沖煤率對煤層卸壓增透及瓦斯抽采的影響規(guī)律研究

任培良，劉彥偉，韓紅凱，王 迪，左偉芹，李運強，史 燦

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.義煤集團(tuán)新安縣云頂煤業(yè)有限公司，河南 洛陽 471800；3.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003；4.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；5.義馬煤業(yè)集團(tuán)孟津煤礦有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471142)

0 引 言

我國大部分煤礦煤層透氣性低，瓦斯抽采難度大，礦井的安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅[1-2]。水力沖孔、水力割縫、水力壓裂等水力化卸壓增透技術(shù)是煤儲層改造，實現(xiàn)瓦斯安全高效抽采、防治煤與瓦斯突出的有效措施[3-6]。水力沖孔是利用高壓水沖擊、破壞鉆孔周圍煤體，形成空洞，煤體在應(yīng)力重新分布過程中運移并產(chǎn)生裂隙，利于瓦斯卸壓排放，達(dá)到防治突出的目的[7-10]。

沖煤率(沖出煤量/控制區(qū)域原始煤量)是水力沖孔技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之一，水力沖孔沖煤率主要受沖孔鉆孔個數(shù)和單孔沖煤量的影響。廣大學(xué)者針對水力沖孔沖煤率對煤層卸壓增透效果的影響開展了大量研究。王恩元等[4]實測發(fā)現(xiàn)，水力沖孔后鉆孔周圍煤體出現(xiàn)明顯卸壓、裂隙發(fā)育，增加了煤層透氣性，提高了煤層瓦斯的預(yù)抽效果。郝富昌等[11]研究發(fā)現(xiàn)，單孔水力沖孔沖煤量越多，煤體滲透率增大幅度越大。郭獻(xiàn)林[12]實測研究發(fā)現(xiàn)，煤巷條帶消突中水力沖孔沖煤率達(dá)到1%時，煤巷條帶能取得良好的消突效果。文獻(xiàn)[11,13-14]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，單孔沖出煤量越多，煤體卸壓與增透范圍越大。但文獻(xiàn)[15-17]提出，單孔水力沖孔沖出煤量并非越多越好，沖出煤量過大時，會影響瓦斯的抽采濃度，也十分不利于煤巷掘進(jìn)時的頂板支護(hù)。王俊銘等[18]現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，單孔沖煤量較小時無法取得理想的卸壓增透效果，沖煤量越大，越有利于煤層消突，但沖煤后形成的殘余空洞體積較大時，會造成瓦斯積聚，煤巷掘進(jìn)過程中易發(fā)生瓦斯超限等不利影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)，單孔沖煤量過大時，周圍煤體大幅運移可能導(dǎo)致串孔現(xiàn)象，難以保證瓦斯的抽采效果，白白增加了投入[15,18]。

可見，沖煤率會影響煤層瓦斯預(yù)抽效果，合理的沖煤率是保障水力沖孔措施取得良好卸壓增透效果的關(guān)鍵。由于同一地質(zhì)條件下，煤層越厚，在成煤過程中生成的瓦斯量越大，且越有利于瓦斯的保存，煤厚與煤層原始瓦斯含量之間存在明顯的正相關(guān)性[19]。因而，不同煤層瓦斯賦存條件下，應(yīng)采用不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案。比如在厚煤區(qū)、瓦斯富集區(qū)，應(yīng)加大水力沖孔沖煤率。但從前人的研究成果來看，通過增大單孔沖煤量提高沖煤率，易形成沖孔空洞，造成瓦斯積聚，甚至影響煤巷掘進(jìn)支護(hù)。因此，筆者重點研究單孔水力沖孔沖煤量一定時，增大水力沖孔數(shù)量提高沖煤率，對煤層卸壓增透以及瓦斯抽采效果的影響。根據(jù)孟津煤礦的煤層瓦斯賦存條件，運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的手段，開展了不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽試驗，研究了沖煤率對煤層卸壓增透及瓦斯抽采效果的影響規(guī)律。

