松軟低滲突出煤層水力沖孔卸壓增透研究

張 帥

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

近幾十年來，煤炭資源高強度持續開發，淺部資源日益枯竭，逐步轉向深部資源開采，開采深度的增加，地應力、地溫、煤層瓦斯壓力不斷增大，煤與瓦斯突出風險不斷增強，特別是松軟低滲突出煤層，相應的瓦斯治理難度不斷增大，制約煤礦安全高效綠色生產[1-7]。水力沖孔卸壓增透技術可控性好、強度適中，隨著大流量鉆沖一體化裝置不斷成熟完善，對于松軟低滲突出煤層，15～30 MPa 水射流足以滿足造穴孔徑要求，因此，對于松軟低滲突出煤層，水力沖孔是一項良好的卸壓增透瓦斯治理方法。

國內外學者對水力沖孔卸壓增透技術進行了研究。CUI 等[8]考慮圍巖應變軟化對水力沖孔圍巖應力變化的影響，研究了應變軟化對不同半徑鉆孔圍巖應力和塑性區的影響規律；LIU 等[9]通過引入貝里馬克-Roos 方程和PKN 模型,建立了孔洞形狀的BR-PKN 方程，并通過MATLAB 顯示了孔洞形態；劉廳等[10]通過構建卸壓煤層多場耦合模型建立了沖孔最優出煤量的判定指標體系，提出了瓦斯非均衡賦存煤層梯級精準增透強化抽采技術；牟全斌[11]針對三軟煤層，對沖孔設備優選、施工流程、排渣技術、煤水分離技術、護孔及封孔技術等關鍵環節進行了分析；許彥鵬等[12]研發出鉆、沖、護一體化裝置，實現了瓦斯抽采順層鉆孔鉆進、水力沖孔造穴和不提鉆隨鉆下篩管的一體化施工；任培良等[13]認為沖煤率越高，鉆孔間煤體的卸壓程度越大，煤體的滲透率越大，抽采后煤層瓦斯含量的降低幅度越大，對沖煤率對煤層卸壓增透及瓦斯抽采效果的影響規律進行了研究。

水力沖孔破碎煤巖卸壓增透機制十分復雜，基于前人基礎理論和現場試驗應用研究，考慮鉆孔群一定沖煤量（孔洞半經）條件下，開展了合理鉆孔布置間距研究，優化確定合理的鉆孔布置參數，對防止間距過小竄孔影響抽采效果、工程量過大大的問題，鉆孔間距過大卸壓不充分，抽采效果不均勻的問題具有重要意義。

1 工程背景

貴州能發高山礦業有限公司黔西市協和鎮高山煤礦（以下簡稱“高山煤礦”）為生產礦井，位于貴州省畢節市黔西市境內，設計生產能力60 萬t/a，服務年限為37.0 a，礦井首采9 號煤層，9 號煤層起伏變化較大，為典型的松軟低滲突出煤層，瓦斯含量在13～16 m3/t，瓦斯壓力達到1.34 MPa，煤層堅固性系數約0.22 左右，普通鉆孔瓦斯治理時間周期長，嚴重影響正常采掘接替，為高效治理煤巷條帶區域瓦斯，擬采用水力沖孔的卸壓增透措施。

2 水力沖孔卸壓增透機理

煤層段實施水力沖孔過程中，鉆孔周圍含瓦斯煤體受擾動影響，會經歷應力加載、超過屈服極限破壞，破壞煤體失去抵抗能力后隨水流沿鉆孔排出，在煤層中形成孔洞的過程。穿層鉆孔水力沖孔孔洞形態示意圖如圖1[14]，掏穴擴孔前后鉆孔周圍煤體應力分布示意圖如圖2。

圖1 穿層鉆孔水力沖孔孔洞形態示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole morphology of hydraulic punching through layer drilling

圖2 掏穴擴孔前后鉆孔周圍煤體應力分布示意圖Fig.2 Diagram of coal stress distribution around borehole before and after hole cutting and reaming

水力沖孔結束后，在孔洞周圍由近及遠依次會形成破碎區域、塑性區和彈性區域。破碎區域為因水射流沖擊發生破壞失去抵抗能力未排出鉆孔的煤體；塑性區域為因水射流影響應力超過屈服極限后仍具有一定支撐能力的煤體；彈性區域是指具體孔洞較遠應力發生變化，但未達到屈服極限或應力未發生變化區域的煤體。

