程子華

（1.河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

1 引言

我國(guó)部分煤礦具有高瓦斯、低滲透性等特點(diǎn)，導(dǎo)致煤層瓦斯抽采效率低、抽采周期長(zhǎng)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)［1-3］。因此通過(guò)多種技術(shù)方法使得煤層增透，提高瓦斯抽采率，其中水力沖孔是有效的煤層增透技術(shù)措施。

水力沖孔是利用高壓水射流將鉆孔圍巖破壞，圍巖產(chǎn)生裂隙、縫隙提高煤層的滲透率，并且可使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)變成游離瓦斯，游離瓦斯通過(guò)裂隙、裂縫排除。通過(guò)以上兩方將提高煤層瓦斯抽采效率［4-7］。

而監(jiān)測(cè)水力沖孔有效半徑，能檢驗(yàn)煤層增透效果。目前學(xué)者對(duì)有水力沖孔效半徑進(jìn)行了研究。楊帥［8］等建立基于Klinkenberg效應(yīng)的瓦斯運(yùn)移氣固耦合模型，并利用該模型進(jìn)行模擬不同出煤量條件下水力沖孔的有效半徑；華明國(guó)［5］等針對(duì)傾斜煤層水力沖孔有效半徑進(jìn)行研究，模擬發(fā)現(xiàn)沿煤層傾向方向水力沖孔有效影響半徑存在差異，由于煤層傾角較大沖孔影響范圍呈橢圓形分布，對(duì)沿煤層傾向位于沖孔上部的煤層影響效果比位于沖孔下部大 ；郝從猛［9］等利用 COMSOL Multiphysics模擬造穴后瓦斯抽采有效半徑，計(jì)算合適的布孔間距，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證了合理性；陶云奇［10］等通過(guò)水力沖孔物理模擬系統(tǒng)研究水力沖孔卸壓增透機(jī)理以及瓦斯運(yùn)移規(guī)律；夏善奎［11］等對(duì)視電阻率法進(jìn)行反演水力沖孔有效半徑的原理進(jìn)行解釋?zhuān)⒃诂F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了該方法的有效性；王峰［12］等采用煤層瓦斯含量法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究水力沖孔有效半徑與沖煤量、抽采期的關(guān)系，并根據(jù)研究總結(jié)出中馬村礦最佳水力沖煤量和抽采期。

有效半徑的研究多為模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量水力沖孔有效半徑一般采用煤層瓦斯壓力法和煤層瓦斯含量法［13-14］，鮮有采用監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化進(jìn)行測(cè)量有效半徑。薛湖煤礦煤層瓦斯含量高、透氣性低，采用順層水力造穴技術(shù)進(jìn)行消突，并采用自主研制應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水力造穴周?chē)后w應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此測(cè)量造穴有效半徑。研究結(jié)果對(duì)確定水力沖孔有效半徑具有一定指導(dǎo)意義，對(duì)于其它類(lèi)似工作面或礦井的瓦斯治理及突出防治也具有參考價(jià)值。

2 工作面概況

河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦位于河南省永城市北部，井田地質(zhì)儲(chǔ)量2.021億t，可采儲(chǔ)量8674萬(wàn)t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/年，服務(wù)年限51.6年。其主采煤層為二2煤層，該煤層經(jīng)突出危險(xiǎn)性鑒定為突出煤層。

25采區(qū)位于薛湖井田東部，走向長(zhǎng)度約3070m，傾斜長(zhǎng)度約950m，開(kāi)采標(biāo)高-760~-600m。25采區(qū)所在的二2煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖，直接底板為細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖。采區(qū)內(nèi)煤層厚度為2.4~3.3m，平均厚約2.5m。煤層傾角一般在5~11°，平均9°。煤層平均瓦斯壓力為0.99MPa，平均瓦斯含量為8.11m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.0861m2/（MPa2.d），百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為1.38d-1，煤層硬度較大，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.22~0.4059。

項(xiàng)目試驗(yàn)研究地點(diǎn)為25采區(qū)25040工作面機(jī)巷K2區(qū)域，25040工作面位置如圖1所示。

圖1 25040工作面位置示意圖

3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括應(yīng)力傳感器（含應(yīng)力感應(yīng)器、高壓油管、三通閥和監(jiān)測(cè)儀）、安裝桿、手動(dòng)注油泵和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀等部件，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

應(yīng)力傳感器（圖2中1所示）為應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置的主要部件，通過(guò)應(yīng)力感應(yīng)彈片（圖2中6所示）將煤巖所受應(yīng)力轉(zhuǎn)換為油壓，彈片可以外探或內(nèi)收；手動(dòng)注油泵（圖2中9所示）將油液經(jīng)過(guò)三通閥（圖2中3所示）、高壓油管（圖2中2所示）給應(yīng)力感應(yīng)器施加油壓；監(jiān)測(cè)儀（圖2中5所示）采集、顯示并記錄油壓值。各部件的實(shí)物如圖3所示。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置實(shí)物圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

