機械造穴增透技術在高瓦斯低透氣性煤層的應用研究

宋建民,鄒永洺

(1.山西小回溝煤業有限公司，山西 清徐 030400；2.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

長期以來，煤炭都在我國的能源結構中占有重要地位[1]。煤炭需求的日益增長促使煤炭開采強度和開采深度不斷加大。我國煤礦開采深度正以每年10～30 m的速度逐年增加[2-3]，煤層內賦存的瓦斯含量和壓力也隨著開采深度的增大而增加[4]。據統計，在我國的高瓦斯煤層中，95%以上屬于低透氣性煤層，普遍存在瓦斯抽采效率低、難度大、成本高等難題，現有的水力造穴、水力沖孔等增透技術能夠從一定程度上緩解高瓦斯含量的問題，但這類增透方法需要使用大量的水，易污染巷道。因此，開展更環保的機械造穴增透技術研究，用以預抽煤層瓦斯意義重大[5]。小回溝煤礦開采的煤層屬于高瓦斯低透氣性煤層，為探究機械造穴增透技術的實際應用效果，本研究在該礦開展了現場試驗。

1 機械造穴增透原理

煤層機械造穴增透技術是在井下低壓水或低壓風的驅動下，通過機械鉆具對鉆孔周圍的煤層進行切割，采用專用設備對鉆孔煤層段進行二次造穴擴孔，形成類圓柱形空腔解吸空間，使鉆孔周圍的煤產生卸壓變形。該技術的實質是人為增加煤體的暴露面積，在煤層的鉆孔中產生更大范圍的卸壓運動，創造新裂縫并擴大原有裂縫，充分形成氣流通道，增加煤體的卸壓范圍，從而人為增加和改善鉆孔周圍煤層的透氣性，降低煤層瓦斯壓力，提高瓦斯抽采率。

機械造穴增透技術需要在煤層段假設煤層為均質，無蠕變行為，原始巖石應力分布在各個方向壓力相等，鉆孔段為規則圓[6-7]，鉆孔施工后，鉆孔周圍煤層內部應力重新分布[8-10]，如圖1所示。鉆孔施工破壞了原鉆孔周圍煤巖體的應力平衡，重新分布了煤巖體的應力場[11]。根據松動圈理論，圍巖在應力狀態下破碎變形，形成了一條破碎的圓環帶，稱為松動圈，瓦斯可在已產生大量裂隙、充分卸壓的煤巖體裂隙中流動[12]。煤體的切向和徑向應力隨著距鉆孔中心距離的增加而增大，鉆孔周圍存在應力集中，降低了煤層的透氣性，形成“瓶頸效應”阻礙瓦斯的滲流[13-14]。造穴增加了鉆孔內煤體的暴露面積，增大了周圍煤體的塑性區半徑，增加了鉆孔抽采半徑，突破了鉆孔周圍的“瓶頸效應”，從而提高抽采效果[15-16]。

圖1 煤體應力分布模型

在上述假設下，在塑性區內可得以下方程式，其中靜力平衡條件如式(1)[17]：

(1)

式中：σrp為徑向應力，MPa；σtp為切向應力，MPa；r指鉆孔周圍不同深度的煤體位置，m。

Mohr-coulomb屈服條件如式(2)[18]：

(2)

式中：c為巖體的內聚力，MPa；φ為巖體的內摩擦角，(°)。

邊界條件r=a時，則σrp=pi，解上述方程可得到式(3)、式(4)：

(3)

(4)

式中：pi為支護阻力，MPa；a為巷道半徑，m。

假定巷道所在的原始巖石應力場為靜水應力場，側壓力系數λ=1。因此，在塑性區、彈性區邊界符合應力分布規律σrp+σtp=2p，可得到式(5)：

(5)

式中：p為原巖應力，MPa；R為塑性區半徑，m。

假設破碎帶巖體中的應力小于原始巖石中的應力，即σrp

(6)

