水力沖孔卸壓增透技術在斜溝煤礦的應用研究

趙高清

(山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

0 引言

近年來，隨著我國煤礦開采深度的增加，煤層原始瓦斯含量和地應力不斷增高，煤層的透氣性越來越低，瓦斯抽采效率低、抽采周期長及鉆孔施工周期長，嚴重影響礦井的正常生產和接替[1-2]。因此需要采取措施來增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采率[3-4]。

國內外學者對低透氣性煤層長期做了大量研究，增加煤層透氣性的方法是卸壓[5]，其中卸壓的手段包括水力壓裂、水力沖孔、水力割縫、深孔預裂爆破、二氧化碳預裂爆破等[6-7]。周西華和畢建乙等在山西武鄉馬堡煤礦開展水力壓裂卸壓增透試驗，增加了煤層裂隙，有效提高煤層透氣性，擴大煤層瓦斯抽采范圍，瓦斯抽采量得到大幅提高，達到礦井安全、高效生產的效果[8]。高亞斌等在水力割縫的基礎上加入高壓磨料，進而增加割縫的速度和寬度，并可對成縫的煤層進行支撐，從而提高煤層的透氣性[9]；倪小明在晉城礦區采用連續多次水力壓裂技術，建立壓裂后新縫的臨界夾角數理模型并應用實際，表明初次裂縫可繼續拓展，增大有效支撐區，同時會產生新的裂縫并發生轉向，顯著改造了煤層裂隙[10]。

文中運用理論計算、數值模擬和現場試驗方法[11]，結合河東煤田離柳礦區斜溝煤礦18205工作面，開展水力沖孔增透技術試驗[12-13]，通過分析試驗后鉆孔有效抽采半徑、瓦斯抽采濃度、抽采純量的變化，解決高瓦斯低透氣性工作面瓦斯抽采效果差的難題，為水力沖孔技術在現場應用提供理論技術指導[14-15]。

1 理論分析

莫爾強度理論[16-17]是用來研究煤巖體在破壞過程中的應力分布

|r|=c+σtanφ

(1)

式中：r—剪應力，MPa；c—內聚力，MPa；σ—正應力，MPa；φ—內摩擦角，(°)。

圖1 莫爾強度準則

根據在不同受力面施加載荷，可在斜面處發生剪切破壞，則斜面上正應力與剪應力的表達式

(2)

將上式變形可得如下圓的方程，即

(3)

根據應力圓可得煤體在不同應力作用下所形成的極限應力圓，這些極限應力圓的公切線為莫爾圓包絡線[18]。

圖2 完整煤巖體Mohr強度曲線

2 數值模擬

通過FLAC 3D軟件建立模型，模型大小為33 m×33 m×16 m。模型包括直接頂，煤層及直接底3層。模型下邊界設為固定邊界，上邊界設置為壓力邊界，按測壓系數1.0進行模型賦值，將水力沖孔鉆孔布置在煤層內，沖出的空洞視為孔徑大小不同的圓柱體，模擬沖煤量為1.0 t/m，孔徑分別為50 mm、300 mm、500 mm、600 mm。模型材料選用Mohr-Coulomb Elastic-Plastic，根據地質材料各巖層具體參數值和模型計算主要參數見表1和表2，模型如圖3所示。數值模擬結果如圖4所示。

圖3 沖孔造穴數值模型

通過圖4發現，隨著水力沖孔造穴半徑的增大，孔穴周圍出現應力集中現象，并且隨著造穴半徑的增大，孔穴周圍的煤體應力范圍也會逐漸增大，當孔穴半徑為0.3 m時，孔穴周圍煤體應力卸載區域逐漸增大，軸向應力不斷增大，孔穴周圍的煤體應力會隨著造穴半徑的增大繼續擴展，即軸向應力在增大，并且隨著造穴半徑的增大，孔穴周圍的應力區域會出現相互連接，再次會出現應力集中區，當造穴半徑達到0.8 m時，孔穴周圍的煤體應力相互影響已經相當明顯，應力集中區連在一起。通過數值模擬得到的結果提取相關數據可得到距離孔穴不同位置的應力變化趨勢，如圖5所示。