1 不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案

孟津煤礦主采的二1煤層煤質(zhì)松軟、透氣性低，煤體破壞類型為Ⅲ～Ⅴ級，屬貧煤。煤體堅固性系數(shù)為0.12～0.46，透氣性系數(shù)為0.048 9 m2/(MPa2·d)，瓦斯放散初速度為10.5～24.0，瓦斯含量為7.97～16.37 m3/t，瓦斯壓力為0.90～3.10 MPa，屬煤與瓦斯突出煤層，礦井深受煤與瓦斯突出災(zāi)害的威脅。

礦井采用穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，結(jié)合水力沖孔卸壓增透技術(shù)，即每個水力沖孔鉆孔每米煤孔沖出煤量不小于1 t，且單孔沖出煤量不小于5 t，取得了一定的防突效果。但孟津煤礦在預(yù)抽煤層瓦斯中存在著以下亟待解決的難題：如何保證不同的煤層瓦斯賦存區(qū)域，在規(guī)定預(yù)抽期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)，不同煤層瓦斯含量區(qū)域水力沖孔沖煤率(水力沖孔鉆孔的數(shù)量及布置方式)應(yīng)如何確定。沖孔期間噴孔嚴(yán)重，常造成鉆機附近及回風(fēng)流瓦斯異常，不但嚴(yán)重影響制約著礦井消突進(jìn)度，還對礦工人身安全構(gòu)成了極大的威脅。

為解決孟津煤礦不同煤層瓦斯賦存條件下，預(yù)抽二1煤層瓦斯中存在水力沖孔沖煤率難以確定的問題，設(shè)計了不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案，研究了水力沖孔沖煤率對煤層卸壓增透及瓦斯抽采效果的影響，鉆孔布置見表1和圖1。

表1 預(yù)抽煤層瓦斯鉆孔布置方案

圖1 預(yù)抽煤層瓦斯穿層鉆孔布置示意Fig.1 Layout of pre-drainage coal seam gas boreholes

方案①施工圖1中編號為1號～14號鉆孔，所有鉆孔均不進(jìn)行水力沖孔，沖煤率為0。方案②僅施工圖1中編號為8號,10號,12號,14號和1號～7號鉆孔，對8號,10號,12號,14號鉆孔進(jìn)行水力沖孔，沖煤率為1.7%。方案③施工圖1中編號為1號～14號鉆孔，對8號～14號鉆孔進(jìn)行水力沖孔，沖煤率為3%，1號～7號鉆孔不進(jìn)行水力沖孔。方案④施工圖1中編號為1號～14號鉆孔，對8號～14號,2號,4號和6號進(jìn)行水力沖孔，沖煤率為4.3%，1號,3號,5號和7號鉆孔不進(jìn)行水力沖孔。方案⑤施工圖1中編號為1號～14號鉆孔，所有鉆孔均進(jìn)行水力沖孔，沖煤率為6%。

各方案中無論穿層鉆孔是否進(jìn)行水力沖孔，所有鉆孔均用于長時間連續(xù)預(yù)抽煤層瓦斯。未水力沖孔鉆孔半徑為0.05 m，水力沖孔鉆孔單孔沖煤量取1 t/m，水力沖孔后鉆孔半徑擴(kuò)大至0.64 m。

2 不同水力沖孔沖煤率對煤層卸壓增透及瓦斯抽采效果的影響

2.1 數(shù)值模型參數(shù)

根據(jù)上節(jié)不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案，利用Comsol Multiphycics軟件，模擬研究了不同水力沖孔沖煤率對煤層卸壓增透及瓦斯抽采效果的影響。根據(jù)表1的煤層瓦斯預(yù)抽方案①～⑤，分別對應(yīng)建立了5個數(shù)值計算模型Ⅰ～Ⅴ，模型平面尺寸為76 m×76 m，各模型的計算參數(shù)見表2，模型中煤層原始瓦斯含量取孟津煤礦實測的最大瓦斯含量為16.37 m3/t。

