姚尚文，盧平，2，余陶

（1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.合肥學院，安徽 合肥 230608）

淮南礦區(qū)現(xiàn)有生產礦井開采深度進入-600m后，煤層瓦斯含量升高、瓦斯壓力增大以及煤與瓦斯突出危險性明顯增強，礦井瓦斯等級升級為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井。目前，礦區(qū)進入A組煤開采階段，礦區(qū)-1000m以上A組煤儲量17.7億噸，A組煤質優(yōu)，發(fā)熱量高，接近6000 kcal，煤的賦存狀態(tài)穩(wěn)定，煤種好，為1/3焦煤，將是淮南礦區(qū)未來主力開采煤層。但A組煤地質條件尤其復雜，斷層構造多，水平地質構造應力大，對安全開采構成較大威脅。

穿層鉆孔預抽卸壓瓦斯是瓦斯治理的有效措施，區(qū)域預抽效果直接影響煤巷掘進的速度以及采面布置，而傳統(tǒng)的穿層鉆孔對于高地應力、低透氣性煤層抽采效果有限，預抽消除突出的效果千差萬別，預抽后區(qū)域驗證消突指標時常超限，嚴重制約巷道施工進度，威脅著安全，影響生產接替。所以，要采取行之有效的措施消除突出威脅，確保A組煤安全開采。因此，迫切需要尋求對多災源地質條件下A組煤開采的災害防治技術和方法，系統(tǒng)研究突出煤層卸壓增透瓦斯強化抽采技術的機理，總結其規(guī)律，指導突出煤層預抽瓦斯消突工作。

1 水力化增透機理與數(shù)值模擬分析

1.1 增透機理

水力化措施一般都是在穿層鉆孔內通過壓力水對鉆孔的煤孔段進行沖刷，將松動的煤體排出鉆孔，使煤孔段的孔徑不斷擴大，鉆孔四周煤體被壓力水不斷重復沖刷，煤體遭到破碎并排出鉆孔。返水排出煤的過程中，煤體破裂區(qū)不斷被剝落，形成孔徑擴大的圓柱體狀洞穴。煤孔段周圍煤體被反復的壓力水加載卸壓擾動，煤體原有地應力場和壓力場的平衡遭到破壞，地應力和瓦斯壓力得到有效釋放，很大程度上緩解了應力集中的可能性。同時，瓦斯運移通道被打開，縮短了預抽時間，明顯提高瓦斯抽采濃度和增大瓦斯抽采量，為瓦斯治理在時間和空間上帶來較大的優(yōu)勢。

鉆孔完成水力沖孔之后，應力在鉆孔兩側沿水平應力方向上可劃分為三帶，即卸壓帶、應力集中帶和原始應力帶。如圖1所示，水力沖孔形成的洞穴半徑要比原鉆孔半徑擴大10倍以上，形成的卸壓帶范圍可達洞穴半徑的6倍。

圖1 煤體水力沖孔增透機理

1.2 水力化措施的水壓與排出煤量和出煤速度關系

通過試驗和理論分析，鉆孔內煤體破碎的程度與沖孔的水壓和時間存在一定的關系，在6-16 Mpa 水壓作用下，沖孔時仍有出煤，隨后再增加水壓，出煤量有所降低。因此，煤體破碎存在臨界水壓，只有在合理的水壓范圍內煤體破碎方可有效，若超過臨界水壓后再增大水壓，煤體的裂隙將會逐漸閉合，透氣性降低水力沖孔水壓與出煤量滿足：q=0.1095P+0.631；沖孔水壓與出煤速度符合V=0.0204P+0.2714；沖孔時間與出煤量滿足關系式：q=1.028lnt-2.786。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 模型建立

瓦斯流動是一種徑向流，運用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，將環(huán)境溫度t設為0、煤層原始瓦斯壓力作為模擬鉆孔的瓦斯壓力，等壓力、無新瓦斯來源補給作為模型的初始條件。

其邊界條件為（式中各參數(shù)含義如表1）：

表1 各參數(shù)含義

為簡便且準確模擬，整理考察煤層的相關參數(shù)（如表2所示），建立的模型如圖2所示。

表2 瓦斯抽采相關參數(shù)

