基于鉆孔應力分析的水力割縫增透技術研究

吳小娃

（山西大平煤業有限公司，山西 長治 046200）

0 引言

在我國煤炭開采過程中，煤與瓦斯突出問題依然嚴峻[1]。目前，應用廣泛的區域性防突措施有保護層開采和煤層瓦斯預抽采[2]。隨著開采深度的增加和煤層賦存條件的限制，越來越多的煤層不具備保護層開采條件，區域性的防突措施更多地采用本煤層的瓦斯預抽采。我國陽泉礦區可采煤層多以煤質松軟、透氣性差、瓦斯含量高等為主要特征，常規的鉆孔瓦斯抽采效率低下、抽采效果差。密集瓦斯抽放鉆孔雖具有較好的抽采效果，但其施工工程量大、工期緊張、經濟效益低，且易出現串孔、卡鉆，甚至引起突出。

水力割縫作為一種煤層增透措施，其以高壓水為動力，對鉆孔周圍煤體進行切割、剝離，在鉆孔煤體中形成自由空間，煤體在地應力及孔邊集中應力作用下向自由空間移動過程中產生大量裂隙，為瓦斯流動提供新通道，大幅提高煤層瓦斯抽采效率。

本文通過彈塑性力學知識，分析瓦斯抽放鉆孔周圍煤體應力分布情況，揭示影響瓦斯抽放效果的關鍵因素，提出水力割縫技術設計原則，并在陽泉某礦進行現場試驗。

1 瓦斯抽放鉆孔“瓶塞”效應分析

假設瓦斯抽放鉆孔周圍的煤體為均質體、具有各向同性，鉆孔形成后，引起孔邊煤體應力的重新分布，如圖1所示。鉆孔周圍煤體隨著應力的增大，其中的原生裂隙發生不同程度的閉合，阻斷了鉆孔周圍煤體瓦斯向自由空間滲透的通道，直接影響了煤體瓦斯預抽效果，大大降低了瓦斯抽放量，形成了瓦斯抽放鉆孔的“瓶塞”效應。特別是當地應力較大時，孔邊應力集中程度更大，煤體中的原生裂隙完全閉合，瓦斯抽放鉆孔的“瓶塞”效應更加顯著。

圖1 瓦斯抽放鉆孔受力示意圖

以往多采取增大鉆孔直徑，提高鉆孔中瓦斯排出面積的方法來提高單孔抽采效率，但鉆孔直徑的增大會引起應力集中區域面積更大，“瓶塞”效應進一步增大。因此，僅通過增大鉆孔直徑的方法來提高單孔瓦斯抽采效率是不可行的。“瓶塞”效應根源在于孔邊應力集中造成煤體原生裂隙閉合、致密性增強，應采取有效措施為煤體提供變形空間，避免應力集中作用下煤體中裂隙發生閉合，從而打破瓦斯抽放鉆孔的“瓶塞”效應[3]。

圖2 鉆孔“瓶塞”效應示意圖

2 水力割縫增透機制

水力割縫措施是以高壓力水流為動力，利用高壓水的水楔和沖擊作用，實現對煤體切削、沖刷、剝離，在預定位置形成具有一定深度和厚度的扁平縫槽[4]。采取水力割縫措施，在圖2中的應力增高區域割出一定厚度的縫槽，部分煤體隨高壓水排出，縫槽形成后，破壞了鉆孔周圍煤體原有的應力狀態，在應力重新分布過程中，縫槽周圍的煤體會逐漸向縫槽空間運移并形成大量裂隙，從而打破了“瓶塞”效應，增大了煤層的透氣性，為瓦斯流動提供了新的通道，大大提高煤體瓦斯的抽采效率。

3 工程應用

3.1 工作面概況

井下工程應用在陽泉某礦，該礦設計年生產能力120萬t，目前主采3#煤層，埋深253～711m，煤層顯微煤巖類型以微鏡煤、微鏡惰煤為主，有少量微半絲煤，所測3#煤層瓦斯含量在4.44～8.14m3/t之間，最大煤層原始瓦斯含量值為8.14m3/t，甲烷成分在69.09～98.28%之間。經鑒定該礦井瓦斯等級為“高瓦斯礦井”。

