考慮流變特性的水力沖孔孔徑變化規律及防堵孔技術

郝富昌，孫麗娟，左偉芹

(1．河南理工大學河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作　454000;2．河南理工大學 安全技術培訓學院，河南焦作　454000;3．煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南焦作　454000)

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考慮流變特性的水力沖孔孔徑變化規律及防堵孔技術

郝富昌1，3，孫麗娟2，左偉芹1，3

(1．河南理工大學河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作454000;2．河南理工大學 安全技術培訓學院，河南焦作454000;3．煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南焦作454000)

摘要:通過分析水力沖孔周圍煤體的受力特征，建立了考慮煤的塑性軟化和擴容特性的水力沖孔周圍煤體黏彈塑性模型，分析了水力沖孔的卸壓增透效果和孔徑變化規律，制定了防止鉆孔堵塞和注氣驅替技術。研究結果表明:①水力沖孔措施可以大幅度提高周圍煤體的滲透率，沖煤量越多，水力沖孔的卸壓范圍越大，煤體的滲透率提高的幅度越大;② 由于煤的流變特性水力沖孔鉆孔會產生縮孔現象，地應力越大，煤體強度越低，鉆孔周圍煤體的蠕變變形越劇烈，鉆孔就越容易被堵塞，一旦抽采通道被堵塞，瓦斯抽采效果就會大幅度的降低;③采用下套管防堵孔技術，人工保留一條抽采通道，可長時間抽取高濃度瓦斯，抽采效果提高了2．7倍;④注氣驅替與水力沖孔技術結合，單孔抽采純量增加了8．1倍，可有效的提高瓦斯抽采效果。

關鍵詞:孔徑變化規律;防堵孔技術;水力沖孔;蠕變變形;注氣驅替

郝富昌，孫麗娟，左偉芹．考慮流變特性的水力沖孔孔徑變化規律及防堵孔技術［J］．煤炭學報，2016，41(6):1434－1440．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1405

Hao Fuchang，Sun Lijuan，Zuo Weiqin．Hydraulic flushing aperture variation and anti-blocking technology considering rheological property ［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1434－1440．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1405

水力沖孔技術是應用最廣泛的卸壓增透措施之一，在松軟低透氣性煤層取得了較好的瓦斯災害防治效果［1－3］。瓦斯抽采實踐表明，采取過水力沖孔措施后，鉆孔周圍煤體透氣性系數會增大十幾倍［4－5］，但是瓦斯抽采濃度衰減較快，僅十多天后鉆孔的抽采濃度就降低為5%以下，抽采效果大幅度降低。分析其原因認為，水力沖孔措施實施完畢后，由于含瓦斯煤的流變特性，鉆孔周圍煤體會產生蠕變變形，鉆孔孔徑隨時間發生縮孔現象，由于軟煤層的強度較低，抵抗破壞的能力較弱，蠕變變形更為劇烈，在短時間內就可能發生失穩破壞，阻塞瓦斯抽采通道，致使瓦斯抽采濃度快速降低。鉆孔周圍煤體的透氣性系數由于水力沖孔措施增大了十幾倍，一旦抽采鉆孔被堵塞，也很難提高瓦斯抽采效果。因此，考慮含瓦斯煤的流變特性，研究水力沖孔孔徑變化規律，制定相應防堵孔技術，就成為提高松軟煤層瓦斯抽采效果的關鍵。在鉆孔孔徑變化規律研究方面，Cornet等［6］建立了鉆孔變形的黏彈性模型，基于該模型對鉆孔壁的穩定性進行理論分析;趙陽升等［7－8］研究了高溫高壓條件下花崗巖中鉆孔變形失穩臨界條件，建立了鉆孔變形的黏彈性模型，分析了花崗巖中鉆孔的變形規律;王振等［9］建立了鉆孔失穩的力學模型，研究了鉆孔孔底和孔壁附近煤體的破壞形式和失穩特征。綜上所述，前人研究鉆孔孔徑變化規律主要將巖體或煤體作為純彈性體，采用黏彈性模型研究孔徑變化規律，而煤體屬彈塑性體，考慮煤的塑性軟化和擴容特性的鉆孔周圍煤體黏彈塑性模型未見報道。本文擬考慮煤的流變特性，建立水力沖孔周圍煤體的黏彈塑性模型，研究穿層鉆孔的孔徑變化規律，并制定相應的防堵孔技術，提高水力沖孔措施的抽采效果。