圖2 穿層鉆孔瓦斯模型

1.3.2 模擬結果分析

（1）模擬時，設定模型抽采負壓25 kPa、抽采時間為7 d，瓦斯壓力設定為1.05 MPa，模擬的鉆孔直徑為65 mm。進行水力沖孔后，在煤孔段形成直徑108 mm的洞穴，圖3、圖4是水力沖孔前后鉆孔瓦斯壓力變化的模擬結果。從圖中可看出，水力沖孔后，形成的洞穴相當于鉆孔直徑增大，而鉆孔直徑大小與鉆孔有效影響半徑的變化滿足規(guī)律：影響半徑與洞穴直徑呈正比關系，沖刷后的洞穴直徑越大，水力化措施實施后，對抽采半徑影響范圍有所擴大。沖孔后孔徑增大至108 mm，有效影響半徑增大1.6倍以上。

圖3 原鉆孔瓦斯壓力分布圖

圖4 水力沖孔洞穴瓦斯壓力分布圖

（2）為分析水力沖孔前后對瓦斯抽采的影響效果，模擬鉆孔直徑94 mm，瓦斯壓力設定為 1.0 MPa，分析在抽采時間15 d，鉆孔實施水力沖孔與不實施沖孔的條件下，對形成擴大的鉆孔周圍煤體瓦斯流動規(guī)律進行模擬分析，結果如圖5所示。

從圖5中可看出，抽采15 d以后，在水力沖孔的措施下，沖孔的鉆孔周圍一定范圍內的瓦斯已被抽采殆盡，其周圍瓦斯壓力也幾乎下降到0，瓦斯抽采率基本到達100%；而沒有進行水力沖孔時，一定的瓦斯壓力仍存在于鉆孔周圍，抽采鉆孔在負壓作用下使四周瓦斯源源不斷流入，說明鉆孔周圍瓦斯抽采率比沖孔后低，而且在抽采時間相同的情況下，瓦斯抽放總量也比沖孔后少，充分說明采取水力沖孔措施對提高瓦斯抽采效果是十分有效的。

圖5 煤體水力沖孔增透機理

（3）通過MATLAB軟件在鉆孔抽采時間不同的條件下，考察穿層鉆孔進行水力沖孔和不進行水力沖孔的情況下，模擬抽采鉆孔的瓦斯壓力和瓦斯壓力梯度隨時間變化的情況并進行具體分析，圖6是水力沖孔前后瓦斯壓力模擬結果。

圖6 抽采15 d，實施水力沖孔與未實施瓦斯壓力及梯度比較圖

從圖6實施水力沖孔與未實施沖孔的情況下，瓦斯壓力與梯度變化三維比較圖中可以分析得到：在沒有進行水力沖孔的情況下，煤層瓦斯壓力下降緩慢，而且從開始抽采到抽采15 d，鉆孔周圍瓦斯壓力仍然在2 MPa左右，瓦斯壓力變化趨勢很小，瓦斯壓力下降不是很明顯，說明煤層透氣性小，瓦斯流動阻力大，說明要繼續(xù)延長瓦斯抽采時間才能起到一定的抽采效果。反過來說明，在沒有實施水力沖孔措施情況下鉆孔抽采瓦斯的有效時間短，抽采率低，同時也說明抽采瓦斯量較少；而在實施水力沖孔后，一定范圍內，中間鉆孔四周煤壁瓦斯壓力衰減較快，這主要是因為實施水力沖孔措施后，鉆孔四周煤壁的煤層透氣性系數(shù)增大了幾倍甚至幾十倍，加快沖孔的鉆孔周圍瓦斯流動速度，提高了瓦斯排放能力，導致瓦斯壓力迅速下降。同時也說明在水力沖孔后，瓦斯抽放的有效時間延長了，也提高了瓦斯抽采率。