水力沖孔施工前，進(jìn)行應(yīng)力計(jì)的安裝工作。在25040機(jī)巷中布置一組應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔，用于監(jiān)測(cè)水力沖孔周?chē)后w的應(yīng)力變化。水力沖孔與監(jiān)測(cè)孔的位置關(guān)系如圖4所示，圖中A孔為水力沖孔，1、2、3、4號(hào)孔為應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔。水力沖孔和應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔的參數(shù)如表1所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 水力沖孔和應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔鉆孔參數(shù)

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，各孔初始應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初始應(yīng)力數(shù)值

由于2#孔儀器出現(xiàn)漏油，導(dǎo)致2#孔無(wú)數(shù)據(jù)。由表2可知，有效孔的平均初始應(yīng)力值為19.23MPa，其中1#鉆孔初始應(yīng)力值最大，為20.28MPa，應(yīng)力值最小為3#鉆孔的18.33MPa。由于測(cè)點(diǎn)距工作面較遠(yuǎn)，且測(cè)點(diǎn)附近未受到其他作業(yè)活動(dòng)的影響，因此所測(cè)得的應(yīng)力值接近原巖應(yīng)力值。由測(cè)得數(shù)據(jù)可知25040機(jī)巷煤層原巖應(yīng)力值較大，應(yīng)力值約為19MPa。結(jié)合25040工作面開(kāi)采深度以及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工過(guò)程中出現(xiàn)吸鉆、卡鉆現(xiàn)象，表明應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，可準(zhǔn)確反映出鉆孔周?chē)鷳?yīng)力變化特征。

4.2 水力沖孔周?chē)簩討?yīng)力演化規(guī)律

（1）水力沖孔過(guò)程應(yīng)力演化。水力沖孔期間，三個(gè)有效監(jiān)測(cè)點(diǎn)中僅有離沖孔最近的1#應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)值發(fā)生較大變化，距沖孔較遠(yuǎn)距離的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)值無(wú)明顯變化。水力沖孔過(guò)程中，1#應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化如圖5所示。

圖5 水力沖孔期間1#傳感器應(yīng)力變化值

在水力沖孔期間，距離孔穴較近的1#監(jiān)測(cè)孔應(yīng)力數(shù)值先保持穩(wěn)定后小幅上升最后下降，但變化幅度不大。此時(shí)處在水力沖孔前期，高壓水尚未充分進(jìn)入鉆孔周?chē)后w，導(dǎo)致煤體破壞范圍未達(dá)到1#孔附近，并且煤體遭到破壞后原巖應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整需要時(shí)間，故監(jiān)測(cè)應(yīng)力數(shù)值保持穩(wěn)定；隨著水力沖孔作用的進(jìn)行，鉆孔周?chē)后w受高壓水射流的影響產(chǎn)生破裂，并在鉆孔周?chē)徛纬尚秹簠^(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，并且三區(qū)的位置隨沖孔作用的進(jìn)行不斷向外遷移。在此過(guò)程中1#測(cè)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)將處于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，因此1#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)短暫而輕微的上升；隨著水力沖孔作業(yè)的進(jìn)行，高壓水射流將鉆孔周?chē)后w破壞，產(chǎn)生裂隙、裂縫，改變煤體的結(jié)構(gòu)，使原巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，并且引起應(yīng)力集中區(qū)遷移，此過(guò)程中1#測(cè)點(diǎn)所在位置由應(yīng)力集中區(qū)過(guò)度至應(yīng)力卸壓區(qū)，故1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值不斷下降。

（2）水力沖孔后煤層應(yīng)力變化規(guī)律。水力沖孔完成后，1#、3#和4#應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)力變化如圖6所示。當(dāng)水力沖孔施工完成后，水力沖孔導(dǎo)致鉆孔周?chē)簩討?yīng)力場(chǎng)重新分布，由近及遠(yuǎn)形成應(yīng)力三區(qū)，而1#孔距水力沖孔較近處于卸壓區(qū)內(nèi)，故應(yīng)力值急劇下降，第9天后，1#測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力調(diào)整完成，此后應(yīng)力值保持平穩(wěn)。

圖6 水力沖孔后應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化

當(dāng)水力沖孔完成后第7天時(shí)，3#測(cè)孔開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力升高現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力峰值升高至22.5MPa后，應(yīng)力值開(kāi)始出現(xiàn)跌落，這一現(xiàn)象是由于水力沖孔導(dǎo)致的煤體應(yīng)力場(chǎng)變化，應(yīng)力三區(qū)向外遷移的結(jié)果。