該礦一采區311306回采工作面，該工作面東西兩側分別為井田境界保護煤柱、大巷保護煤柱，北臨311305回采工作面采空區。311306地面標高+900～+930m，工作面標高 +561～+578m，工作面埋深335～365m，工作面老頂巖層為細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖，厚度為10.3m；直接頂巖層為泥巖和砂質泥巖厚度為2.7m。

3.2 瓦斯抽放鉆孔布置

工作面煤層的瓦斯采用鉆孔抽放，分為兩個階段：未卸壓抽放（預抽）和邊采邊抽。利用工作面進風與回風順槽平行于煤層施工瓦斯抽放鉆孔，在工作面回采前可以作為預抽鉆孔對煤層瓦斯進行預抽，同時該預抽鉆孔隨著回采工作面的推進，對工作面前方煤體產生的卸壓區作為邊采邊抽鉆孔，對卸壓煤層進行瓦斯抽放，從而提高瓦斯抽放量，減少煤層開采過程中的瓦斯涌出，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 311306工作面本煤層預抽鉆孔布置圖

根據該礦歷史抽采經驗，單孔有效抽采半徑為2.5m，由于采用水力割縫，設計巷道兩幫鉆孔間距4m，孔深100m，為工作面長度的一半，鉆孔直徑為89mm，采用聚氨酯封孔。圖3中紅色鉆孔為割縫鉆孔，將該工作面地質鉆孔提供的煤巖體力學參數代入割縫深度預測模型[5]進行計算，得出80MPa高壓水的割縫深度為1.203m。水力割縫鉆孔施工完畢后立即進行高壓水切割，每5m切割一次，水壓80MPa。

3.3 割縫后抽采效果分析

（1）割縫對鉆孔周圍煤體的擾動情況。水力割縫通過高壓水將鉆孔周圍煤體剝離并排出，這相當于開采一層極薄煤層，為附近煤巖蠕變運移提供自由空間，使得煤體內部裂隙進一步發育、貫通從而提高煤層滲透率，提升煤體鉆孔瓦斯抽采效果。如表 1 統計所示，3#、7#、11#、15#、21# 割縫鉆孔出煤量共計12.0t，單孔出煤量平均為2.4t，最大出煤量大于3.0t，割縫后鉆孔周圍煤體在周圍應力場、瓦斯流動場的作用下發生流變，擴大了煤體的破碎區、卸壓影響區范圍，促使煤體裂隙發育，大大提高了單孔的有效抽采半徑。

表1 割縫施工現場記錄表

（2）割縫對鉆孔瓦斯抽采量的影響。水力割縫完成后隨機選取5個割縫鉆孔和5個正常抽采鉆孔，對比單孔瓦斯抽采量的情況，統計結果見表2。

由抽采量統計可知，割縫鉆孔的日瓦斯抽采量遠大于未割縫的鉆孔；10天內未割縫鉆孔的平均日瓦斯抽采量為16.88L·min-1，割縫后的為45.42L·min-1，是未割縫鉆孔的2.69倍。由以上10個測點瓦斯抽采量數據分析可知，水力割縫能夠有效打破鉆孔周圍的“瓶塞”效益，使煤體產生流變作用，增大鉆孔周圍煤體的透氣性，為煤體瓦斯流向鉆孔自由空間提供新的通道，提高煤層瓦斯抽采效率。

繪制鉆孔瓦斯累積抽采量，如圖4所示，鉆孔采用水力割縫增透后，煤體內部瓦斯運移通道明顯增加、大大提高了煤體透氣性，提高了瓦斯抽采量。

4 結論

1）鉆孔周圍煤體在應力集中作用下，原生裂隙發生閉合形成致密的煤巖體，阻斷了鉆孔周圍煤體瓦斯向自由空間滲透的通道，形成了瓦斯抽放鉆孔的“瓶塞”效應，嚴重影響煤體瓦斯的抽采效果。

2）水力割縫措施是以高壓力水流為動力，實現對煤體切削、沖刷、剝離，在預定位置形成具有一定深度的扁平縫槽，破壞了鉆孔周圍煤體原有的應力狀態，在應力重新分布過程中，縫槽周圍的煤體會逐漸向縫槽空間運移并形成大量裂隙，從而打破了“瓶塞”效應，為瓦斯流動提供了新的通道，通過現場工程應用證明，水力割縫可以大大提高煤體瓦斯的抽采效率。