表2 模型基本計算參數(shù)

2.2 不同水力沖孔沖煤率下煤層瓦斯抽采效果

抽采時長為120 d時，不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案下，煤層的殘余瓦斯含量分布如圖2所示，控制區(qū)域內(nèi)煤層的最大殘余瓦斯含量見表3。

圖2 不同沖煤率下煤層殘余瓦斯含量分布Fig.2 Distribution of residual gas content in coal seam under different coal flushing rates

表3 不同水力沖孔沖煤率下煤層的最大殘余瓦斯含量

由表3可知，不同沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽模型Ⅰ～Ⅴ，抽采鉆孔控制范圍內(nèi)煤層的最大殘余瓦斯含量分別降至14.14、12.59、9.76、6.31和4.93 m3/t。與煤層原始瓦斯含量16.37 m3/t相比，瓦斯含量降低值分別為2.23、3.78、6.61、10.06和11.44 m3/t?？梢?，抽采時間為120 d時，不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案下，沖煤率越高，煤層瓦斯含量降低幅度越大，煤層瓦斯的預(yù)抽效果越好。

《河南省強化煤礦安全生產(chǎn)暫行規(guī)定》要求“殘余瓦斯壓力及含量降到0.6 MPa和6 m3/t以下后，方可進(jìn)入煤層進(jìn)行采掘作業(yè)”。由上述分析可知，沖煤率影響著煤層瓦斯含量的降低幅度。則不同煤層原始瓦斯含量條件下，應(yīng)采用不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案。在厚煤區(qū)和瓦斯富集區(qū)，應(yīng)加大水力沖孔的沖煤率，才能保障抽采120 d后煤層的殘余瓦斯含量低于6 m3/t。

2.3 不同水力沖孔沖煤率下煤層卸壓增透效果

圖1所示的不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案，其實質(zhì)差異在于抽采鉆孔是否采用水力沖孔技術(shù)以及水力沖孔鉆孔的間距不同。預(yù)抽方案②～⑤中，相鄰兩個水力沖孔鉆孔中心的最遠(yuǎn)距離分別為13.5、8.5、7.5、6.7 m，預(yù)抽方案①相鄰2個鉆孔的最遠(yuǎn)距離與預(yù)抽方案⑤相同，但抽采鉆孔未進(jìn)行水力沖孔。

為探究不同方案中水力沖孔沖煤率影響煤層瓦斯預(yù)抽效果的原因，得出不同水力沖孔沖煤率下煤層的卸壓增透規(guī)律。結(jié)合模型Ⅰ～Ⅴ，建立了相鄰2個鉆孔的數(shù)值計算模型Ⅰ-1～Ⅴ-5，分析了是否采用水力沖孔技術(shù)以及不同水力沖孔鉆孔間距，對鉆孔間滲透率、應(yīng)力場分布的影響規(guī)律。模型尺寸參數(shù)和計算參數(shù)分別見表4和表2，模型Ⅲ-3如圖3所示，其他模型可根據(jù)表4中的參數(shù)，對模型Ⅲ-3進(jìn)行尺寸修改后得到。

圖3 模型Ⅲ-3Fig.3 Model Ⅲ-3

表4 模型尺寸參數(shù)

模型Ⅰ-1～Ⅴ-5兩個鉆孔間煤體的滲透率分布如圖4所示。鉆孔周圍煤體的應(yīng)力分布決定了滲透率的分布，模型Ⅰ-1～Ⅴ-5兩個鉆孔間煤體的應(yīng)力分布結(jié)果如圖5所示。由圖4和5可知，鄰近鉆孔煤體的滲透率增大了上千倍，這是由于鄰近鉆孔煤體的垂直應(yīng)力低于原始應(yīng)力，處于卸壓區(qū)，發(fā)生了塑性變形破壞，引起了煤體裂隙的大量發(fā)育，從而導(dǎo)致了鄰近鉆孔煤體滲透率呈數(shù)量級的增大。模型Ⅰ-1鉆孔周圍煤體滲透率增大范圍(約為0.35 m)遠(yuǎn)低于模型Ⅱ-2～Ⅴ-5(約為3.7 m)，這是由于模型Ⅰ-1未采用水力沖孔技術(shù)，模型Ⅰ-1鉆孔周圍煤體卸壓區(qū)范圍明顯低于模型Ⅱ-2～Ⅴ-5，水力沖孔后卸壓區(qū)范圍顯著增大所致，水力沖孔后鉆孔周圍煤體滲透率增大范圍是未水力沖孔鉆孔的10.6倍。