式中：Rs為破碎區半徑，m。

小回溝煤礦工作面埋深約500 m，造穴前鉆孔半徑為0.056 5 m，上覆巖體平均容重γ取2.7×104 N/m3，內聚力c取1 260 Pa，內摩擦角φ取47°，支護阻力取0，煤的堅固性系數為0.36。代入公式計算得出鉆孔塑性區半徑為0.27 m。造穴后鉆孔半徑為0.3 m，代入公式計算得出鉆孔塑性區半徑為1.19 m。

瓦斯在鉆孔周圍的運動通常被認為是徑向不穩定流動的擴散和滲透過程[17]。當抽采時間較長且氣體趨于穩定流動時，鉆孔抽采總流量Q與鉆孔半徑R1之間的關系可用式(7)描述：

(7)

式中：h為煤層厚度，m；λ為煤層透氣性系數，m2/(MPa2·d)；p0為煤層原始瓦斯壓力，MPa；α為瓦斯含量系數，m3/(m3·MPa1/2)；t為抽采時間，s。

當鉆孔直徑由113 mm擴大至600 mm時，理論上瓦斯總流量可以增大1.40倍，但隨著鉆孔周圍的煤體卸壓，煤層透氣性系數增大，實際瓦斯流量增加幅度大于理論倍數。

2 機械造穴增透效果模擬分析

2.1 幾何模型的建立

為了探索機械造穴增透對煤體內瓦斯流動的影響，結合礦井實際情況，建立了長×寬×高為60 m×20 m×8 m的三維幾何模型，模擬井下煤層進行機械造穴增透試驗。在煤層模型的中心設置一個圓柱體，模擬煤層中的鉆孔，圓柱體直徑為113 mm，長度為50 m，機械造穴增透區域直徑為600 mm，如圖2所示。利用上述模型，模擬機械造穴增透后鉆孔周圍煤體瓦斯壓力和滲透率的變化情況。

(a) 普通鉆孔瓦斯抽采幾何模型

2.2 COMSOL數值模擬結果分析

2.2.1瓦斯壓力對比分析

圖3為普通鉆孔和機械造穴鉆孔周圍的瓦斯壓力變化圖。由圖可知，普通鉆孔和機械造穴鉆孔的瓦斯壓力在0～30 d范圍內下降最顯著；30 d后，瓦斯壓力下降趨勢逐漸趨于穩定，受影響區域穩定增加。機械造穴鉆孔周圍的瓦斯壓力下降幅度明顯高于普通鉆孔。在相同初始瓦斯壓力下，第30 d時普通鉆孔中瓦斯的有效影響范圍僅為1 m左右，機械造穴鉆孔中瓦斯的有效影響范圍約為1.5 m；第60 d時普通鉆孔中瓦斯的有效影響范圍僅為1.3 m左右，機械造穴鉆孔中瓦斯的有效影響范圍約為1.7 m；第90 d時普通鉆孔中瓦斯的有效影響范圍僅為1.7 m左右，機械造穴鉆孔中瓦斯的有效影響范圍約為2.2 m；到第120 d，普通鉆孔的有效影響范圍僅為1.8 m左右，而造穴后的有效影響范圍達到2.5 m。由此可以看出，造穴后瓦斯壓力變化的有效影響面積顯著增加。

2.2.2滲透率變化分析

井下鉆孔開展機械造穴增透后，會干擾周圍煤層，導致煤層中出現裂縫，進而改變煤體周圍的透氣性。在初始滲透率不變的情況下，比較普通鉆孔和造穴鉆孔周圍滲透率的變化。選擇同一位置的三維剖面，讀取剖面上的滲透率變化，結果如圖4所示。由圖可知，普通鉆孔和機械造穴鉆孔周圍的滲透率變化趨勢相同，可以大致分為L1和L2區域。L1區滲透性急劇下降，即滲透性在施工影響下發生變化的區域；L2區域為平坦區域，滲透率為常數。初始滲透率為1.8×10-17m2，造穴鉆孔附近的滲透率一度達到2.7×10-14m2，比原始滲透率高1 500倍，影響范圍達0.12 m。然而，普通鉆孔附近的最大滲透率僅為1.5×10-16m2，僅增加了8.3倍，影響范圍達到0.09 m。機械造孔對鉆孔周圍的滲透率有顯著影響，影響范圍略大于普通鉆孔的影響范圍。