1　水力沖孔鉆孔變形的黏彈塑性模型

1.1理論分析

(1)力學模型。

假定鉆孔處于靜水應力作用下，由其受力特征將其周圍煤體劃分為3個區:黏彈性區、塑性軟化區和破壞區，分別用e，p，b來表示(圖1)，圖1中r0為鉆孔初始半徑，σ0為煤體所受初始應力。

圖1　鉆孔周圍煤體力學模型［10］Fig.1　Mechanical model around boreholes［10］

(2)軟化模型。

國內外大量的實驗研究表明:當煤體所受應力達到峰值強度σc后，煤體進入塑性軟化階段，煤體自身的強度隨著應變增大逐漸衰減，直至殘余強度。由此可知，鉆孔周圍煤體在黏彈性區尚未破壞，其強度為煤的峰值強度σc;在塑性軟化區，煤體的強度是應變的函數，煤體變形越大，越低;在破壞區，認為煤體的殘余強度固定不變。考慮到煤體的應變軟化特性，采用應力－應變三線段軟化模型對煤體受力進行分析，如圖2所示。

圖2　三線段軟化模型［11］Fig.2　Softening model of three line type［11］

(3)擴容特征。

煤的單軸壓縮試驗結果表明，峰前區煤樣的體積變化不大，峰后區煤樣體積有一定的增加，呈現出較明顯的擴容現象。由此可知，鉆孔周圍煤體的塑性擴容現象主要發生在塑性軟化區和破壞區，黏彈性區的煤體變形忽略不計。可得

式中，εr，εθ分別為徑向應變和切向應變;η1為塑性軟化區的擴容系數，η1=(1+sin φ)/(1－sin φ)，φ為煤的膨脹角;η2為破壞區的擴容系數，一般取1.3～1.5。

(4)屈服準則。

隨著抽采時間的延長，水力沖孔周圍煤體首先發生黏彈性變形，然后產生塑性變形，為此建立了鉆孔周圍煤體的黏彈塑性軟化模型(圖3)。在該模型中，黏彈性區采用Poyting－Thomson模型，塑性軟化區和破壞區滿足Mohr－Coulomb準則。

圖3　黏彈塑性軟化模型Fig.3　Visco-elastic plastic softening models

1.2鉆孔周圍煤體的受力分析

水力沖孔鉆孔的長度遠大于鉆孔孔徑，為此將其受力情況簡化為平面應變問題進行求解，滿足平面應變的平衡方程和幾何方程。

(1)黏彈性區。

由平衡方程、幾何方程及Poyting－Thomson模型可得黏彈性區的應力及位移u方程［12］為

式中，Rp(t)為塑性區半徑;A(t)為時間的函數:

其中，G0和G"為煤體的初始和長時剪切模量;ηret為延遲時間;t為時間;Kp=(1+sinΦ)/(1－sinΦ)，Φ為煤體的內摩擦角。

(2)塑性軟化區。

由幾何方程和式(1)可得塑性軟化區的位移方程為

塑性軟化區煤體破壞滿足Mohr－Coulomb準則，煤體強度是應變的函數，即

式中，Mc為煤體軟化模量。

(3)破壞區。

破壞區煤體屈服滿足Mohr－Coulomb準則，煤體強度為煤的殘余強度，在孔壁位置鉆孔的徑向應力為0，由此可得破壞區的應力表達式為p

由式(2)、幾何方程和非關聯流動法可得破壞區位移方程為

1.3卸壓范圍及孔徑變化模型

(1)水力沖孔的卸壓范圍。

鉆孔的破壞區半徑即為水力沖孔的卸壓范圍。在鉆孔的破壞區半徑位置，破壞區和塑性軟化區的徑向應力相等，并有，由此可得破壞區半徑Rb(t)為

塑性軟化區半徑Rp(t)為

(2)鉆孔孔徑變化規律。

由式(10)可得，鉆孔孔壁的位移為

鉆孔孔壁位移是時間的函數，隨著時間的推移，孔壁的位移逐漸增大，而鉆孔孔徑會逐漸縮小，鉆孔孔徑變化r0'方程為

2　水力沖孔的卸壓范圍及孔徑變化規律

2.1數值模擬參數

以義煤集團義安礦的煤層條件為例，該礦主采的二1煤層為松軟低透氣性突出煤層，為了防止煤與瓦斯突出事故，采取底板巷穿層鉆孔結合水力沖孔卸壓增透的快速消突技術，穿層鉆孔初始孔徑為108 mm，水力沖孔措施平均每米鉆孔沖煤量為1.0 t，該礦煤的視密度為1.42 t/m3，相當于鉆孔直徑由108 mm擴大到952 mm。水力沖孔措施實施完畢后，在鉆孔中安裝孔徑為40 mm、長度為12 m的抽采管，封孔深度不小于8 m。在該礦采集新鮮煤樣，送回實驗室測試煤體力學參數(表1)。

表1　數值模擬所用的煤體參數Table 1　Coal parameters used in the numerical simulation

2.2水力沖孔周圍煤體受力分析及卸壓范圍

將表1中數據代入式(3)，(8)和(9)，利用Comsol軟件對上式進行求解，可得水力沖孔周圍煤體的應力分布，如圖4所示。

從圖4可以看出，煤體的徑向應力從孔壁到煤體深部逐漸增大，最終達到初始地應力19.12 MPa;煤體的切向應力從孔壁到煤體深部逐漸增大，到達塑性軟化區半徑位置時到達最大值28.99 MPa，隨后又逐漸降低為初始地應力19.12 MPa。水力沖孔措施可有效的對煤體進行卸壓，沖煤量為1.0 t/m時，卸壓范圍可到達4.4 m。

圖4　沖煤量1.0 t/m鉆孔周圍煤體初始應力分布曲線Fig.4　Stress distribution curve around boreholes of punching coal amount 1.0 t/m

實驗地點煤體的視密度為為1.42 t/m，鉆孔初始孔徑為108 mm，當每米沖煤量(m)為0.5，1.0和1.5 t時，可得鉆孔孔徑分別擴大為 676，952 和1 164 mm。利用建立的力學模型，采用Comsol軟件對不同沖煤量的鉆孔受力情況進行模擬，得到不同沖煤量鉆孔的卸壓范圍(圖5)。可以看出，水力沖孔措施的卸壓范圍和沖煤量具有如下關系:Rb= 4.615m0.519 4，水力沖孔措施的沖煤量越多，鉆孔的卸壓范圍越大，周圍煤體的透氣性系數提高的幅度越大。

2.3水力沖孔措施的增透效果

采用徑向不穩定流動方法測試二1煤層在水力3沖孔措施前后的透氣性系數和鉆孔瓦斯流量衰減系數(表2)。

圖5　不同沖煤量鉆孔卸壓范圍Fig.5　Boreholes relief range of different punching coal amount

表2　水力沖孔前后增透效果對比分析Table 2　Comparison analysis of pressure-relief and permeability improvement effect before and after hydraulic flushing

從表2可以看出，煤層的原始透氣性系數為0.008 3 m2/(MPa2·d)，采取過水力沖孔措施后增大到0.087 3 m2/(MPa2·d)，提高了10.5倍;水力沖孔措施前，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.878 d－1，采取過水力沖孔措施后，鉆孔瓦斯流量衰減系數降低為0.198 d－1，降低為原來的22.6%。統計分析了水力沖孔前后的瓦斯抽采數據，沖孔前單孔抽采純量平均為0.001 7 m3/min，水力沖孔措施后單孔抽采純量提高到0.031 9 m3/min，增加了18.8倍。由此可知，水力沖孔措施的卸壓增透效果是非常明顯的。

