松軟低滲突出煤層水力沖孔卸壓增透研究

張 帥

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

近幾十年來，煤炭資源高強(qiáng)度持續(xù)開發(fā)，淺部資源日益枯竭，逐步轉(zhuǎn)向深部資源開采，開采深度的增加，地應(yīng)力、地溫、煤層瓦斯壓力不斷增大，煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)不斷增強(qiáng)，特別是松軟低滲突出煤層，相應(yīng)的瓦斯治理難度不斷增大，制約煤礦安全高效綠色生產(chǎn)[1-7]。水力沖孔卸壓增透技術(shù)可控性好、強(qiáng)度適中，隨著大流量鉆沖一體化裝置不斷成熟完善，對(duì)于松軟低滲突出煤層，15～30 MPa 水射流足以滿足造穴孔徑要求，因此，對(duì)于松軟低滲突出煤層，水力沖孔是一項(xiàng)良好的卸壓增透瓦斯治理方法。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水力沖孔卸壓增透技術(shù)進(jìn)行了研究。CUI 等[8]考慮圍巖應(yīng)變軟化對(duì)水力沖孔圍巖應(yīng)力變化的影響，研究了應(yīng)變軟化對(duì)不同半徑鉆孔圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)的影響規(guī)律；LIU 等[9]通過引入貝里馬克-Roos 方程和PKN 模型,建立了孔洞形狀的BR-PKN 方程，并通過MATLAB 顯示了孔洞形態(tài)；劉廳等[10]通過構(gòu)建卸壓煤層多場耦合模型建立了沖孔最優(yōu)出煤量的判定指標(biāo)體系，提出了瓦斯非均衡賦存煤層梯級(jí)精準(zhǔn)增透強(qiáng)化抽采技術(shù)；牟全斌[11]針對(duì)三軟煤層，對(duì)沖孔設(shè)備優(yōu)選、施工流程、排渣技術(shù)、煤水分離技術(shù)、護(hù)孔及封孔技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析；許彥鵬等[12]研發(fā)出鉆、沖、護(hù)一體化裝置，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采順層鉆孔鉆進(jìn)、水力沖孔造穴和不提鉆隨鉆下篩管的一體化施工；任培良等[13]認(rèn)為沖煤率越高，鉆孔間煤體的卸壓程度越大，煤體的滲透率越大，抽采后煤層瓦斯含量的降低幅度越大，對(duì)沖煤率對(duì)煤層卸壓增透及瓦斯抽采效果的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

水力沖孔破碎煤巖卸壓增透機(jī)制十分復(fù)雜，基于前人基礎(chǔ)理論和現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用研究，考慮鉆孔群一定沖煤量（孔洞半經(jīng)）條件下，開展了合理鉆孔布置間距研究，優(yōu)化確定合理的鉆孔布置參數(shù)，對(duì)防止間距過小竄孔影響抽采效果、工程量過大大的問題，鉆孔間距過大卸壓不充分，抽采效果不均勻的問題具有重要意義。

1 工程背景

貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司黔西市協(xié)和鎮(zhèn)高山煤礦（以下簡稱“高山煤礦”）為生產(chǎn)礦井，位于貴州省畢節(jié)市黔西市境內(nèi)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬t/a，服務(wù)年限為37.0 a，礦井首采9 號(hào)煤層，9 號(hào)煤層起伏變化較大，為典型的松軟低滲突出煤層，瓦斯含量在13～16 m3/t，瓦斯壓力達(dá)到1.34 MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù)約0.22 左右，普通鉆孔瓦斯治理時(shí)間周期長，嚴(yán)重影響正常采掘接替，為高效治理煤巷條帶區(qū)域瓦斯，擬采用水力沖孔的卸壓增透措施。

2 水力沖孔卸壓增透機(jī)理

煤層段實(shí)施水力沖孔過程中，鉆孔周圍含瓦斯煤體受擾動(dòng)影響，會(huì)經(jīng)歷應(yīng)力加載、超過屈服極限破壞，破壞煤體失去抵抗能力后隨水流沿鉆孔排出，在煤層中形成孔洞的過程。穿層鉆孔水力沖孔孔洞形態(tài)示意圖如圖1[14]，掏穴擴(kuò)孔前后鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布示意圖如圖2。

圖1 穿層鉆孔水力沖孔孔洞形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole morphology of hydraulic punching through layer drilling

圖2 掏穴擴(kuò)孔前后鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布示意圖Fig.2 Diagram of coal stress distribution around borehole before and after hole cutting and reaming