2 水力化措施工程試驗

2.1 工藝設備

將供水管路與乳化液壓裂泵、水箱和沉淀池進行連接，并在管路上安裝好壓力表、防瓦斯超限裝置、噴頭等組成水力沖孔系統(tǒng)，工藝施工布置如圖7所示。

圖7 水力沖孔系統(tǒng)布置示意圖

2.2 水力沖孔試驗

2.2.1 試驗地點概況

水力沖孔試驗地點選在潘二礦11123底抽巷內進行。潘二礦位于安徽省淮南市西北部，明龍山以南，淮河以北。井田走向長10.1 km，傾斜寬1.04～3.4 km，井田面積19.7 km。試驗工作面位于潘二礦一水平東一采區(qū)，東起東一A組煤采區(qū)上山，西以設計標高為準，北沿11223上順槽沿空掘進，南以設計標高為準。上覆11124工作面已回采，下伏1煤無采掘活動。上限標高為-429 m，下限標高為-497 m。工作面可采走向長1345 m，傾斜長160 m。該區(qū)域1煤、3煤為突出煤層，煤層傾角平均為12°，1煤厚平均3.5 m，3煤5 m。

2.2.2 11123工作面底抽巷水力沖孔試驗一

（1）水力沖孔布置

在11123采煤工作面的底板抽采巷內，施工上向穿層鉆孔，鉆孔必須穿過A1、A3煤層，以抽采卸壓瓦斯，對工作面上、下順槽及工作面消突，鉆孔一次穿透A1、A3煤。設計水力沖孔考察方法如下：共布置6個鉆孔，其中，1#-3#鉆孔設計為抽采鉆孔，彼此間距2 m；4#、5#鉆孔設計為測壓孔，間距4 m；6#鉆孔設計為水力沖孔，與各鉆孔平行布置。6#孔與3#孔最近，距離2 m；與4#孔最遠，間距8 m。鉆孔布置情況如圖8、圖9所示。

圖8 潘二礦11123考察鉆孔布置平面圖

圖9 潘二礦11123考察鉆孔布置剖面圖

（2）效果分析

a.水力沖孔措施實施增大了煤孔的孔徑，加大了鉆孔四周煤體的透氣性

通過理論分析，水力沖孔是利用高壓水射流對鉆孔的煤體段進行反復沖刷，破碎煤體，從而改變鉆孔周圍煤層賦存狀態(tài)，其本質是利用煤體破裂區(qū)不斷被剝落，形成孔徑擴大的圓柱體狀洞穴，壓力梯度大、應力集中作用于煤體，使煤體難以承載超載應力，從而產生塑形應變形成卸壓區(qū)，應力集中區(qū)慢慢轉移至孔壁的深部，也逐漸降低了應力梯度，最終恢復到原始應力區(qū)。孔壁四周煤層應力最終重新分布，達到平衡。通過試驗，鉆孔周圍煤體卸壓程度與水力沖孔沖出的煤量多少成正比例關系，即煤量被沖出的越多，鉆孔四周煤體卸壓就更充分。施工完6#考察鉆孔后，立即連接水力沖孔系統(tǒng)裝置，經(jīng)過28 h水力沖孔，共沖出的煤量達58.4 t，每米鉆孔被沖出2.26 t的煤量，類似于在鉆孔內沖出一個直徑1.58 m的圓柱體，從而在煤體中形成一個很大的空洞，擴大了卸壓范圍，有效提高煤層的滲透性和卸壓作用。

b.分析煤層抽采效果及影響半徑

實施水力沖孔后，沖出的煤量及返出鉆孔的水，使煤體內孔隙壓力發(fā)生變化，導致地應力大小發(fā)生不一致的變化，最終造成地應力場的變化。 4#、5#考察孔瓦斯壓力變化趨勢如圖10；3#考察孔抽采純量及濃度變化如圖11所示。水力沖孔試驗前，4#和5#鉆孔瓦斯壓力1.35 MPa左右。水力沖孔實施后，4#測壓孔壓力逐漸下降，最后穩(wěn)定在1.05 MPa。5#測壓孔瓦斯壓力逐漸下降到 0.64 MPa，降幅30%以上，有效影響半徑達到8 m以上。3#抽采鉆孔離水力沖孔鉆孔最近（水平間距2.0 m），水力沖孔前瓦斯抽采純量0.04 m/min，水力沖孔結束后最大抽采瓦斯純量0.18 m/min，增大了4.5倍；2#抽采孔距水力沖孔4 m，抽采量在沖孔后也增加了1.5倍；1#抽采孔距離6#孔6 m，抽采量在沖孔后增加較少。上述試驗結果說明卸壓增透效果最充分的是距離6#孔最近的3#抽采鉆孔，2#孔也有一定影響，由此可判斷影響范圍超過4 m。

