機械擴孔造穴強化卸壓增透抽采瓦斯抽采工程實踐＊

華帥 畢寸光 張斌 田坤云

（1.安陽市主焦煤業有限責任公司，河南安陽 455141；2.河南工程學院 資源與安全工程學院，河南鄭州 450007）

0.引言

相關工程應用及室內實驗均表明[1-2]，穿層鉆孔抽采、順層鉆孔抽采及動壓區抽采是目前礦井采掘工作面最常用的抽采技術措施，在降低工作面煤層瓦斯方面起著重要的作用，煤層瓦斯預抽鉆孔的設計方案及布置方式的確定主要依據鉆孔的有效抽采半徑。同時，有效抽采半徑也是影響鉆孔瓦斯預抽效果的主要因素，直接關系到預抽鉆孔布置密度和預抽時間的長短。人為強制卸壓是有效提高煤層透氣性、擴大抽放鉆孔影響范圍、提高煤層瓦斯抽采增濃的重要手段[3]，采用機械造穴擴孔進而擴展瓦斯滲流通道可實現卸壓增透?；诖?，在試驗礦井布置1組鉆孔進行機械造穴擴孔試驗，監測注水壓力及流量實時變化。試驗結束后聯接抽放系統考察相關瓦斯指標以驗證卸壓增透效果。

1.機械擴孔造穴強化卸壓增透抽采瓦斯原理

底板巖巷上向穿層鉆孔機械擴孔造穴卸壓增透技術在煤層的底板巖巷內施工上向打直徑穿層鉆孔至煤層頂板，利用機械擴孔裝置切割和高壓水射流沖刷煤體排出大量碎煤和瓦斯，使洞室擴大最終形成較大空間的洞室。使地應力顯著降低，應力集中向沖孔周圍移動，洞室周圍煤體孔裂隙擴展延伸。使沖孔附近煤體卸壓增透，煤體孔裂隙張開、擴展貫通，透氣性大幅增加，可以有效提高抽放效果，為區域瓦斯高效抽采提供條件[4]。

2.煤層機械擴孔瓦斯有效抽采半徑現場測定與考察

2.1 煤層機械擴孔造穴現場試驗

為對機械擴孔瓦斯抽采有效半徑進行考察研究，在以安陽地區某礦2303工作面底板巷、切眼底板巖巷布置三組考察鉆孔開展機械擴孔造穴實驗，機械擴孔造穴鉆孔竣工參數見表1。

表1 機械擴孔鉆孔參數

在設計位置施工煤層機械擴孔造穴試驗鉆孔（D18-10、D19-10、D23-5和D23-9），施工完成后進行水力沖孔，沖孔完成后對鉆孔進行封孔，并接瓦斯流量計，記錄抽采流量，瓦斯濃度[5]。

機械擴孔鉆孔D18-10、D19-10、D23-5和D23-9的沖煤量分別為3.8m3、3.4m3、2.4m3、3.2m3。根據出煤量體積和造穴煤孔長度，可以算出以上試驗鉆孔擴孔平均直徑分別為1.27m、1.04m、0.71m、0.90m。統計結果見表2。

表2 機械擴孔造穴試驗擴孔直徑

2.2 現場機械擴孔造穴和普通鉆孔瓦斯抽采效果對比分析

在2303工作面底板巷分別選取4個未沖孔鉆孔（D18-5、D19-5、D23-7、D23-12）與4個造穴鉆孔（D18-10、D19-10、D23-5、D23-9）進行對比考察分析，對鉆孔進行了連續25d的監測，統計結果見表3。

表3 造穴鉆孔和未造穴鉆孔抽采濃度對比分析表

由表3可知，機械造穴鉆孔平均日抽采優于未造穴鉆孔孔組的平均日抽采濃度，造穴鉆孔的平均日抽采濃度純量最高達到41%，是未造穴鉆孔的1.25倍。隨著連抽天數的增加，造穴鉆孔的平均日抽采純量初期有波動性下降并逐漸趨于平穩，但平均日抽采濃度始終保持在28%以上，是未造穴鉆孔的1.48倍以上。

