華 帥 田坤云

(1.河南能源化工集團(tuán)，鄭州 450046；2.安陽市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司 安陽市煤礦智能開采工程技術(shù)研究中心，河南 安陽 455100；3.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，鄭州 451191)

我國煤礦瓦斯抽采工作存在著極大的技術(shù)瓶頸和困難。據(jù)統(tǒng)計，全國95%以上的高瓦斯和突出礦井開采的煤層屬于低透氣性煤層，滲透率多在10-3～10-4md數(shù)量級，瓦斯抽采(特別是預(yù)抽)影響范圍小、衰減速度快、抽采難度大。如河南能源集團(tuán)所轄的焦作與安陽、鶴壁礦區(qū)開采技術(shù)條件復(fù)雜，主采煤層為山西組二1煤，煤層瓦斯含量高、壓力大，瓦斯治理難度大。煤層瓦斯含量13.91～42 m3/t，瓦斯壓力0.72～3.05 MPa，煤層透氣性系數(shù)0.11～5.64 m2/MPa2·d，屬單一低滲突出煤層。由于區(qū)域內(nèi)不具備保護(hù)層開采條件，瓦斯治理技術(shù)措施以井下預(yù)抽煤層瓦斯為主[1-2]。

因此必須要對煤層采取卸壓增透技術(shù)，其中一個有效措施便是水力沖孔，該技術(shù)是通過對水體加壓，將鉆孔周邊的煤體大量沖出，在煤體中形成一個大的孔洞，從而對煤體卸壓增透，同時在水力的沖刷及圍壓的作用下，煤體的孔隙裂隙大大發(fā)育，從而提高煤體的透氣性，增加煤體的濕潤程度，有效降低煤層壓力[3-4]。

每位患者制定一位家庭成員，將所有成員組織定期培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容主要是有關(guān)2型糖尿病的醫(yī)學(xué)知識，血糖監(jiān)測方法，用藥方法等，提高家屬的知識水平和認(rèn)知程度、重視程度等。

根據(jù)表2中的配合比，制備尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的混凝土試件，每個規(guī)格試件的數(shù)量為2個。另外，制備混凝土強(qiáng)度測試的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，每個規(guī)格各3個(150 mm×150 mm×150 mm)，在標(biāo)準(zhǔn)條件(環(huán)境溫度20±5 ℃，相對濕度95 %以上)下養(yǎng)護(hù)28 d。測試得到的試驗混凝土28 d強(qiáng)度，如表2。

主焦煤礦采取了水力沖孔的措施對煤層進(jìn)行卸壓增透，由于主焦煤礦屬于臨突礦井主動升級煤與瓦斯突出礦井，前期對水力沖孔設(shè)備設(shè)施投入不到位，造成水力沖孔工作進(jìn)展緩慢，同時對水力沖孔技術(shù)的利用效率較低。礦井開展并進(jìn)行了水力沖孔技術(shù)革新工作，以理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實踐的方式，從水力沖孔的基礎(chǔ)設(shè)計內(nèi)容角度出發(fā)，對水力沖孔在主焦煤礦實際應(yīng)用中的沖孔設(shè)計參數(shù)、水力沖孔的檢驗指標(biāo)等進(jìn)行了逐一試驗，得到了基于沖孔擾動力學(xué)原理合理選取的布置間距，并在主焦煤礦實現(xiàn)了理論到實踐的技術(shù)過渡，在推進(jìn)煤礦瓦斯治理工作科技化與高效化的同時，也為同工況條件的煤礦瓦斯治理工作提供了理論幫助與技術(shù)經(jīng)驗。

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，中美雙邊貿(mào)易取得了極大的進(jìn)展，但是金融危機(jī)的爆發(fā)使世界經(jīng)濟(jì)進(jìn)入到了一個調(diào)整期，中美兩國產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整加劇了中美雙邊貿(mào)易的不平衡性，目前中美兩國之間的貿(mào)易摩擦主要集中在中國不具優(yōu)勢的技術(shù)知識領(lǐng)域和中國具有優(yōu)勢的出口領(lǐng)域。中美貿(mào)易摩擦對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了許多的負(fù)面影響，緩解中美貿(mào)易摩擦，推動我國對外貿(mào)易的發(fā)展已經(jīng)成為了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要內(nèi)容。

