高瓦斯低滲煤層水力造穴增透技術優化研究

荊俊杰，于麗雅，延 婧

（1.山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045008；2.山西能源學院，山西 晉中 030600；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

隨著深部煤炭資源開采，煤層瓦斯含量逐漸增加[1-5]，而煤層透氣性降低，極大增加了瓦斯抽采的難度。高效的瓦斯抽采技術成為消除煤與瓦斯突出的關鍵[6-8]，而煤層增透技術是瓦斯抽采的關鍵一環。水力化技術是深部高瓦斯煤層卸壓增透的關鍵技術[9]。宋晨鵬等[10]研究了水力壓裂技術的裂隙發育規律；侯曉偉等[11]探討了沁水盆地應力作用下水力壓裂裂縫展布規律；張小東等[12]探討了研究區的煤層氣井水力壓裂后的裂縫形態；陶云奇等[13]自主搭建實驗平臺分析了裂隙的具體形態；門曉溪等[14]通過RFPA軟件分析了不同壓裂角度對裂隙形態的影響；趙瑜[15]運用PPCZ模型分析了裂尖斷裂過程對裂縫擴展的影響；張欣瑋等[16]自主研發設計出一種自吸式磨料射流割縫噴嘴；袁波等[17]分析了割縫設備的不同參數對流量的影響規律；李曉紅等[18]分析了過渡過程中系統能量特性與耗散規律；王剛等[19]研究了定向水力壓裂的割縫間距；鄒全樂等[20]研究了割縫預抽后瓦斯吸附特性的變化特征；馮丹等[21]利用自主研發的物理模擬實驗裝置針對松軟煤層水力造穴后的卸壓特性進行了研究；王新新等[22]借助軟件模擬水力造穴后煤層裂隙發育的過程；郝富昌等[23]從理論著手分析了孔徑變化規律；陶云奇等[24]利用自主研發的水力造穴試驗裝置開展了水力造穴及瓦斯抽采試驗研究，并基于抽采情況對增透效果進行了評價。目前為止，關于水力化技術專家學者在實驗、模擬、現場等方面取得了一定成果，但是關于造穴效果影響因素尚不明確，具體的造穴參數分析近乎空白。為此，基于前人所做的研究，采用物理相似模擬的方法對煤樣水力造穴，從多層面分析造穴參數對造穴效果的影響，并選取潞安集團某礦進行現場效果驗證。

1 試驗準備

1.1 試驗裝置

試驗裝置采用自主研發的水力造穴試驗平臺,平臺由高壓水泵站和鉆沖一體化鉆機2部分組成，試驗平臺設計如圖1。

圖1 試驗平臺設計Fig.1 Experimental platform design

最大水壓力為25MPa，鉆桿直徑為10mm。試驗煤樣取自山西某礦，煤層煤樣普氏系數1.1 ，瓦斯壓力0.45 ～0.77MPa。

試驗箱體內空尺寸為1000mm×500mm×500 mm，試件箱的尺寸可以更好地模擬煤層不同位置的物理參數，提高試驗的準確度。

在試件內部分層均勻布置有36個氣體壓力傳感器，依次編號為1～36，傳感器布置如圖2。為準確表達傳感器的分布位置，采用空間坐標的方式對其進行標記。圖中P′為xy平面的傳感器位置，P（xp，yp，zp）為傳感器布置的空間位置。

圖2 傳感器布置Fig.2 Sensor layout

1.2 試驗方法

為了探究水力造穴現場作業的關鍵影響因素：出煤量、造穴次數及穴間距對卸壓效果的影響，設計了單一變量試驗，通過對水力造穴前后的氣體壓力進行對比分析，進而判斷3個因素對煤樣卸壓效果的影響。

為探究3個因素之間是否存在交互作用，交互作用是否對卸壓效果產生較大影響，設計出煤量A、造穴次數B、穴間距C3因素3水平17組試驗。選取抽采過程中時間t=100min測試其瓦斯壓力，將瓦斯壓力輸入Design-Expert得到每2個因素間的優化等高線及響應曲面，分析各因素間交互作用對試驗結果的影響。

