水力沖孔增透關鍵參數模擬及應用研究

付京斌

摘? ?要：本文針對不同煤體強度特征，如何選用沖孔孔徑和抽采半徑開展了一些研究，確定了水力沖孔治理低透氣性煤層瓦斯的技術標準和關鍵參數，提高了瓦斯治理效果。依據煤體堅固性系數f值，模擬分析了實現目標孔徑的水力參數選取標準;依據煤層瓦斯壓力和水力沖孔孔徑模擬分析了瓦斯抽采半徑范圍。通過現場應用，驗證了模擬結果的可靠性，為水力沖孔增透技術的現場應用提供了支撐，提高了施工效率。

關鍵詞：水力沖孔? 高壓水射流? 關鍵參數? 透氣性? 抽采半徑

為了消除低透氣性煤層開采過程中的瓦斯災害，我國煤炭企業采取了多種技術措施：水力切縫強化抽采技術、深孔控制爆破技術、旋轉水力擴孔技術、密集長鉆孔技術等[1-6]。上述技術措施能夠消除低透氣性煤層的瓦斯危害，但是對現場施工工藝要求高，影響部分技術的普遍推廣應用。高壓水射流沖孔（水力沖孔）促進了瓦斯的有效釋放，瓦斯壓力大幅度降低，使得氣體分子在煤體壁面上的滑流現象減弱，從而使煤體滲透率提高，達到卸壓增透、提高抽采半徑的目的。

但是針對不同煤體強度特征，如何選用沖孔孔徑和抽采半徑是鉆沖一體化水力沖孔增透裝置的現場應用技術關鍵。因此，論文通過數值模擬和現場測試，確定水力沖孔治理低透氣性煤層瓦斯的技術標準和關鍵參數，提高該裝置的適用性。

1? 水射流有效沖擊速度及沖孔孔徑模擬

1.1 水射流破煤原理

高壓水射流高速沖擊煤體，通過射流的動能的改變使煤體破碎。根據巖石堅固性系數（普氏系數）f表征的是巖石抵抗破碎的相對值。因為巖石的抗壓能力最強，故把巖石單軸抗壓強度極限的1/10作為巖石的堅固性系數。得出不同堅固系數，煤體破碎所需的流體射速之間的關系，如圖1所示。

1.2 沖孔孔徑數值模擬結果分析

數值模擬模型尺寸為2m×0.5m，區域內為空氣，在20℃，標準大氣壓下，其密度為675.845kg/m?，動力粘度為1.81×10-5Pa·s，共劃分4664個單元。在空氣區域左側中部為1個射流出口，其密度為1000kg/m?，動力粘度為1.005×10-3Pa·s，選定水射流的出口射速分別設為100～300m/s。

由水射流出口射速可以得出，在不同射速的流體流動狀態及流型基本相同。在固定的槍嘴參數下，隨著射速的增加，對相同參數煤層作用的有效距離及范圍逐漸擴大，鉆孔擴大倍數也就越大，水力沖孔的卸壓增透效果也隨之更加明顯。通過不同的射流速度與煤體參數可計算水射流沖孔孔徑，如表1所示。

2? 水力沖孔影響范圍數值模擬

采用COMSOL-Multiphysics模擬軟件對不同沖煤量鉆孔瓦斯壓力隨抽采時間的變化情況進行數值模擬，在模擬過程中，依據2#煤層情況進行參數設置[10-11]。

在數值模擬過程中，礦井資料可知原始瓦斯壓力在0.8MPa左右，所以當瓦斯壓力下降到原始壓力70%及其以下的時候所對應的距離可以認為是水力沖孔的影響范圍。

通過模擬可以得出結論：在沖孔過程中，原始瓦斯壓力在0.8MPa左右時，經一定時間瓦斯抽采后，在距鉆孔7m的地方，煤體中的瓦斯壓力下降至0.56MPa以下，認為其特定時間的有效抽采半徑為7m。

礦井原始瓦斯壓力在0.8MPa，所以當瓦斯壓力下降到原始壓力70%及其以下的時候所對應的距離可以認為是水力沖孔的影響范圍。當煤層瓦斯壓力越大時，煤層瓦斯有效抽放半徑越小;當煤層瓦斯壓力一定時，有效抽放半徑隨水力沖孔孔徑增長而增長。不同孔徑和瓦斯壓力時，瓦斯抽采半徑變化規律如表2所示。

3? 現場應用

依據峰峰集團羊東礦2#煤瓦斯基礎參數包括：煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力、煤體堅固性系數，通過數值模擬確定裝置的射速，水壓、流量和沖孔半徑等等。具體參數見表3。

穿層鉆孔共布置7個鉆孔平行布置。1#孔進行水力沖孔，2#-7#為考察測壓孔，與抽采孔的間距在其間距7～12m。根據各測壓孔瓦斯壓力隨抽采時間變化情況，測定鉆孔壓力變化。

考察孔徑的鉆孔壓力可以得出如下規律：各鉆孔瓦斯壓力在鉆孔開始抽采后，先是呈跳躍式變化，但總體呈下降趨勢;觀測孔與抽采孔的距離越大，下降至有效抽采線所需抽采時間就越長，超出抽采有效影響范圍之外后鉆孔瓦斯壓力無變化。鉆孔有效抽采半徑測定結果與數值模擬對比見表4。

因此，依據模擬分析結果，能夠指導鉆沖一體化水力沖孔裝置的參數的選取和瓦斯抽采半徑的確定，提高了低透氣性煤層瓦斯治理效果，確保礦井安全高效生產。

4? 結論

論文通過數值模擬和現場測試，確定了水力沖孔治理低透氣性煤層瓦斯的技術標準和關鍵參數，提高了瓦斯治理效果。論文主要成果：

（1）確定沖孔孔徑的參數選取標準，依據煤體堅固性系數f值，可以通過調節出水口水壓來實現目標孔徑，為現場水力參數調節提供了參考;

（2）確定抽采半徑的參數選取標準，依據煤層瓦斯壓力，可以通過調節水力沖孔孔徑達到目標抽采半徑，為水力沖孔防突技術的現場應用提供了支撐，提高了施工效率。

參考文獻

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[6] 劉勇，陳長江，劉笑天，等.高壓水射流破巖能量耗散與釋放機制[J].煤炭學報，2017，42（10）：2609-2615.

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