1 沖孔地點(diǎn)及步驟

1.1 沖孔測試地點(diǎn)的選擇

圖1 水力沖孔抽采半徑測試孔布置圖

表1 瓦斯抽采半徑考察測試孔和預(yù)抽孔布置參數(shù)

1.2 測定步驟及結(jié)果

按照鉆孔布置參數(shù)，先在煤層中依次施工1#～7#測試孔，鉆孔孔徑Φ94 mm，設(shè)計孔深29 m，采用“兩堵兩注”方式封孔，封孔深度自孔口至煤層；同時，利用測試孔取樣，進(jìn)行煤層原始瓦斯含量測試。每天定時測定1#～7#鉆孔單孔瓦斯流量，在1#～7#鉆孔測流至少3 d后，施工水力沖孔鉆孔并進(jìn)行水力沖孔增透促抽措施，擴(kuò)孔之后對該水力沖孔鉆孔按照“兩堵兩注”封孔工藝進(jìn)行封孔和接抽，繼續(xù)每天定時測定1#～7#鉆孔瓦斯流量，繪出各測試鉆孔的瓦斯流量變化曲線；在給定的抽采時間內(nèi)，如果1#～7#鉆孔中某一個測試鉆孔的流量突然增加，表明該測試孔受到水力沖孔鉆孔的卸壓增透效應(yīng)影響；帶抽后隨著抽采時間的延長，當(dāng)該測試孔流量突然減小，偏離其鉆孔瓦斯自然衰減曲線，表明該測試孔處于水力沖孔鉆孔的抽采影響半徑之內(nèi)；符合該條件的測試孔距水力沖孔鉆孔最遠(yuǎn)距離即為對應(yīng)預(yù)抽時間下的抽采影響半徑[9]。

按照以上測試方法，測定穿層鉆孔不同預(yù)抽時間下的水力沖孔與不沖孔時鉆孔抽采影響半徑，結(jié)果如表2所示。

表2 抽采半徑測定結(jié)果表

2 沖孔布置間距理論及數(shù)值模擬分析

效果檢驗部分以抽采流量和抽采濃度為因變量，時間為自變量，繪制曲線圖如圖6所示。

鉆孔間瓦斯壓力分布云圖如圖4所示。

圖2 鉆孔周圍瓦斯排放區(qū)域示意圖

由公式(1)可知，主焦煤礦的鉆孔布置間距選取同時考慮到了鉆孔應(yīng)力分區(qū)模型和抽采鉆孔區(qū)域覆蓋性的影響。其模擬設(shè)置參數(shù)表如表3。

沖孔地點(diǎn)盡可能布置在煤層賦存穩(wěn)定、頂?shù)装逋暾?、裂隙不發(fā)育的礦井未采區(qū)域。經(jīng)項目組成員現(xiàn)場考察，2303工作面底板巷距03D2點(diǎn)通尺295 m處至330 m處，煤層及其頂板賦存穩(wěn)定，符合此次水力沖孔抽采影響半徑測試條件，則在此區(qū)域布置1個水力沖孔抽采孔和7個測試孔。其中8號孔為水力沖孔抽采孔，其余鉆孔為測試孔。設(shè)計預(yù)抽孔與測試孔施工相對位置如圖1所示，測試孔間距2 m，垂直煤壁鉆進(jìn)。布置參數(shù)表如表1所示[5-8]。

圖3 鉆孔布置間距效果對比圖

根據(jù)上述分析，并結(jié)合2021年7月份主焦煤礦的現(xiàn)場試驗，抽采90 d時進(jìn)行水力沖孔時穿層鉆孔的有效抽采半徑為6.73 m，不進(jìn)行水力沖孔時穿層鉆孔的有效抽采半徑為3.95 m；抽采120 d時進(jìn)行水力沖孔時穿層鉆孔的有效抽采半徑為7.12 m，不進(jìn)行水力沖孔時穿層鉆孔的有效抽采半徑為4.08 m。利用Fluent軟件數(shù)值模擬“水力沖孔-水力沖孔-水力沖孔”、“穿層鉆孔-水力沖孔-穿層鉆孔”的鉆孔間壓力分布情況，布孔間距選取公式為：