2.4水力沖孔孔徑變化規律

將表1數據代入式(15)，可得不同抽采時間鉆孔孔徑的變化曲線，如圖6所示。

圖6　鉆孔孔徑變化曲線Fig.6　Borehole aperture variation curve

由圖6可知，鉆孔孔徑會隨時間發生縮孔現象，采取過水力沖孔措施后，鉆孔的初始半徑為476 mm，僅1 d時間，鉆孔半徑就縮小為126 mm，隨后鉆孔半徑又逐漸縮小，12 d后鉆孔基本上被堵塞，此時瓦斯抽采流量會大幅的降低。圖7為4組鉆孔單孔抽采純量變化。可以看出，抽采12 d后，4組鉆孔的瓦斯抽采純量均出現了大幅度的衰減，平均抽采純量不足原來的20%。分析其原因認為，適用于水力沖孔措施的一般為松軟低透氣性煤層，煤體強度較低，抵抗破壞的能力較差，煤體蠕變變形較為劇烈，周圍煤體向鉆孔運移，穿層鉆孔鉆孔逐漸被堵塞，特別是煤巖交界處的鉆孔很容易被煤泥堵塞，抽采通道一旦被堵塞，從而導致瓦斯抽采濃度和抽采純量大幅度的衰減。

圖7　水力沖孔措施后單孔抽采純量曲線Fig.7　Gas drainage amount curves of single hole after hydraulic flushing

水力沖孔鉆孔的孔徑變化主要受到地應力和煤體強度的控制，地應力越高，煤體強度越低，鉆孔周圍煤體蠕變變形越劇烈，鉆孔的縮孔幅度越大，就越容易堵塞瓦斯抽采通道。

3　水力沖孔防堵孔及提高抽采效果技術

由上述可知，采取過水力沖孔措施后，煤層的透氣性系數得到了大幅度的提高，但是一旦鉆孔被堵塞，也很難提高抽采效果，如何防止鉆孔堵孔，就成為提高水力沖孔措施抽采效果的關鍵。

3.1穿層鉆孔下套管防堵孔技術

水力沖孔措施實施完畢后，在鉆孔中安裝套管直至煤層頂板，套管材質為具有抗靜電阻燃性的聚氯乙烯管(PVC管)，管徑為45 mm，在見煤段的套管上開篩眼，篩眼直徑10 mm，孔間距為150 mm，單根長度2.0 m。套管作為抽采管，在鉆孔兩端采用聚氨酯封孔，中間采用水泥砂漿封孔，封孔長度不小于10 m，具體封孔方式如圖8所示。該方法人為保留一條抽采通道，可以長時間的抽取高濃度的瓦斯。

采取穿層鉆孔下套管防堵孔技術后，一個月平均單孔瓦斯抽采純量由 0.016 m3/min提高到0.043 m3/min，提高了2.7倍。一個月后的瓦斯抽采流量僅衰減了15%，實現了穿層鉆孔的高效抽采。

圖8　穿層鉆孔封孔示意Fig.8　Seling sketch map of crossing boreholes

3.2注氣驅替提高抽采效果技術

采取過水力沖孔措施后，經過一段時間的預抽，瓦斯抽采濃度開始降低，當抽采濃度降低到5%以下后，采用注氣驅替方法進一步提高瓦斯抽采效果。具體方法為:采用礦井壓風自救系統向部分水力沖孔鉆孔注入壓力為0.5 MPa的空氣，另一部分鉆孔繼續抽采(圖9)。采用該技術，一個孔注入高壓氣體，另一個孔進行瓦斯抽放，注入的高壓氣體，可以起到置換吸附－解吸作用、注氣氣流的載攜/驅替作用、注入氣體的稀釋擴散作用和膨脹增透作用等［13－14］，達到快速消除突出危險性的目的。