圖4 不同模型兩個鉆孔間煤體的滲透率分布Fig.4 Permeability distribution of coal between two boreholes with different models

圖5 不同模型兩個鉆孔間煤體的應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of coal between two drill holes in different models

此外，模型Ⅰ-1～Ⅴ-5鉆孔間煤體的平均滲透率逐漸增大，分別為2.32×10-17m2,5.37×10-17m2,8.85×10-17m2,1.02×10-16m2和1.16×10-16m2，而且模型Ⅱ-2～Ⅴ-5鉆孔間煤體滲透率處于原始滲透率的范圍依次明顯減小，模型Ⅴ-5鉆孔間煤體滲透率均高于原始滲透率。上述煤層瓦斯?jié)B透率分布規(guī)律的形成原因在于，模型Ⅰ-1和Ⅱ-2兩個鉆孔間中部煤體垂直應(yīng)力高于原始地應(yīng)力，處于增壓區(qū)。而模型Ⅲ-3～Ⅴ-5兩個鉆孔間煤體垂直應(yīng)力逐漸降低，且均低于原始地應(yīng)力而處于卸壓狀態(tài)，垂直應(yīng)力卸壓程度逐漸增大。同時模型Ⅰ-1～Ⅴ-5兩個鉆孔間煤體的水平應(yīng)力均低于原始應(yīng)力，水平應(yīng)力大小上模型Ⅰ-1>Ⅱ-2>Ⅲ-3>Ⅳ-4>Ⅴ-5，水平應(yīng)力卸壓程度逐漸增大。

可見，隨著瓦斯預(yù)抽方案中水力沖孔沖煤率的增大，鉆孔間煤體的滲透率顯著增大。這是由于水力沖孔沖煤率越大，鉆孔間煤體的卸壓程度逐漸增大所致，水平應(yīng)力方向上，鉆孔間煤體所受的水平應(yīng)力逐漸降低，且均低于原始應(yīng)力；垂直應(yīng)力方向上，由鄰近鉆孔煤體處于卸壓區(qū)、中部煤體處于增壓區(qū)，逐漸過渡至兩鉆孔間所有煤體均處于卸壓區(qū)。這是導(dǎo)致2.2節(jié)中水力沖孔沖煤率越高的瓦斯預(yù)抽方案，煤層瓦斯含量降低幅度越大的根本原因。

3 預(yù)抽—水力沖孔—2次抽采的現(xiàn)場試驗

3.1 試驗方案

為解決孟津煤礦預(yù)抽煤層瓦斯中水力沖孔噴孔嚴(yán)重、易造成瓦斯超限的問題，并對第2節(jié)的模擬結(jié)論進(jìn)行驗證，在12030工作面軌道底抽巷776～806 m開展了現(xiàn)場試驗。由于試驗區(qū)煤層原始瓦斯含量為9.25～10.78 m3/t，為保障抽采120 d后煤層殘余瓦斯含量低于6 m3/t，根據(jù)第2節(jié)不同水力沖孔沖煤率煤層瓦斯預(yù)抽方案下，煤層瓦斯含量的降低值，選取表1方案③水力沖孔沖煤率為3%的煤層瓦斯預(yù)抽方案，開展了現(xiàn)場試驗。