(1)

從圖6中可以看出，采用水力沖孔技術(shù)后的鉆孔抽采效果曲線圖呈現(xiàn)“穩(wěn)定-突減-穩(wěn)定”的趨勢。由鉆孔布置間距的設(shè)計我們可知，在水力沖孔鉆孔初抽時Ⅰ區(qū)瓦斯涌出速度較快，此時抽采流量大，抽采濃度高；隨著抽采的持續(xù)進(jìn)行，Ⅰ區(qū)內(nèi)的瓦斯處于重新穩(wěn)定狀態(tài)，此時裂隙進(jìn)一步向Ⅱ區(qū)發(fā)育，但裂隙發(fā)育速度明顯延緩且穩(wěn)定，此時抽采效率較為穩(wěn)定；Ⅲ區(qū)在鉆孔布置間距設(shè)計中處于鉆孔重疊區(qū)域，表現(xiàn)為Ⅱ區(qū)裂隙發(fā)育和瓦斯涌出特征。

在水力沖孔結(jié)束后，Ⅰ區(qū)受到水力沖孔應(yīng)力的直接影響，煤體內(nèi)裂隙充分發(fā)育，瓦斯壓力下降較快，瓦斯排放速度最快，為瓦斯充分排放區(qū)；其次，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)受到水力沖孔應(yīng)力的間接影響，瓦斯流量呈現(xiàn)了先緩慢下降后突升繼而緩慢下降的趨勢，這是由于隨著時間推移，在抽放負(fù)壓和應(yīng)力的作用下，水力沖孔較遠(yuǎn)區(qū)域的煤體中應(yīng)力和瓦斯壓力的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)被打破，煤層裂隙進(jìn)一步發(fā)育，煤層透氣性增加，分別為瓦斯排放區(qū)、瓦斯壓力過渡區(qū)，且隨距離的增加呈現(xiàn)裂隙發(fā)育衰減的趨勢；Ⅳ區(qū)為原始瓦斯壓力區(qū)，可近似看做此區(qū)域受水力沖孔影響的裂隙發(fā)育程度近似為0，即處于原始煤層狀態(tài)。借鑒全國其他煤礦水力沖孔工程經(jīng)驗可知，上述瓦斯排放分區(qū)在實際工況狀態(tài)下處于一種灰色模糊的分區(qū)模型，即各分區(qū)灰色過渡，同時Ⅲ區(qū)的裂隙發(fā)育程度不充分，需長時間抽排才可增強(qiáng)在該區(qū)域的瓦斯抽排效果，因此在實際的抽采設(shè)計中，往往將該區(qū)域做抽采重疊區(qū)域處理[12-14]。

表3 模擬設(shè)置參數(shù)

鑒于前述中國BITs“保護(hù)與安全條款”存在的問題、中國在發(fā)展中國家投資及其人員面臨安全風(fēng)險極高的嚴(yán)峻形勢，有必要重構(gòu)新時代中國投資條約中“保護(hù)與安全”條款。重構(gòu)的基本思路如下：