水力沖孔結(jié)束后，在孔洞周圍由近及遠(yuǎn)依次會(huì)形成破碎區(qū)域、塑性區(qū)和彈性區(qū)域。破碎區(qū)域?yàn)橐蛩淞鳑_擊發(fā)生破壞失去抵抗能力未排出鉆孔的煤體；塑性區(qū)域?yàn)橐蛩淞饔绊憫?yīng)力超過屈服極限后仍具有一定支撐能力的煤體；彈性區(qū)域是指具體孔洞較遠(yuǎn)應(yīng)力發(fā)生變化，但未達(dá)到屈服極限或應(yīng)力未發(fā)生變化區(qū)域的煤體。

水力沖孔形成的孔洞為周圍煤體卸壓變形提供空間，煤體卸壓變形的同時(shí)，煤體結(jié)構(gòu)、孔裂隙張開度發(fā)生改變，從而促進(jìn)孔洞周圍煤體瓦斯運(yùn)移導(dǎo)流通道的數(shù)量和暢通性增大，滲透率提高。孔洞周圍煤體暴露面積增大，導(dǎo)流通道與負(fù)壓管路連通數(shù)量大幅增加，為周圍煤體內(nèi)部卸壓瓦斯解吸和流動(dòng)創(chuàng)造良好改性條件。

3 水力沖孔煤體卸壓量化表征分析

3.1 水力沖孔半徑理論計(jì)算

經(jīng)現(xiàn)場巷道掘進(jìn)現(xiàn)場實(shí)踐觀察，水力沖孔的形態(tài)呈現(xiàn)中間大、兩端小的腔體。為便于數(shù)值計(jì)算，簡化腔體形態(tài)為規(guī)則的圓柱體，根據(jù)水力沖孔煤屑反渣量等效計(jì)算水力沖孔孔洞半徑，公式如下：

式中：r為孔洞半徑；m為水力沖孔鉆孔反渣煤屑質(zhì)量，取20 t；h為鉆孔穿煤長度，取4.4 m；ρ為高山煤礦9 號(hào)煤層反渣煤屑密度，取1.44 t/m3。

經(jīng)計(jì)算，水力沖孔孔洞半徑在1 m 左右，為數(shù)值模擬孔洞半徑的確定提供了理論依據(jù)。

3.2 水力沖孔卸壓特征量化分析

以高山煤礦1908 底抽巷穿層鉆孔水力沖孔為工程研究背景，采用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建不同間距的水力沖孔數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)水力沖孔孔洞周圍煤體塑性破壞特征、三向應(yīng)力分布特征進(jìn)行展現(xiàn)。依據(jù)礦井地質(zhì)條件，分別建立鉆孔間距為8、7、6、5 m 的力學(xué)研究模型，形成的模型的尺寸（長×寬×高）分別為：16 m×8 m×19 m 、14 m×7 m×19 m、12 m×6 m×19 m、10 m×5 m×19 m，頂部因上覆巖層重力采用均布載荷邊界條件，在底部以及四周采用固定約束邊界條件，施加的x、y、z方向初始應(yīng)力分別為9、9、11 MPa。采用Mohr-Coulumb 準(zhǔn)則力學(xué)模型進(jìn)行求解，1908 工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 1908 工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata at the top and bottom of 1908 working face

3.2.1 不同鉆孔間距條件下塑性破壞特征演化

水力沖孔力學(xué)模型構(gòu)建完成后進(jìn)行初始應(yīng)力場平衡計(jì)算，最大不平衡力小于1×10-5視為平衡狀態(tài)，其后根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)間距進(jìn)行鉆孔開挖，后續(xù)按照實(shí)際計(jì)算沖孔半徑1 m 進(jìn)行孔洞開挖，重新平衡后為展示塑性破壞特征，在z方向上，以z=9.5 m 進(jìn)行切片處理。水力沖孔周圍煤體塑性破壞區(qū)域量化表征如圖3。

圖3 水力沖孔周圍煤體塑性破壞區(qū)域量化表征Fig.3 Plastic failure zone characterization of coal around hydraulic punching

由圖3 可以看出，水力沖孔以后孔壁周圍煤體發(fā)生拉伸剪切破壞，即與理論分析的破碎區(qū)域相符，向外延伸煤體發(fā)生剪切破壞，即理論分析的塑性破壞區(qū)域，該區(qū)域超過屈服極限發(fā)生破壞，仍具有一定承載能力，繼續(xù)向外延伸，煤體發(fā)生彈性變形，未發(fā)生破壞，即彈性變形區(qū)域。水力沖孔以后拉伸剪切破壞區(qū)域范圍約為孔洞周圍在1.2～1.5 m 的范圍。隨著鉆孔間距的不斷減小，鉆孔間周圍煤體塑性破壞區(qū)域不斷接近，直至塑性破壞區(qū)域相互貫通。