1.3 試驗步驟

1）制備試驗所需煤樣、安設傳感器、試驗箱體密封，開啟數據采集儀。

2）將瓦斯氣體注入制備好的煤樣，并將瓦斯壓力保持在0.8MPa左右。

3）水力造穴試驗。調節鉆桿位置和高壓水泵水壓，改變單一變量開始單因素試驗，試驗完靜置測瓦斯含量。

4）開展多因素水力造穴試驗，重復步驟2）。

5）試驗結束后，停止地應力加載并關閉數據采集系統。

2 造穴試驗效果

2.1 單因素試驗

為探究出煤量、造穴次數、孔間距對水力造穴的影響，設置多組單因素試驗進行考察，單孔出煤量對殘余瓦斯含量的影響如圖3。

圖3 單孔出煤量對殘余瓦斯含量的影響Fig.3 Effect of coal output on residual gas content

從圖3可以看出，當單孔出煤量為0.3t時，瓦斯含量由原始含量10.8m3/t降低為7.74m3/t。隨著出煤量的增加，瓦斯含量逐漸下降且趨勢逐漸減緩。瓦斯含量逐漸下降的主要原因是初始狀態煤中瓦斯吸附解吸達到動態平衡狀態，隨著出煤量的增加破壞了這種動態平衡，促進吸附態瓦斯解吸轉變為游離態發生自由逸散，導致煤中殘余瓦斯含量降低。

設置7組單因素試驗，探究單孔造穴次數對水力造穴的影響，造穴次數對殘余瓦斯含量的影響如圖4。

圖4 造穴次數對殘余瓦斯含量的影響Fig.4 Effect of single hole flushing times on residual gas content

當單孔造穴次數為9次時，瓦斯含量由初始值10.8m3/t降低為7.7m3/t，隨著造穴次數的增加，煤的致密狀態發生改變，透氣性增加，漏氣通道發育演化，瓦斯由原來的吸附狀態從漏氣通道中逸散，殘余瓦斯含量降低到7.23m3/t。

為探究孔間距對水力造穴的影響，設置7組單因素試驗進行考察，孔間距對殘余瓦斯含量的影響如圖5。當孔間距為11m時，瓦斯含量由初始值10.8m3/t降低為7.92m3/t。隨著孔間距的降低，瓦斯進一步解吸。當孔間距為5m時，殘余瓦斯含量降低至7.51m3/t。

圖5 孔間距對殘余瓦斯含量的影響Fig.5 Effect of hole spacing on residual gas content

2.2 響應面多因素分析

中心組合試驗設計方案中的因素及水平見表1。根據Box-Benhnken理論，設計了17組試驗方案，試驗方案與結果見表2。

表1 中心組合試驗設計方案中的因素及水平Table1 Factors and levels used in the Box-Behnken design

表2為17組試驗對應殘余氣體含量，對表2數據進行方差分析，多種模型分析見表3，相關系數分析見表4。

表2 試驗方案與結果Table2 Experimental programs and results

表3 多種模型分析Table3 Multiple model analysis

由表4可以看出，線性模型的相關系數R2校正值為0.0335 ，2FI模型的相關系數校正值為-0.1741 ，二次模型的相關系數校正值為0.9600 ，三次模型的相關系數校正值為0.9534 ，相關系數R2校正值是評價試驗數據與擬合函數之間吻合程度的特征指標，R2校正值越接近1，則表示數據與選取函數模型擬合程度越高。因此Design-Expert軟件推薦使用二次模型，該模型偏差最小，擬合度最強。

表4 相關系數分析Table4 Correlation coefficients analysis

對試驗結果進行數學模型擬合與回歸分析，得到殘余瓦斯含量E的擬合回歸模擬方程為：

E=38.22-1.45A-1.424B-6.06C+0.2875AB+0.0375AC+0.0125BC-1.87A2+0.047B2+0.38C2

學生化殘差的正態概率分布圖如圖6，各點均勻分布大體呈現1條直線，表明二次模型準確可靠。

圖6 學生化殘差的正態概率分布圖Fig.6 Normal probability plot of student residuals

響應面二次模型及方差分析結果見表5，P值反映了顯著程度，P值越小則表示模型越顯著。建立模型F值為43.68 ，P值小于0.0001 ，顯示試驗所建立的二次回歸模型極顯著；失擬項中，F=4.29 ，P=0.0966 ，表示失擬項不顯著；模型相關系數R2=0.96 ，說明殘余瓦斯含量的變化有96.00 %源自所選變量。顯著性檢驗中，A、B、C3個因素P值均小于0.05 ，表示3項指標顯著，且各因素顯著性影響大小排序為：單孔造穴次數B＞單孔出煤量A＞孔間距C；一次項PAB=0.0031 ，PAC=0.7812 ，PBC=0.3680 ，顯著性排序為AB＞BC＞AC，AB的交互作用最為顯著。