由圖5得到，在距離鉆孔相同位置時，造穴半徑越大的孔，其周圍的煤體水平方向應力越低，而且不同半徑的孔穴水平應力分布的趨勢是一致的。不同造穴半徑的孔穴其應力在該孔周圍呈對稱分布，但不同半徑的空穴最終區域穩定值，與模擬結果基本吻合，其最大值約為1.53 MPa。模擬結果表明：水力沖孔造穴對煤體水平卸壓比較明顯。卸壓半徑約為3 m，并且水平方向會出現卸壓疊加區域，其卸壓效果更明顯。

表1 煤巖體各相關力學參數

表2 模型計算主要參數

a-半徑50 mm鉆孔；b-造穴半徑0.3 m；c-造穴半徑0.5 m；d-造穴半徑0.8 m圖4 鉆孔沖孔造穴洞室周圍煤體水平面上垂直應力云圖

圖5 沖孔造穴不同階段水平應力分布

3 現場實驗

3.1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省興縣縣城北50 km處嵐漪河兩側，隸屬于興縣魏家灘鎮和保德縣南河溝鎮，屬于河東煤田離柳礦區，主采煤層為8#、13#煤，煤層結構簡單，井田南北長約22 km，東西寬約4.5 km，面積為88.6 km2。礦井為低瓦斯礦井，采用斜井開拓方式，8#煤層厚度為3.80～5.50 m，平均厚度為4.70 m，傾角為7.5°～11.4°，平均9.4°。8#煤為自燃煤層，煤塵具有爆炸性。頂板主要為泥巖，底板主要為泥巖和中細粒砂巖。8#煤透氣性系數為0.014 16 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

8#煤的18205工作面位于12采區輔助運輸下山南側，東部、南部、西部均為實煤區。工作面標高為+520～+584 m，可采走向長度為2 838 m，傾斜長為264 m，工作面支架共計157臺，采用綜合機械化采煤工藝進行回采，長壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板；采用U型上行通風方式，目前工作面瓦斯涌出量為14.15 m3/min，為高瓦斯工作面，工作面、上隅角瓦斯濃度較大，嚴重影響工作面的推進速度。

3.2 試驗過程

為了提高煤層透氣性進而增大工作面的抽采量，在18205工作面開展水力沖孔造穴增透技術。根據現場具體情況，設計在18205材料巷760 m處布置試驗鉆孔，試驗鉆孔布置如圖6所示，鉆孔開孔高度為1.5 m，傾角同煤層傾角，其中1號、2號、3號孔為輔助孔，孔深25 m，4號孔鉆孔均為造穴鉆孔，孔深28 m，封孔8 m。水力沖孔壓力為15 MPa，沖孔過程保證水壓穩定，以便充分切割煤體。為擴大沖孔效果，應保證多次沖孔，直到鉆孔內煤渣排干凈為止。單次沖孔時間約為30 min，平均沖出煤量1.1 t/m。沖孔完畢后進行聯網抽采。

圖6 水力沖孔布置

3.3 試驗結果

沖孔后對有效影響半徑的影響：實施水力沖孔增透技術后，采用壓降法來判定鉆孔的有效抽采半徑。采用相對壓力法測試煤層抽采半徑，其機理是開展煤層預抽之后，整體煤層的預抽率超過30%，且沒有測定出煤層始突深度的瓦斯含量或壓力，需要實施煤層預抽以控制瓦斯含量低于8 m3/t；煤層瓦斯含量與壓力之間的關系見式(4)，其簡化表達式見式(5)，根據表達式(4)、(5)可知，當工作面煤體的預抽率達到30%時，即煤體的剩余瓦斯含量是未抽采時瓦斯總量的70%，則煤體剩余的瓦斯壓力是原始煤體瓦斯壓力的49%，即抽采率達到30%時，煤體的瓦斯壓力降低51%，就是考核煤層抽采半徑的標準[10]。本文將煤層內距水力沖孔最遠處殘余瓦斯壓力降低51%作為水力沖孔影響半徑。

(4)