圖9　注氣驅替鉆孔布置平面Fig.9　Layout plan of gas injection boreholes

圖10為水力沖孔注氣驅替效果，可以看出，在水力沖孔鉆孔采取過注氣驅替技術后，穿層鉆孔的抽采濃度由注氣前的3.6%提高到22.1%，增加了6.1 倍;單孔抽采純量由 0.007m3/min提高到0.057 m3/min，增加了8.1倍，由此可見，采用注氣驅替技術可有效的提高瓦斯抽放效果。

圖10　注氣驅替結合水力沖孔技術抽采效果Fig.10　Gas drainage effect of gas injection combined with hydraulic flushing technique

4結　　論

(1)采取過水力沖孔措施后，煤層透氣性系數由0.008 3 m2/(MPa2· d)增大到 0.087 3 m2/ (MPa2·d)，提高了10.5倍;鉆孔瓦斯流量衰減系數降低為原來的22.6%;卸壓范圍和沖煤量具有如下關系:Rb=4.615m0.519 4，沖煤量越多，鉆孔的卸壓范圍越大，周圍煤體的透氣性系數提高的幅度越大。

(2)水力沖孔鉆孔會隨時間產生縮孔現象，地應力越大，煤體強度越低，鉆孔周圍煤體的蠕變變形越劇烈，鉆孔的縮孔幅度越大;實驗地點僅12 d時間鉆孔就會被堵塞，瓦斯抽采純量大幅度的降低。

(3)制定了穿層鉆孔下套管防堵孔技術，該技術人工留取一條抽采通道，可長時間抽取高濃度瓦斯，一個月平均單孔瓦斯抽采純量由0.016 m3/min提高到0.043 m3/min，提高了2.7倍。

(4)注氣驅替技術與水力沖孔措施結合，瓦斯抽采濃度提高了6.1倍，單孔抽采純量提高了8.1倍，該技術可有效的提高瓦斯抽采效果。

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中圖分類號:TD713

文獻標志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1434－07

收稿日期:2015－09－21修回日期:2016－01－12責任編輯:張曉寧

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51404099);國家安監局基金資助項目(henan－0032－2015AQ);河南理工大學博士基金資助項目(B2014－005)

作者簡介:郝富昌(1981—)，男，河南南陽人，副教授，博士。通訊作者:孫麗娟(1983—)，女，河南焦作人，講師，博士。Tel:0391－3987890，E－mail:sunlijuan926@163．com

Hydraulic flushing aperture variation and anti-blocking technology considering rheological property

HAO Fu-chang1，3，SUN Li-juan2，ZUO Wei-qin1，3
(1．State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China;2．School of Safety Technology Training，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China;3．The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province State Key，Jiaozuo454000，China)

Abstract:By analyzing the stress characteristics around boreholes，the visco-elastic plastic model of coal around hydraulic flushing considering plastic softening and dilatancy was established，the pressure-relief and permeability improvement effect of hydraulic flushing and aperture variation were analyzed，thus the anti-blocking technology and the measures for gas drainage improvement were formulated．The results show that:① Hydraulic punching measures can greatly improve the coal permeability around boreholes，the more punching coal amount，the greater relief range of hydraulic flushing，the higher the permeability of coal is increased;② Shrinkage phenomenon of borehole occurs over time because of rheological properties，the greater the stress，the lower the coal strength，the more intense the creep deformation of coal，once drainage channels are blocked，gas extraction effect will be greatly reduced;③ Anti-blocking technology by installing casting pipe reserves a drainage channel，thus high concentrations gas can be extracted for a long time，the effect of gas drainage increase by 2．7 times;④By gas injection combined with hydraulic flushing tech-nique，the gas drainage amount of single hole increases by 8．1 times，which can effectively improve gas drainage effect．

Key words:aperture variation;anti blocking technology;hydraulic flushing;creep deformation;gas injection