高地應(yīng)力和瓦斯壓力是造成水力沖孔中出現(xiàn)噴孔和瓦斯異常涌出的根源，因而鉆孔預(yù)抽一段時間，待鉆孔周圍瓦斯壓力和瓦斯含量有所降低后再實施沖孔作業(yè)，利于防治噴孔及瓦斯的異常涌出。利用2.3節(jié)的模型Ⅰ-1，可以得出未實施水力沖孔技術(shù)條件下，不同抽采時間時鉆孔周圍煤體的瓦斯分布，鉆孔抽采10 d后的瓦斯分布如圖6所示。由圖6中可以看出，抽采10 d后鉆孔周圍瓦斯壓力和瓦斯含量均發(fā)生了顯著降低，鉆孔1 m范圍內(nèi)煤層瓦斯壓力(原始瓦斯壓力1.5 MPa)降低幅度超過了28%，利于防治水力沖孔過程中發(fā)生噴孔以及瓦斯超限。

圖6 模型Ⅰ-1鉆孔抽采10 d后兩鉆孔間的瓦斯分布Fig.6 Gas distribution between two boreholes after 10 days of drainage in model I-1

試驗區(qū)采用預(yù)抽—水力沖孔—2次抽采的工序，即煤層瓦斯預(yù)抽方案③穿層鉆孔施工完成后，先預(yù)抽一定時間(一周左右)煤層瓦斯，待瓦斯含量和瓦斯壓力有所下降后，再對需要沖孔的鉆孔進(jìn)行水力沖孔，同時觀測噴孔及瓦斯異常涌出的防治效果。最后利用所有鉆孔長時間連續(xù)預(yù)抽煤層瓦斯，并考察試驗區(qū)煤層瓦斯的預(yù)抽效果。

3.2 試驗效果分析

采用預(yù)抽—水力沖孔—2次抽采的工序后，經(jīng)現(xiàn)場觀測，水力沖孔期間鉆孔噴孔的次數(shù)及強度均明顯降低。水力沖孔噴孔率由原來的1.52次/孔下降至試驗區(qū)的0.71次/孔，噴出煤量和瓦斯異常涌出次數(shù)亦出現(xiàn)明顯降低。采用先抽后沖孔的工序，有效降低了水力沖孔期間鉆孔的噴孔次數(shù)及強度、瓦斯的異常涌出，提高了施工的安全性。

此外，試驗過程中分別在抽采時長為35、69和111 d時，測試試驗區(qū)煤層的殘余瓦斯含量，分別為7.72、6.38和5.32 m3/t，試驗區(qū)煤層殘余瓦斯含量隨抽采時長的變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，抽采時間越長，煤層的殘余瓦斯含量越低，但隨著抽采時長的增大，煤層殘余瓦斯含量的降低速率有減緩趨勢。對圖7的曲線進(jìn)行擬合分析，可以得出方案③煤層瓦斯預(yù)抽方案下，煤層殘余瓦斯含量隨抽采時長的變化曲線方程。進(jìn)而可以計算出采用方案③預(yù)抽煤層瓦斯120 d后，煤層的殘余瓦斯含量為4.96 m3/t，低于6 m3/t，驗證了第2節(jié)模擬結(jié)果的正確性。

圖7 試驗區(qū)殘余瓦斯含量隨抽采時長的變化曲線Fig. 7 Variation curve of residual gas content with drainage time in test area

4 現(xiàn)場應(yīng)用

孟津煤礦12050工作面運輸巷0～535 m，實測煤層原始瓦斯含量為3.99～15.42 m3/t；運輸巷536～953 m，實測煤層原始瓦斯含量為3.32～8.85 m3/t。為保障抽采120 d后煤層殘余瓦斯含量低于6 m3/t，根據(jù)第2節(jié)不同水力沖孔沖煤率煤層瓦斯預(yù)抽方案下，煤層瓦斯含量的降低值，運輸巷0～535 m段可采用表1水力沖孔沖煤率為4.3%的煤層瓦斯預(yù)抽方案(方案④)；運輸巷536～953 m段可采用表1水力沖孔沖煤率為1.7%的煤層瓦斯預(yù)抽方案(方案②)。穿層鉆孔均采用預(yù)抽—水力沖孔—2次抽采的工序。