依據表3可以得出以下結論：

（1）抽采1d后，造穴鉆孔平均單孔抽采濃度是未造穴鉆孔的1.06倍；造穴鉆孔平均單孔抽采濃度37.5%，未造穴鉆孔的平均單孔濃度是35.5%。

（2）抽采4d后，造穴鉆孔平均單孔抽采濃度是未造穴鉆孔的1.25倍；造穴鉆孔平均單孔抽采濃度41%（最大值），未造穴鉆孔的平均單孔濃度是32.8%。

（3）抽采15d后，造穴鉆孔平均單孔抽采濃度是未造穴鉆孔的1.49倍；造穴鉆孔平均單孔抽采濃度26.5%，未造穴鉆孔的平均單孔濃度是17.75%。

（4）抽采25d后，造穴鉆孔平均單孔抽采濃度是未造穴鉆孔的1.60倍；造穴鉆孔平均單孔抽采濃度20.0%，未造穴鉆孔的平均單孔濃度是12.5%。

以上現場試驗數據分析結果表明：機械造穴技術能顯著提高二1煤層的透氣性。相對于普通鉆孔，機械沖孔造穴鉆孔能顯著提高瓦斯抽采效果。

3.機械沖孔造穴有效半徑數值模擬

3.1 模型建立

為研究水力沖孔造穴與卸壓增透效果，使用FLAC3D數值分析軟件進行計算機模擬仿真研究。在數值模型中，設置邊界在距鉆孔中心20m處。對于半徑為0.3m或0.4m的鉆孔，根據FLAC3D中的準則，邊界設置在距鉆孔中心12m處，對于如此小的鉆孔，當邊界太遠時，模型在鉆孔開挖后立即達到平衡[6]。

根據安陽礦區某礦的二1煤層埋深和地質條件，煤體相對較軟（f＜0.5），抗壓強度在1MPa以下。與煤體相比在模擬中考慮了頂板和頂板巖體的彈性。頂板和頂層巖層的厚度設定為10m。3個主要原位應力分別為25、17.5和15MPa（x、y和z方向），如圖1所示。

圖1 鉆孔周圍的塑性區

在圖1的頂部邊界施加平均應力5MPa。室內試驗表明，煤體在常規壓縮試驗中表現為脆性斷裂。因此，本文提出了一個具有應變軟化特性的本構模型，采用非關聯流動法則對煤進行建模，根據地質報告和文獻確定了主焦煤礦二1煤層及頂底板的力學參數，見表4。

表4 煤層參數

3.2 水力沖孔造穴模擬效果

對不同半徑水力沖孔鉆孔造穴進行了數值模擬。在模擬中，鉆孔一次性沖孔造穴。圖2顯示了平衡后鉆孔周圍的塑性區。

圖2 鉆孔周圍應力降低區的分布（下降20%）

圖2中（a）半徑0.1m；（b）半徑0.3m；（c）半徑0.4m；（d）半徑0.6m；（e）半徑0.8m。很明顯，隨著鉆孔半徑的增大，塑性區擴展。由于初始應力的不對稱性，在小主應力方向上塑性區的范圍稍大。煤體的變形破壞引起了鉆孔周圍應力的重新分布。實際上，鉆孔周圍的應力降低區更重要，因為這一地區煤層氣更容易排出。為了比較，在不同的鉆孔半徑下，本次分析最小主應力減小超過20%的區域。如圖3所示。有趣的是，在主應力和次主應力方向上，應力降低區的范圍幾乎相同。因此，應力減低值（卸壓程度，而不是方向）是評價應力降低區的主要因素。

圖3 不同鉆孔半徑對應的應力降低區范圍（20%）

基于主焦煤礦二1煤層堅固性系數、頂底板巖性和力學參數，采用FLAC數值模擬軟件，對不同抽采時間、沖煤量為0.3t/m、0.4t/m、0.6t/m情況下的鉆孔有效抽采半徑進行數值模擬，模擬結果見表5。

表5 不同沖煤量和抽采時間對應的抽采有效半徑

4.結論

通過機械造穴擴孔試驗和鉆孔瓦斯流量監測研究及實驗室瓦斯突出參數測試，主要得出結論如下：

（1）在現場進行了機械擴孔造穴試驗，依據出煤量和造穴煤孔長度，計算試驗鉆孔擴孔平均直徑分別為1.27m、1.04m、0.71m、0.9m，遠大于原鉆孔直徑。

（2）機械而造穴后穿層鉆孔瓦斯流量、濃度及累計抽采純量大幅增加，煤層透氣性系數急劇增強。

（3）采用FLAC數值模擬軟件，得出了不同抽采時間、沖煤量為0.3t/m、0.4t/m、0.6t/m情況下的鉆孔有效抽采半徑進行數值模擬，模擬結果可知隨著造穴煤量的增加，對應的瓦斯抽采半徑隨之增大。