4#監(jiān)測(cè)孔在第15天出現(xiàn)應(yīng)力攀升，表明此時(shí)的應(yīng)力集中區(qū)遷移至4#監(jiān)測(cè)孔位置。

表3 水力沖孔前后監(jiān)測(cè)孔應(yīng)力值

水力沖孔完成后，隨時(shí)間推移應(yīng)力場(chǎng)逐漸穩(wěn)定，1#測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定應(yīng)力值為6.08MPa，3#測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定應(yīng)力值為13.18MPa，4#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值持續(xù)上升，并最終穩(wěn)定在26.31MPa左右。1#、3#孔應(yīng)力值相比于水力沖孔前的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得煤層原始應(yīng)力值出現(xiàn)下降，應(yīng)力值分別跌落70%和28%，而4#孔應(yīng)力值相比于水力沖孔前應(yīng)力值升高38.4%。根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，水力沖孔施工后，鉆孔周?chē)后w應(yīng)力三區(qū)呈現(xiàn)逐漸向深部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，水力沖孔有效半徑約為2.4m。

4.3 單孔線(xiàn)造穴瓦斯含量考察

在25040機(jī)巷單孔線(xiàn)造穴試驗(yàn)完成后，為驗(yàn)證采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)法推算出的有效半徑的可靠性，在該區(qū)域進(jìn)行殘余瓦斯含量和瓦斯壓力測(cè)定，取樣鉆孔位置如圖7所示，在3個(gè)測(cè)點(diǎn)考察煤層原始瓦斯含量和瓦斯壓力，所測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖7 取樣鉆孔布置圖

表4 水力沖孔A孔造穴前后瓦斯含量和瓦斯壓力對(duì)比

圖8 水力沖孔前后瓦斯參數(shù)對(duì)比

由上可知25040工作面機(jī)巷線(xiàn)煤層原始瓦斯含量為7.6m3/t，計(jì)算煤層瓦斯壓力為0.49MPa。在進(jìn)行水力沖孔并瓦斯抽采30 d后，對(duì)煤層殘余瓦斯含量和瓦斯壓力進(jìn)行測(cè)定。距A孔1.2m處的測(cè)量點(diǎn)a的殘余瓦斯含量為3.1m3/t，計(jì)算瓦斯壓力為0.16MPa，此時(shí)相比于水力沖孔前瓦斯含量降低59%，瓦斯壓力下降了67%。距A孔2m處的測(cè)量點(diǎn)b的殘余瓦斯含量為5.4m3/t，計(jì)算瓦斯壓力為0.31MPa，相比于水力沖孔前瓦斯含量下降和瓦斯壓力值分別下降29%、37%。而距離A孔2.8m處的取樣鉆孔c的殘余瓦斯含量和瓦斯壓力相比于水力沖孔前無(wú)變化。

水力沖孔鉆孔抽采30 d后a、b兩考察孔的瓦斯含量和瓦斯壓力出現(xiàn)明顯下降。而距離A孔2.8m處的測(cè)量點(diǎn)c的殘余瓦斯含量和瓦斯壓力沒(méi)有明顯下降。經(jīng)殘余瓦斯含量法及瓦斯壓力法測(cè)定，25040機(jī)巷水力沖孔的卸壓增透有效半徑約為2.4m。此數(shù)值與采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)法測(cè)得有效半徑相同，故應(yīng)力監(jiān)測(cè)法測(cè)得有效半徑值準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本文采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法對(duì)水力沖孔有效半徑進(jìn)行測(cè)量，分析水力沖孔周?chē)后w應(yīng)力變化特征，確定了順層水力沖孔有效影響半徑。得到了以下結(jié)論：

（1）水力沖孔期間，鉆孔周?chē)后w應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，形成應(yīng)力三區(qū)，距離鉆孔較近的煤體處于應(yīng)力集中區(qū)，故應(yīng)力值增長(zhǎng)，較遠(yuǎn)處煤體處于原巖應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力值無(wú)變化。

（2）水力沖孔完成之后，原巖應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整完成，在水力沖孔有效影響范圍內(nèi)的煤體卸壓，應(yīng)力下降，而卸壓范圍以外的煤層應(yīng)力形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值升高。

（3）水力沖孔完成后，距離孔穴0.8m、2.4m處的煤體應(yīng)力值均下降，下降幅度分別為70%、28%，而3.2m處的應(yīng)力值則上升38.4%?？梢钥闯隹籽ǜ浇后w的應(yīng)力向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，線(xiàn)造穴有效影響半徑約為2.4m。

（4）采用殘余瓦斯含量法及瓦斯壓力法所得水力沖孔有效半徑與應(yīng)力監(jiān)測(cè)法測(cè)得值一致，故用自主研發(fā)應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀可準(zhǔn)確測(cè)算有效半徑。