12050工作面運輸巷0～535 m控制區(qū)域內(nèi)煤炭儲量9.98萬t，水力沖孔累計沖出煤量0.45萬t，實際沖煤率為4.5%，累計抽采瓦斯量36.7萬m3，實測煤層殘余瓦斯含量為1.86～5.84 m3/t，平均為4.08 m3/t，煤巷掘進(jìn)中回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.02%～0.18%。運輸巷536～953 m控制區(qū)域內(nèi)煤炭儲量14.08萬t，水力沖孔累計沖出煤量0.30萬t，實際沖煤率為2.1%，累計抽采瓦斯量44.1萬m3，實測殘余瓦斯含量為1.65～4.86 m3/t，平均為3.94 m3/t，煤巷掘進(jìn)中回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.03%～0.19%。水力沖孔過程中鉆孔噴孔的次數(shù)及強度顯著低于未采取“預(yù)抽—水力沖孔—2次抽采工序”的其他工作面水力沖孔鉆孔。巷道掘進(jìn)期間，實測最大鉆屑量S為4.3 kg/m，最大鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2為120 Pa，均符合要求；未遇見沖孔空洞，煤巷支護(hù)容易，實現(xiàn)了巷道的安全快速掘進(jìn)。

運輸巷536～953 m處實測煤層瓦斯含量由8.85 m3/t降至4.86 m3/t，下降了3.99 m3/t。運輸巷0～535 m處實測最大煤層瓦斯含量為15.42 m3/t，若運輸巷0～535 m處采用536～953 m處的煤層瓦斯預(yù)抽方案，將無法在同樣預(yù)抽期內(nèi)實現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。實際上，運輸巷536～953 m處水力沖孔沖煤率雖然比0～535 m的區(qū)域減少了54%，但煤層的最大和平均殘余瓦斯含量均低于運輸巷0～535 m處，回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)也基本等于運輸巷0～535 m處。運輸巷536～953 m處比0～535 m處的工程效率得到了顯著提升，大幅減少了水力沖孔鉆孔的數(shù)量和沖出煤量，大幅降低了工程量，縮短了工期，節(jié)省了大量的人力、物力，同樣取得了良好的瓦斯預(yù)抽效果。12050工作面煤巷條帶煤層瓦斯的安全高效預(yù)抽以及運輸巷的安全快速掘進(jìn)，再次證實了根據(jù)煤層原始瓦斯含量大小，選擇不同水力沖孔沖煤率煤層瓦斯預(yù)抽方案的合理性和必要性。

5 結(jié) 論

1)不同煤層瓦斯含量賦存條件下，應(yīng)采用不同水力沖孔沖煤率的煤層瓦斯預(yù)抽方案。沖煤率越高，煤層瓦斯含量降低幅度越大，煤層瓦斯預(yù)抽效果越好。厚煤區(qū)和瓦斯富集區(qū)，應(yīng)加大水力沖孔沖煤率。

2)水力沖孔沖煤率影響煤層瓦斯預(yù)抽效果的根源在于，隨著水力沖孔沖煤率的增大，鉆孔間煤體的水平應(yīng)力逐漸降低，且均低于原始應(yīng)力；垂直應(yīng)力上，由鄰近鉆孔煤體處于卸壓區(qū)、中部煤體處于增壓區(qū)，逐漸過渡至兩鉆孔間煤體均處于卸壓區(qū)，從而造成了鉆孔間煤體滲透率的顯著增大。

3)采用預(yù)抽—水力沖孔—2次抽采的工序，引起水力沖孔前鉆孔周圍煤體瓦斯含量和瓦斯壓力出現(xiàn)了降低，從而減小了水力沖孔時發(fā)生噴孔的次數(shù)及強度，提高了施工的安全性。