當(dāng)鉆孔間距為8 m 時(shí)，塑性破壞區(qū)域向外延伸1.2 m 后基本穩(wěn)定，當(dāng)鉆孔間距為7 m 時(shí)，塑性破壞區(qū)域向外延伸1.3 m 后基本穩(wěn)定，塑性破壞范圍變化不大，當(dāng)鉆孔間距為6 m 時(shí)，塑性破壞區(qū)域范圍增大至約1.5 不再向外側(cè)延伸。當(dāng)鉆孔間距減小時(shí)，塑性破壞區(qū)域范圍略微增大，主要是受鉆孔間距減小煤體應(yīng)力疊加， 承受載荷達(dá)到極限強(qiáng)度而發(fā)生破壞的影響；當(dāng)鉆孔間距5 m 時(shí)，塑性破壞區(qū)域貫通，中間煤體失去部分承載能力，煤層頂板發(fā)生整體變形，頂板壓力主要由鉆孔群外實(shí)體煤來承擔(dān)，鉆孔間煤體發(fā)生塑性破壞，煤體間煤體裂隙充分發(fā)育，易引起鉆孔間竄孔影響瓦斯抽采效果，因此水力沖孔孔洞半徑1 m 的條件下， 鉆孔間距6 m 時(shí)鉆孔設(shè)計(jì)比較合理，孔洞周圍煤體塑性破壞區(qū)域較大，煤體得到充分卸壓又未相互貫通引起竄孔的問題。

3.2.2 不同鉆孔間距條件下的應(yīng)力分布特征演化

為定量分析孔洞周圍煤體三向應(yīng)力分布特征， 數(shù)值模擬計(jì)算完成以后， 以兩孔洞中心連線為煤體三向應(yīng)力觀測線，提取煤體單元三向應(yīng)力數(shù)據(jù)。水力沖孔周圍煤體三向應(yīng)力特征曲線如圖4。

圖4 水力沖孔周圍煤體三向應(yīng)力特征曲線Fig.4 Three-dimensional stress-strain curves of coal body around hydraulic punching

由圖4 可知：x方向水平應(yīng)力不產(chǎn)生應(yīng)力集中，距離孔洞距離越近，卸壓程度越高；y方向水平應(yīng)力在孔洞周圍1.5 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的卸壓，1.5 m 范圍以外區(qū)域y方向水平應(yīng)力變化不大；垂直應(yīng)力在1.5 m 范圍內(nèi)卸壓區(qū)域，1.5 m 范圍以外壓力增高，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

間距為8、7、6 m 時(shí)，水力沖孔孔洞周圍各自形成各自的垂直應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力曲線為雙峰曲線。隨著鉆孔間距的減小，應(yīng)力曲線由“雙峰曲線”逐漸演化為“單峰曲線”，峰值應(yīng)力增加。當(dāng)鉆孔間距縮小至5 m 時(shí)，兩孔洞的應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)疊加，變?yōu)閱畏迩€，峰值應(yīng)力達(dá)到16.2 MPa，鉆孔周圍煤體趨于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，孔洞失穩(wěn)垮塌概率增大，離層裂隙導(dǎo)通容易引起竄孔，從而影響瓦斯治理效果。

3.3 水力沖孔增透量化特征分析

基于多孔介質(zhì)有效應(yīng)力原理，大量學(xué)者對(duì)煤層進(jìn)行三維條件下應(yīng)力、孔隙壓力與煤層滲透率試驗(yàn)研究，得到三維情況下的體積應(yīng)力、孔隙壓力與滲透率的關(guān)系式[15]：

式中：K為水力沖孔后煤體滲透率，10-15m2；K0為初始滲透值，10-15m2； Θ為煤體體積應(yīng)力；p為瓦斯壓力，MPa；b為體積應(yīng)力系數(shù)，取0.155 3；c為孔隙壓力系數(shù)，取0.198 7[16]；σ1、σ2、σ3為煤體x、y、z方向的三向垂直應(yīng)力，MPa。

根據(jù)范超軍等[17]對(duì)煤體初始滲透率與埋深之間的關(guān)系研究，得出埋深與初始滲透率之間的關(guān)系如下：

式中：H為煤層埋深，取600 m。

將圖4 中煤體三向應(yīng)力代入到式（3）中，可以得到水力沖孔后，鉆孔間距為8、7、6、5 m 4 種情況下孔洞周圍煤體的滲透率變化曲線，水力沖孔周圍煤體滲透率表征曲線如圖5。

