m、1.04m、0.71m、0.90m。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 機(jī)械擴(kuò)孔造穴試驗(yàn)擴(kuò)孔直徑

2.2 現(xiàn)場機(jī)械擴(kuò)孔造穴和普通鉆孔瓦斯抽采效果對比分析

在2303工作面底板巷分別選取4個(gè)未沖孔鉆孔（D18-5、D19-5、D23-7、D23-12）與4個(gè)造穴鉆孔（D18-10、D19-10、D23-5、D23-9）進(jìn)行對比考察分析，對鉆孔進(jìn)行了連續(xù)25d的監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 造穴鉆孔和未造穴鉆孔抽采濃度對比分析表

由表3可知，機(jī)械造穴鉆孔平均日抽采優(yōu)于未造穴鉆孔孔組的平均日抽采濃度，造穴鉆孔的平均日抽采濃度純量最高達(dá)到41%，是未造穴鉆孔的1.25倍。隨著連抽天數(shù)的增加，造穴鉆孔的平均日抽采純量初期有波動(dòng)性下降并逐漸趨于平穩(wěn)，但平均日抽采濃度始終保持在28%以上，是未造穴鉆孔的1.48倍以上。

依據(jù)表3可以得出以下結(jié)論：

（1）抽采1d后，造穴鉆孔平均單孔抽采濃度是未造穴鉆孔的1.06倍；造穴鉆孔平均單孔抽采濃度37.5%，未造穴鉆孔的平均單孔濃度是35.5%。

（2）抽采4d后，造穴鉆孔平均單孔抽采濃度是未造穴鉆孔的1.25倍；造穴鉆孔平均單孔抽采濃度41%（最大值），未造穴鉆孔的平均單孔濃度是32.8%。

（3）抽采15d后，造穴鉆孔平均單孔抽采濃度是未造穴鉆孔的1.49倍；造穴鉆孔平均單孔抽采濃度26.5%，未造穴鉆孔的平均單孔濃度是17.75%。

（4）抽采25d后，造穴鉆孔平均單孔抽采濃度是未造穴鉆孔的1.60倍；造穴鉆孔平均單孔抽采濃度20.0%，未造穴鉆孔的平均單孔濃度是12.5%。

以上現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：機(jī)械造穴技術(shù)能顯著提高二1煤層的透氣性。相對于普通鉆孔，機(jī)械沖孔造穴鉆孔能顯著提高瓦斯抽采效果。

3.機(jī)械沖孔造穴有效半徑數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為研究水力沖孔造穴與卸壓增透效果，使用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真研究。在數(shù)值模型中，設(shè)置邊界在距鉆孔中心20m處。對于半徑為0.3m或0.4m的鉆孔，根據(jù)FLAC3D中的準(zhǔn)則，邊界設(shè)置在距鉆孔中心12m處，對于如此小的鉆孔，當(dāng)邊界太遠(yuǎn)時(shí)，模型在鉆孔開挖后立即達(dá)到平衡[6]。

根據(jù)安陽礦區(qū)某礦的二1煤層埋深和地質(zhì)條件，煤體相對較軟（f＜0.5），抗壓強(qiáng)度在1MPa以下。與煤體相比在模擬中考慮了頂板和頂板巖體的彈性。頂板和頂層巖層的厚度設(shè)定為10m。3個(gè)主要原位應(yīng)力分別為25、17.5和15MPa（x、y和z方向），如圖1所示。

圖1 鉆孔周圍的塑性區(qū)

在圖1的頂部邊界施加平均應(yīng)力5MPa。室內(nèi)試驗(yàn)表明，煤體在常規(guī)壓縮試驗(yàn)中表現(xiàn)為脆性斷裂。因此，本文提出了一個(gè)具有應(yīng)變軟化特性的本構(gòu)模型，采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則對煤進(jìn)行建模，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和文獻(xiàn)確定了主焦煤礦二1煤層及頂?shù)装宓牧W(xué)參數(shù)，見表4。

表4 煤層參數(shù)

3.2 水力沖孔造穴模擬效果

對不同半徑水力沖孔鉆孔造穴進(jìn)行了數(shù)值模擬。在模擬中，鉆孔一次性沖孔造穴。圖2顯示了平衡后鉆孔周圍的塑性區(qū)。

圖2 鉆孔周圍應(yīng)力降低區(qū)的分布（下降20%）

圖2中（a）半徑0.1m；（b）半徑0.3m；（c）半徑0.4m；（d）半徑0.6m；（e）半徑0.8m。很明顯，隨著鉆孔半徑的增大，塑性區(qū)擴(kuò)展。由于初始應(yīng)力的不對稱性，在小主應(yīng)力方向上塑性區(qū)的范圍稍大。煤體的變形破壞引起了鉆孔周圍應(yīng)力的重新分布。實(shí)際上，鉆孔周圍的應(yīng)力降低區(qū)更重要，因?yàn)檫@一地區(qū)煤層氣更容易排出。為了比較，在不同的鉆孔半徑下，本次分析最小主應(yīng)力減小超過20%的區(qū)域。如圖3所示。有趣的是，在主應(yīng)力和次主應(yīng)力方向上，應(yīng)力降低區(qū)的范圍幾乎相同。因此，應(yīng)力減低值（卸壓程度，而不是方向）是評價(jià)應(yīng)力降低區(qū)的主要因素。

圖3 不同鉆孔半徑對應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)范圍（20%）

基于主焦煤礦二1煤層堅(jiān)固性系數(shù)、頂?shù)装鍘r性和力學(xué)參數(shù)，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，對不同抽采時(shí)間、沖煤量為0.3t/m、0.4t/m、0.6t/m情況下的鉆孔有效抽采半徑進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見表5。

表5 不同沖煤量和抽采時(shí)間對應(yīng)的抽采有效半徑

4.結(jié)論

通過機(jī)械造穴擴(kuò)孔試驗(yàn)和鉆孔瓦斯流量監(jiān)測研究及實(shí)驗(yàn)室瓦斯突出參數(shù)測試，主要得出結(jié)論如下：

（1）在現(xiàn)場進(jìn)行了機(jī)械擴(kuò)孔造穴試驗(yàn)，依據(jù)出煤量和造穴煤孔長度，計(jì)算試驗(yàn)鉆孔擴(kuò)孔平均直徑分別為1.27m、1.04m、0.71m、0.9m，遠(yuǎn)大于原鉆孔直徑。

（2）機(jī)械而造穴后穿層鉆孔瓦斯流量、濃度及累計(jì)抽采純量大幅增加，煤層透氣性系數(shù)急劇增強(qiáng)。

（3）采用FLAC數(shù)值模擬軟件，得出了不同抽采時(shí)間、沖煤量為0.3t/m、0.4t/m、0.6t/m情況下的鉆孔有效抽采半徑進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可知隨著造穴煤量的增加，對應(yīng)的瓦斯抽采半徑隨之增大。