式中：WCY—殘余瓦斯含量，m3/t；a，b—吸附常數；PCY—煤層殘余相對瓦斯壓力，MPa；Pa—標準大氣壓力，0.101 325 MPa；Ad—煤的灰分，%；Mad—煤的水分，%；π—煤的孔隙率，m3/m3；γ—煤的視密度，t/m3。

(5)

式中：X—煤層瓦斯含量，m3/t；a—煤層瓦斯含量系數，m3/(tMPa0.5)；P—煤層絕對瓦斯壓力，MPa。

增透前后鉆孔壓力變化如圖7所示，從圖7得到：鉆孔瓦斯壓力隨著抽采時間的推移開始降低，實施水力沖孔增透技術后，距水力沖孔鉆孔2 m的1號觀測孔和距水力沖孔鉆孔3 m的2號觀測孔瓦斯壓力在30 d都下降到51%的有效線之下，距水力沖孔鉆孔4 m的3號觀測孔下降緩慢，30 d下降到51%的有效線之上；由此判斷18205工作面水力沖孔有效影響半徑為3 m，是未實施水力沖孔增透技術前的2倍，水力沖孔增透后高速水射流釋放出的能量破壞了煤體原始結構，煤體開始松動，鉆孔內裂隙發育良好，透氣性顯著提高，卸壓增透效果顯著，有效抽采半徑增大，節省本煤層抽采鉆孔施工量。

圖7 水力沖孔后鉆孔瓦斯壓力變化

沖孔后對瓦斯抽采濃度、流量的影響：選擇距水力沖孔95 m處2個本煤層孔作為試驗區域瓦斯抽采孔進行聯網抽采，共進行29 d的連續監測。水力沖孔區與非沖孔區瓦斯抽采濃度和純量監測結果如圖8所示。由圖8發現，非水力沖孔區鉆孔瓦斯最大濃度為10.5%，最小值是2.3%，平均是5.27%，聯網抽采純量的最大值為0.011 8 m3/min，抽采純量最小值為0.001 36 m3/min，平均純量為0.004 61 m3/min，說明非壓裂區瓦斯抽采效率明顯低下，衰減速度快，衰減程度嚴重。水力沖孔區鉆孔瓦斯抽采最高濃度達到34.2%，最低濃度達到12.5%，平均濃度高達24.11%，最高抽采純量達到0.088 1 m3/min，最低抽采純量達到0.016 1 m3/min，平均抽采純量達到0.043 8 m3/min。抽采數據證明：進行水力沖孔后，沖孔區抽采濃度高、流量大、衰減慢，瓦斯抽采時間較長，抽采效果提升明顯。沖孔區瓦斯抽采平均濃度是非壓裂區的4.57倍，最高抽采濃度也是非壓裂區的3.26倍，瓦斯抽采平均純量為非壓裂區的9.5倍，最高抽采純量為非壓裂區的7.5倍，抽采效果顯著提高。

壓裂影響區域煤層透氣性變化：采用徑向流量法來測定斜溝煤礦8#煤層水力沖孔區煤層的透氣性系數，發現水力沖孔區域煤層透氣性平均為0.325 68 m2/(MPa2·d)，是沖孔前0.014 16 m2/(MPa2·d)的23倍，顯著增加煤層透氣性，進而提高瓦斯抽采率。

a-水力沖孔區與非水力沖孔區瓦斯抽采濃度；b-水力壓裂區與非水力壓裂區瓦斯抽采純量圖8 沖孔造穴后鉆孔瓦斯濃度及抽采量

4 結論

(1)隨著水力沖孔造穴半徑的增大，孔穴周圍出現應力集中現象，并且隨著造穴半徑的增大，孔穴周圍的煤體應力范圍也會逐漸增大。水力沖孔造穴對煤體水平卸壓作用明顯，當卸壓半徑達到3 m，水平方向會出現卸壓疊加區域，其卸壓效果會更明顯。

(2)現場試驗得到18205工作面水力沖孔后透氣性系數增大了23倍，瓦斯平均抽采濃度提高約4.57倍，抽采平均純量提高為9.5倍。卸壓增透效果顯著，有效提高了瓦斯抽采率，節約了鉆孔施工量，縮短了瓦斯抽采周期。