表5 響應面二次模型及方差分析結果Table5 Analysis of variance for the response surfacequadratic model and regression coefficients

為了更加形象直觀的表現3種因素的交互作用，Design-Expert根據上述數據繪制出各自變量之間的優化等高線及各自變量之間的響應曲面，各自變量之間的優化等高線如圖7，各自變量之間的響應曲面如圖8。

圖7 各自變量之間的優化等高線Fig.7 Optimized contours between the respective variables

圖8 各自變量之間的響應曲面Fig.8 Response surface between the respective variables

由圖7可知，顏色由藍到紅表示關聯性的由弱至強，AB曲線明顯比AC曲線和BC曲線變化快、坡度大，即AB交互作用更強，出煤量與造穴次數的交互作用對試驗結果的影響更為顯著。

曲面的平緩程度可以反映交互作用的顯著性與大小，即曲面的曲率越大，交互作用越大。從圖8可以看出，曲面最陡的為圖8（a），AB的交互作用對殘余瓦斯含量影響最大，而最弱的是AC。出煤量與造穴次數對瓦斯吸附解吸影響最大，當出煤量取較大值時，造穴次數越大，對殘余瓦斯含量的影響越大；造穴次數和孔間距對殘余瓦斯含量的影響次之，當造穴次數取定值時，減小孔間距，殘余瓦斯含量發生變化，與單因素試驗結果相一致。

對上述所得試驗結果進行進一步分析，利用Design-Expert軟件得到了1組推薦的試驗參數：單孔出煤量為0.7t，造穴次數12次，孔間距8m。

3 本煤層現場試驗

山西潞安集團某礦3#煤層平均煤厚6.33m，煤層埋深為283～637m；煤層瓦斯含量為5.25 ～22.49 m3/t；煤層普氏系數平均為1.1 ，屬中硬煤。采用上述所得最佳造穴參數對N1105運輸巷道進行水力造穴，促進區域預抽煤層瓦斯。

為了排除外界影響因素對瓦斯體積分數的影響，試驗決定以同一區域的鉆孔進行對比分析，在N1105運輸巷道布置2個試驗造穴孔和6個普通孔，現場鉆孔布置圖如圖9，Z1、Z2為試驗造穴孔，其余為普通造穴孔。試驗造穴鉆孔按照單孔出煤量為0.7t，造穴次數12次，孔間距8m作業，造穴水壓為20MPa。

圖9 現場鉆孔布置圖Fig.9 Boreholes layout

在防突措施施工后，對運輸巷道的瓦斯抽采數據均進行了監測，普通孔與試驗孔瓦斯抽采數據對比如圖10。

圖10 普通孔與試驗孔瓦斯抽采數據對比Fig.10 Comparison of gas extraction data between ordinary and test holes

由圖10（a）可以看出，試驗孔的瓦斯體積分數高于普通孔的瓦斯體積分數，且試驗造穴孔的平均瓦斯抽采體積分數可達45%以上，而普通造穴孔的平均瓦斯抽采體積分數約為18%，且試驗孔抽采瓦斯體積分數下降趨勢較普通孔更慢；由圖10（b）可以看出，普通造穴孔瓦斯抽采量約為12L/min，造穴孔瓦斯抽采量可達40L/min以上。這是由于水力造穴施工后，煤體孔裂隙加大，由于進行瓦斯抽采，吸附狀態的瓦斯解吸從煤層中逸出；同時由于水的流變作用，擴大了卸壓影響范圍，在造穴后殘余瓦斯含量明顯下降。這表明水力造穴技術起到了卸壓增透的作用。

4 結 語

1）考慮了多個因素共同作用的交互性，先后設計了單一因素試驗、3因素17組試驗。通過等高線分析、響應曲面分析得出：3因素中出煤量對水力造穴效果影響最大，孔間距次之。

2）通過Design-Expert對試驗數據優化分析得出：當單孔出煤量為0.7t、造穴次數12次、孔間距8 m時，水力造穴效果最佳。

3）為驗證試驗所得參數的可靠性，選取潞安集團某礦N1105運輸巷道進行水力造穴試驗。通過對比造穴孔與普通孔瓦斯抽采數據發現，瓦斯抽采體積分數提高了約2倍以上，瓦斯抽采量提高至3倍，驗證了上述參數對現場造穴具有指導作用。