(a) 普通鉆孔周圍瓦斯壓力變化

(a) 普通鉆孔滲透率變化圖

3 機械造穴增透鉆孔效果考察

3.1 機械造穴設備研制

鉆孔機械造穴的設備主要為造穴鉆具，由刀臂銷軸、導水通道、造穴刀臂、噴水孔、鉆頭、金剛石復合片組成。造穴鉆具直徑94 mm，鉆具通過尾部內螺口與75 mm鉆桿相連，鉆具含30 cm造穴刀臂，刀臂上設置2個出水孔，刀臂上鑲嵌金剛石復合片。鉆具頭部設置3個出水孔，頭部鑲嵌金剛石復合片，如圖5、圖6所示，刀臂通過銷軸與鉆具相連接[19]。

1—刀臂銷軸；2—導水通道；3—造穴刀臂；4—噴水孔；5—鉆頭；6—金剛石復合片

圖6 造穴鉆具實物圖

3.2 機械造穴增透鉆孔施工

根據現場實際條件，利用本煤層鉆孔作為機械造穴增透試驗鉆孔，對鉆孔的煤層段進行氣液驅動機械造穴。造穴過程中，換上造穴鉆具，利用鉆機將鉆具推送到造穴位置。高壓水通過鉆桿和鉆具中的導氣通道通入刀臂和鉆具頭部。在造穴開始期間，通過鉆桿高速旋轉的離心力及高壓水的作用，將造穴刀臂打開，當水和破碎的煤屑從鉆孔中返回時，將鉆機給進速度調為中速，使鉆桿在造穴范圍內往復運動，完成造穴鉆孔施工。造穴結束后，在造穴段全程下置產氣篩管，孔口采用“兩堵一注”囊袋式封孔器封孔。

為考察氣液驅動機械造穴增透工藝在小回溝煤礦的適用性，并考察瓦斯抽采鉆孔增透前后瓦斯抽采效果的變化。本次試驗選擇在小回溝煤礦2204運輸巷，利用ZDY5400L鉆機對試驗鉆孔進行氣液驅動機械造穴增透技術試驗，主要施工1組口細腔大的大直徑洞穴式瓦斯抽采鉆孔，施工完成封孔后，觀測瓦斯抽采數據。在2204運輸巷本煤層鉆孔開展試驗，選擇1組鉆孔開展造穴試驗，中間鉆孔為增透鉆孔，兩側為觀測鉆孔，鉆孔如圖7布置。鉆孔施工參數如表1所示。

圖7 機械造穴鉆孔布置圖

表1 機械造穴鉆孔施工基本參數表

3.3 機械造穴鉆孔影響半徑分析

使用YZC5型瓦斯抽采管路參數測定儀對造穴試驗鉆孔及觀測鉆孔的瓦斯抽采參數進行測定，將測定數據匯總，結果如圖8所示。不同鉆孔在造穴前后的平均抽采混合流量和平均純瓦斯流量數據如表2所示。

(a) 混合流量

1)在造穴試驗前，各鉆孔的瓦斯抽采數據觀測時間為4 d，造穴后各鉆孔的瓦斯抽采數據觀測時間為20 d，造穴前后各鉆孔的平均瓦斯抽采體積分數相差不大，因此以瓦斯抽采混合流量和純流量為指標作為此次試驗考察的內容。