圖4 兩種鉆孔布置方式瓦斯壓力分布云圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和基于沖孔擾動力學(xué)原理的瓦斯排放示意圖分析可知，采用“7 m—7 m”布置間距的“水力沖孔—水力沖孔—水力沖孔”布置方式在抽采時間為120 d后，各鉆孔Ⅰ區(qū)仍處于獨(dú)立狀態(tài)，Ⅱ區(qū)相互交織；采用“3 m—3 m”布置間距的“穿層鉆孔—水力沖孔—穿層鉆孔”布置方式在抽采時間為90 d后，各鉆孔Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)相互交織。因此，“7 m—7 m”布置間距的“水力沖孔—水力沖孔—水力沖孔”布置方式可應(yīng)用于長時間抽采工況狀態(tài)，可實現(xiàn)效果為降低鉆孔密度，提高抽采工作進(jìn)度，并確保各鉆孔有效抽采半徑處于瓦斯排放較為充分的區(qū)域內(nèi)；“3 m—3 m”布置間距的“穿層鉆孔—水力沖孔—穿層鉆孔”布置方式可應(yīng)用于短時間抽采工況狀態(tài)，可實現(xiàn)效果為高效治理鉆孔偏移導(dǎo)致的瓦斯治理空白區(qū)域，消除瓦斯隱患。

3 沖孔布置間距現(xiàn)場效果檢驗

為達(dá)到長時間抽采工況狀態(tài)，可實現(xiàn)效果為降低鉆孔密度，提高抽采工作進(jìn)度的目的，對采用“7 m—7 m”布置間距的“水力沖孔—水力沖孔—水力沖孔”布置方式的效果進(jìn)行檢驗。通過選擇在2303工作面底板巷一組3個水力沖孔鉆孔進(jìn)行聯(lián)抽試驗(布孔間距設(shè)計7 m—7 m)，試驗孔周圍無其他鉆孔，確保試驗的真實性和可靠性。其布置參數(shù)見表4，布置示意圖見圖5[15]。

表4 水力沖孔布置間距試驗設(shè)計參數(shù)

圖5 水力沖孔鉆孔布置間距測試示意圖

2021年7月份在主焦煤礦進(jìn)行了測定瓦斯抽采半徑的現(xiàn)場試驗，現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場試驗并結(jié)合沖孔擾動力學(xué)原理繪制鉆孔周圍瓦斯排放區(qū)域示意圖，如圖2所示[10-11]。

式中，ζ-抽采應(yīng)力影響灰色系數(shù)，根據(jù)主焦煤礦工程經(jīng)驗確定，為0.867；L-布孔間距；r-有效抽采半徑。

其次，水利施工企業(yè)也要和市場經(jīng)濟(jì)接軌，對于工作成績突出、業(yè)務(wù)能力強(qiáng)或管理能力強(qiáng)的人才，要不拘一格破格任用，同時要提高待遇，給他們提供施展才華的舞臺，只有這樣才能更好的吸引人才、留住人才，才能使企業(yè)的發(fā)展更穩(wěn)更快。

圖6 抽采流量與抽采濃度變化曲線圖

因此焦煤礦2303工作面底板巷進(jìn)行現(xiàn)場試驗，驗證并得到了主焦煤礦水力沖孔的合理布置間距為7 m—7 m，并為同類型煤礦的水力沖孔工程提供了技術(shù)經(jīng)驗。

4 結(jié)論

1)根據(jù)理論分析可知，“水力沖孔—水力沖孔—水力沖孔”布置方式可應(yīng)用于長時間抽采工況狀態(tài)，可實現(xiàn)效果為降低鉆孔密度，提高抽采工作進(jìn)度。

2)以水力沖孔后的鉆孔應(yīng)力分區(qū)模型和鉆孔間應(yīng)力干擾性分析理論為依據(jù)，結(jié)合主焦煤礦實際工程中采用的矩形鉆孔布置方式，驗證并得到了主焦煤礦水力沖孔的合理布置間距為7 m—7 m。

我報出了自己的大學(xué)校名。季經(jīng)理沉吟了一下，對白麗筠說，我們H公司只收211、985這類重點(diǎn)大學(xué)的畢業(yè)生，這一點(diǎn)你是知道的。

3)對2303工作面底板巷的鉆孔號檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計并繪制曲線圖分析，采用水力沖孔相較于傳統(tǒng)鉆孔抽采特性曲線，有抽采高效期長、抽采效率高的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合煤礦實際生產(chǎn)中的采、掘、開、通風(fēng)、抽采接力性工作，采用水力沖孔技術(shù)抽采瓦斯可以保證煤礦正常開采的可靠性和高效性。