圖5 水力沖孔周圍煤體滲透率表征曲線Fig.5 Permeability characterization curves of coal body around hydraulic punching

由圖5 可知：沿孔洞徑向1 m 范圍內(nèi)滲透率在0.07～0.07×10-15m2范 圍 內(nèi)，與 原 始 滲 透率0.014×10-15m2相 比，水 力 沖 孔 后 煤 體 提 高了5～50 倍，其余煤體滲透率變化不大。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

為考察水力沖孔卸壓增透強(qiáng)化抽采效果，以1908 運(yùn)輸巷條帶區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)域，第2 評(píng)價(jià)單元（180 m 范圍）采用常規(guī)普通鉆孔，第3 評(píng)價(jià)單（180 m 范圍）采用水力沖孔卸壓增透措施同時(shí)施工，1908 運(yùn)輸巷條帶區(qū)域鉆孔布置如圖6。鉆孔間距約6 m 左右，控制巷道兩幫15 m 的范圍。第3 評(píng)價(jià)單元鉆孔施工完成以后，采用水力沖孔設(shè)備進(jìn)行水力沖孔，沖孔壓力15～30 MPa，沖孔孔洞半徑根據(jù)反渣情況控制在1 m 左右。

圖6 1908 運(yùn)輸巷條帶區(qū)域鉆孔布置
Fig.6 Drilling arrangement in 1908 transportation lane strip area

第2 評(píng)價(jià)單元、第3 評(píng)價(jià)單元均設(shè)計(jì)鉆孔217 個(gè)，鉆孔施工完成后進(jìn)行封孔連抽，分別于2023 年1 月8 日、 2023 年1 月10 日施工完成。1908 運(yùn)輸巷條帶區(qū)域第2 評(píng)價(jià)單元實(shí)際施工鉆孔233 個(gè)，第3 評(píng)價(jià)單元實(shí)際施工鉆孔235 個(gè)，分別安裝自動(dòng)計(jì)量裝置對(duì)2 個(gè)評(píng)價(jià)單元瓦斯抽采流量和瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測和現(xiàn)場測定，1908 運(yùn)輸巷條帶區(qū)域水力沖孔強(qiáng)化抽采效果考察結(jié)果如圖7。

圖7 1908 運(yùn)輸巷條帶區(qū)域水力沖孔強(qiáng)化抽采效果考察結(jié)果Fig.7 Investigation results of enhanced pumping effect of hydraulic punching in the belt area of 1908 transportation lane

由圖7 可以看出，第3 評(píng)價(jià)單元瓦斯抽采純量在6.20～9.8 m3/min，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)在34%～57%，與相當(dāng)條件下第2 評(píng)價(jià)單元傳統(tǒng)普通鉆孔相比，普通鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)、純量衰減較快，水力沖孔鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)、純量比較穩(wěn)定，平均單孔純量提高了2～6 倍。

5 結(jié) 語

1）松軟低滲突出煤層水力沖孔為周圍煤體提供卸壓空間，煤體原始應(yīng)力狀態(tài)重新分布，孔裂隙張開度、導(dǎo)通性大大增加，進(jìn)而促進(jìn)周圍煤體滲透率的提高。

2）對(duì)不同鉆孔間距條件下孔洞周圍煤體的塑性破壞特征進(jìn)行了分析?？锥粗車苄云茐膮^(qū)域向外延伸1.2～1.5 m；隨鉆孔間距的減小，塑性破壞區(qū)域范圍變化不大；當(dāng)鉆孔間距5 m 時(shí)，孔洞間塑性破壞區(qū)域貫通，煤體間煤體裂隙充分發(fā)育，易引起鉆孔間竄孔影響瓦斯抽采效果。

3）水力沖孔后孔洞間煤體x方向應(yīng)力明顯降低，距離孔洞越近，降低幅度越大；y方向應(yīng)力影響范圍與塑性破壞區(qū)域范圍相當(dāng)；垂直應(yīng)力峰值應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的升高，隨著鉆孔間距的減小，垂直應(yīng)力曲線由雙峰曲線演化為單峰曲線。

4）確定了合理的鉆孔間距為6 m?，F(xiàn)場實(shí)踐表明：水力沖孔后，單孔瓦斯抽采流量和體積分?jǐn)?shù)明顯提高，支管瓦斯抽采純量在6.20～9.8 m3/min，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在34%～57%，卸壓增透效果良好。