圖10 測壓鉆孔壓力變化趨勢圖

圖11 3#抽采孔抽采純量及抽采濃度變化趨勢圖

2.2.3 水力沖孔試驗二

（1）鉆孔布置

在11123底抽巷，利用穿層鉆孔進行試驗，鉆孔布置模式：考察鉆孔終孔間距按5×7 m設置，每組布置8個鉆孔，間距7 m。為掩護11123工作面順槽掘進，應提前在其底板巷施工穿層鉆孔進行預抽，為提高抽采效果，在每組鉆孔之間施工兩個鉆孔實施水力沖孔，達到卸壓增透強化的效果。抽采鉆孔及水力沖孔布置如圖12。

圖12 11123底抽巷考察鉆孔布置示意圖

（2）效果分析

a.在鉆孔間距中間布置兩個測壓鉆孔P1、P2，考察殘余瓦斯壓力，布置如圖12所示，壓力變化曲線考察結果如圖13。經(jīng)分析，在連續(xù)抽采的時間段內，P2鉆孔瓦斯壓力變化?。ǚ€(wěn)定在1.35 Mpa），說明水力沖孔的實施沒影響到P2鉆孔；而對于P1鉆孔，剛開始采取水力化措施時，瓦斯壓力下降速度較快，經(jīng)過30 d抽采后，壓力下降逐漸變得緩慢并趨于穩(wěn)定在0.52 MPa，比突出指標臨界值 0.74 MPa小。因此，抽采時間30 d，鉆孔有效抽采半徑從4 m增大到5 m。顯然，鉆孔有效抽采半徑和影響范圍在采取水力沖孔措施后得到很大提高。

圖13 瓦斯壓力隨抽采時間變化圖

b.瓦斯抽采量變化考察結果如圖14。從圖中可看出，經(jīng)過20 d的抽采，未實施水力化措施前，瓦斯抽采量較?。ㄆ骄鶅H0.44 m/min，繼續(xù)抽采后，抽采量逐漸下降至0.25 m/min）；實施水力化措施后，瓦斯抽采量明顯增大（最大1.5 m/min，平均1.18 m/min），繼續(xù)抽采后有所下降并逐漸趨于穩(wěn)定至1.05 m/min，抽采量是未實施水力沖孔的2.68倍，瓦斯抽采效果顯著提高。

圖14 抽采瓦斯流量隨時間變化圖

c.煤層透氣性系數(shù)及突出指標在水力沖孔前后變化如表3所示。

表3 考察煤層透氣性系數(shù)及突出指標在水力沖孔前后變化表

3 主要結論

（1）在抽采30 d的時間內，實施水力沖孔措施后，鉆孔有效抽采半徑由沖孔前的4 m提高到5 m，增加了1.25倍，瓦斯有效抽采半徑和影響范圍得到進一步擴大。

（2）在未實施水力沖時，瓦斯抽采量平均0.44 m/min，而實施水力沖孔措施后，鉆孔瓦斯抽采量達1.18 m/min，增大了2.68倍，瓦斯抽采量和抽采效果在實施水力化措施后有了明顯提高。

（3）煤體透氣性系數(shù)在實施水力沖孔措施后增加到0.473，提高了2.5倍，瓦斯衰減系數(shù)是原先的0.33倍。水力化措施增加瓦斯預抽量，對降低煤層瓦斯壓力和增加煤體透氣性都有一定的效果。經(jīng)測定，突出危險性指標參數(shù)得出所有指標都比其突出臨界值小，說明實施水力化措施可以使煤層突出危險性大大降低，煤巷的安全掘進可得到有效 保障。