趙高清

(山西西山晉興能源有限責(zé)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(yīng)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(chǎn)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(nèi)外學(xué)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(yù)裂爆破、二氧化碳預(yù)裂爆破等[6-7]。周西華和畢建乙等在山西武鄉(xiāng)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(chǎn)的效果[8]。高亞斌等在水力割縫的基礎(chǔ)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(qū)采用連續(xù)多次水力壓裂技術(shù)，建立壓裂后新縫的臨界夾角數(shù)理模型并應(yīng)用實際，表明初次裂縫可繼續(xù)拓展，增大有效支撐區(qū)，同時會產(chǎn)生新的裂縫并發(fā)生轉(zhuǎn)向，顯著改造了煤層裂隙[10]。

文中運用理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗方法[11]，結(jié)合河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)斜溝煤礦18205工作面，開展水力沖孔增透技術(shù)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(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用提供理論技術(shù)指導(dǎo)[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(yīng)力分布

|r|=c+σtanφ

(1)

式中：r—剪應(yīng)力，MPa；c—內(nèi)聚力，MPa；σ—正應(yīng)力，MPa；φ—內(nèi)摩擦角，(°)。

圖1 莫爾強度準(zhǔn)則

根據(jù)在不同受力面施加載荷，可在斜面處發(fā)生剪切破壞，則斜面上正應(yīng)力與剪應(yīng)力的表達式

(2)

將上式變形可得如下圓的方程，即

(3)

根據(jù)應(yīng)力圓可得煤體在不同應(yīng)力作用下所形成的極限應(yīng)力圓，這些極限應(yīng)力圓的公切線為莫爾圓包絡(luò)線[18]。

圖2 完整煤巖體Mohr強度曲線

2 數(shù)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(shè)為固定邊界，上邊界設(shè)置為壓力邊界，按測壓系數(shù)1.0進行模型賦值，將水力沖孔鉆孔布置在煤層內(nèi)，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(jù)地質(zhì)材料各巖層具體參數(shù)值和模型計算主要參數(shù)見表1和表2，模型如圖3所示。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖3 沖孔造穴數(shù)值模型

通過圖4發(fā)現(xiàn)，隨著水力沖孔造穴半徑的增大，孔穴周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且隨著造穴半徑的增大，孔穴周圍的煤體應(yīng)力范圍也會逐漸增大，當(dāng)孔穴半徑為0.3 m時，孔穴周圍煤體應(yīng)力卸載區(qū)域逐漸增大，軸向應(yīng)力不斷增大，孔穴周圍的煤體應(yīng)力會隨著造穴半徑的增大繼續(xù)擴展，即軸向應(yīng)力在增大，并且隨著造穴半徑的增大，孔穴周圍的應(yīng)力區(qū)域會出現(xiàn)相互連接，再次會出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)造穴半徑達到0.8 m時，孔穴周圍的煤體應(yīng)力相互影響已經(jīng)相當(dāng)明顯，應(yīng)力集中區(qū)連在一起。通過數(shù)值模擬得到的結(jié)果提取相關(guān)數(shù)據(jù)可得到距離孔穴不同位置的應(yīng)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(yīng)力越低，而且不同半徑的孔穴水平應(yīng)力分布的趨勢是一致的。不同造穴半徑的孔穴其應(yīng)力在該孔周圍呈對稱分布，但不同半徑的空穴最終區(qū)域穩(wěn)定值，與模擬結(jié)果基本吻合，其最大值約為1.53 MPa。模擬結(jié)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(xiàn)卸壓疊加區(qū)域，其卸壓效果更明顯。

表1 煤巖體各相關(guān)力學(xué)參數(shù)

表2 模型計算主要參數(shù)

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(yīng)力云圖

圖5 沖孔造穴不同階段水平應(yīng)力分布

3 現(xiàn)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(cè)，隸屬于興縣魏家灘鎮(zhèn)和保德縣南河溝鎮(zhèn)，屬于河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)，主采煤層為8#、13#煤，煤層結(jié)構(gòu)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(shù)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(qū)輔助運輸下山南側(cè)，東部、南部、西部均為實煤區(qū)。工作面標(biāo)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(fēng)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?jié)舛容^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(shù)。根據(jù)現(xiàn)場具體情況，設(shè)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(wěn)定，以便充分切割煤體。為擴大沖孔效果，應(yīng)保證多次沖孔，直到鉆孔內(nèi)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(lián)網(wǎng)抽采。

圖6 水力沖孔布置

3.3 試驗結(jié)果

沖孔后對有效影響半徑的影響：實施水力沖孔增透技術(shù)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(yù)抽之后，整體煤層的預(yù)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(yù)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(guān)系見式(4)，其簡化表達式見式(5)，根據(jù)表達式(4)、(5)可知，當(dāng)工作面煤體的預(yù)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(biāo)準(zhǔn)[10]。本文將煤層內(nèi)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(shù)；PCY—煤層殘余相對瓦斯壓力，MPa；Pa—標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)，煤體開始松動，鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)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(jié)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(qū)域瓦斯抽采孔進行聯(lián)網(wǎng)抽采，共進行29 d的連續(xù)監(jiān)測。水力沖孔區(qū)與非沖孔區(qū)瓦斯抽采濃度和純量監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。由圖8發(fā)現(xiàn)，非水力沖孔區(qū)鉆孔瓦斯最大濃度為10.5%，最小值是2.3%，平均是5.27%，聯(lián)網(wǎng)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(qū)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(qū)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(shù)據(jù)證明：進行水力沖孔后，沖孔區(qū)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(qū)瓦斯抽采平均濃度是非壓裂區(qū)的4.57倍，最高抽采濃度也是非壓裂區(qū)的3.26倍，瓦斯抽采平均純量為非壓裂區(qū)的9.5倍，最高抽采純量為非壓裂區(qū)的7.5倍，抽采效果顯著提高。

壓裂影響區(qū)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(qū)煤層的透氣性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)水力沖孔區(qū)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(qū)與非水力沖孔區(qū)瓦斯抽采濃度；b-水力壓裂區(qū)與非水力壓裂區(qū)瓦斯抽采純量圖8 沖孔造穴后鉆孔瓦斯?jié)舛燃俺椴闪?/p>

4 結(jié)論

(1)隨著水力沖孔造穴半徑的增大，孔穴周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且隨著造穴半徑的增大，孔穴周圍的煤體應(yīng)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(dāng)卸壓半徑達到3 m，水平方向會出現(xiàn)卸壓疊加區(qū)域，其卸壓效果會更明顯。

(2)現(xiàn)場試驗得到18205工作面水力沖孔后透氣性系數(shù)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(jié)約了鉆孔施工量，縮短了瓦斯抽采周期。