2)根據圖8和表2可知，造穴增透試驗完成后，32#造穴鉆孔的瓦斯抽采混合流量和抽采純流量會突然增大，瓦斯抽采的混合流量和純流量隨著抽采時間的增加逐漸降低到一定數值。32#鉆孔在造穴后觀測的20 d內，瓦斯抽采的平均混合流量為0.890 m3/min、平均瓦斯純流量為0.314 m3/min；與造穴前瓦斯抽采數據相比，造穴后瓦斯抽采的平均混合流量是造穴前的11.86倍，平均抽采純流量是造穴前的5.41倍。

表2 機械造穴試驗鉆孔瓦斯抽采數據對比表

3)距造穴鉆孔4 m的31#和33#鉆孔的混合流量和純流量有一定幅度的增加。31#鉆孔的平均混合流量是未采用造穴之前的6倍，抽采純流量是未采用造穴之前的1.39倍。33#鉆孔的平均混合流量是未采用造穴之前的8.45倍，平均抽采純流量是未采用造穴之前的2.19倍。

4)距造穴鉆孔8 m的33#和34#鉆孔的瓦斯抽采混合流量和抽采純流量沒有明顯的變化。結合各鉆孔與造穴鉆孔的布置位置來判斷，造穴增透影響到31#和33#鉆孔，造穴增透試驗的作用范圍半徑為4 m，作用范圍為8 m。

由此可見，隨著造穴增透的開展，煤層透氣性系數隨煤體破碎程度的增大而增大，實際瓦斯流量增大幅度大于理論倍數，2204運輸巷采用造穴增透瓦斯抽采效果明顯提高。

3.4 機械造穴鉆孔瓦斯抽采效果分析

利用YZC5型瓦斯抽采管路參數測定儀和光學瓦斯測定儀對機械造穴試驗鉆孔及觀測鉆孔進行瓦斯抽采參數測定，將測定數據匯總如圖9和表3所示。

(a) 9#鉆孔機械造穴前后瓦斯抽采純流量變化

表3 機械造穴鉆孔在機械造穴前后鉆孔瓦斯抽采量變化

根據表3可知，機械造穴增透試驗完成后，9#造穴鉆孔平均瓦斯抽采混合流量提高了10.95倍，平均瓦斯抽采純流量提高了17.77倍；32#造穴鉆孔平均瓦斯抽采混合流量提高了11.83倍，平均瓦斯抽采純流量提高了19.46倍；91#造穴鉆孔平均瓦斯抽采混合流量提高了11.82倍，平均瓦斯抽采純流量提高了14.44倍；146#造穴鉆孔平均瓦斯抽采混合流量提高了10.26倍，平均瓦斯抽采純流量提高了17.03倍。

由此可見，隨著機械造穴增透的開展，2#煤體隨瓦斯抽采發生收縮變形，煤層透氣性系數增大，實際瓦斯流量增大幅度大于理論計算倍數，表明采用機械造穴增透技術抽采瓦斯時，抽采效果明顯提高。

4 結論

研究采用理論分析及數值模擬的方法分析了機械造穴增透試驗機理，分析了經造穴后鉆孔周圍瓦斯壓力及周圍煤體滲透率的變化規律。研制了機械造穴鉆具，并在小回溝礦2#煤層開展機械造穴實驗。

1)根據機械造穴增透后的瓦斯抽采效果分析發現，機械造穴增透試驗鉆孔的作用范圍半徑為4 m，作用范圍為8 m。機械造穴鉆孔平均瓦斯抽采混合流量提高了10.25～11.83倍，平均瓦斯抽采純流量提高了14.44～19.46倍，表明機械造穴對2#煤層瓦斯抽采具有強化作用。

2)根據現場工業性試驗及瓦斯抽采效果，在采用機械造穴增透后，對瓦斯抽采有一定的促進作用，提高了本煤層瓦斯抽采率，并且機械造穴增透采用靜壓水進行施工，安全系數較高，機械造穴煤層增透技術可推廣使用。