水力沖孔形成的孔洞為周圍煤體卸壓變形提供空間，煤體卸壓變形的同時，煤體結構、孔裂隙張開度發生改變，從而促進孔洞周圍煤體瓦斯運移導流通道的數量和暢通性增大，滲透率提高。孔洞周圍煤體暴露面積增大，導流通道與負壓管路連通數量大幅增加，為周圍煤體內部卸壓瓦斯解吸和流動創造良好改性條件。

3 水力沖孔煤體卸壓量化表征分析

3.1 水力沖孔半徑理論計算

經現場巷道掘進現場實踐觀察，水力沖孔的形態呈現中間大、兩端小的腔體。為便于數值計算，簡化腔體形態為規則的圓柱體，根據水力沖孔煤屑反渣量等效計算水力沖孔孔洞半徑，公式如下：

式中：r為孔洞半徑；m為水力沖孔鉆孔反渣煤屑質量，取20 t；h為鉆孔穿煤長度，取4.4 m；ρ為高山煤礦9 號煤層反渣煤屑密度，取1.44 t/m3。

經計算，水力沖孔孔洞半徑在1 m 左右，為數值模擬孔洞半徑的確定提供了理論依據。

3.2 水力沖孔卸壓特征量化分析

以高山煤礦1908 底抽巷穿層鉆孔水力沖孔為工程研究背景，采用FLAC3D有限元數值模擬軟件，構建不同間距的水力沖孔數值計算模型，對水力沖孔孔洞周圍煤體塑性破壞特征、三向應力分布特征進行展現。依據礦井地質條件，分別建立鉆孔間距為8、7、6、5 m 的力學研究模型，形成的模型的尺寸（長×寬×高）分別為：16 m×8 m×19 m 、14 m×7 m×19 m、12 m×6 m×19 m、10 m×5 m×19 m，頂部因上覆巖層重力采用均布載荷邊界條件，在底部以及四周采用固定約束邊界條件，施加的x、y、z方向初始應力分別為9、9、11 MPa。采用Mohr-Coulumb 準則力學模型進行求解，1908 工作面頂底板巖層物理力學參數見表1。

表1 1908 工作面頂底板巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata at the top and bottom of 1908 working face

3.2.1 不同鉆孔間距條件下塑性破壞特征演化

水力沖孔力學模型構建完成后進行初始應力場平衡計算，最大不平衡力小于1×10-5視為平衡狀態，其后根據鉆孔設計間距進行鉆孔開挖，后續按照實際計算沖孔半徑1 m 進行孔洞開挖，重新平衡后為展示塑性破壞特征，在z方向上，以z=9.5 m 進行切片處理。水力沖孔周圍煤體塑性破壞區域量化表征如圖3。

圖3 水力沖孔周圍煤體塑性破壞區域量化表征Fig.3 Plastic failure zone characterization of coal around hydraulic punching

由圖3 可以看出，水力沖孔以后孔壁周圍煤體發生拉伸剪切破壞，即與理論分析的破碎區域相符，向外延伸煤體發生剪切破壞，即理論分析的塑性破壞區域，該區域超過屈服極限發生破壞，仍具有一定承載能力，繼續向外延伸，煤體發生彈性變形，未發生破壞，即彈性變形區域。水力沖孔以后拉伸剪切破壞區域范圍約為孔洞周圍在1.2～1.5 m 的范圍。隨著鉆孔間距的不斷減小，鉆孔間周圍煤體塑性破壞區域不斷接近，直至塑性破壞區域相互貫通。

當鉆孔間距為8 m 時，塑性破壞區域向外延伸1.2 m 后基本穩定，當鉆孔間距為7 m 時，塑性破壞區域向外延伸1.3 m 后基本穩定，塑性破壞范圍變化不大，當鉆孔間距為6 m 時，塑性破壞區域范圍增大至約1.5 不再向外側延伸。當鉆孔間距減小時，塑性破壞區域范圍略微增大，主要是受鉆孔間距減小煤體應力疊加， 承受載荷達到極限強度而發生破壞的影響；當鉆孔間距5 m 時，塑性破壞區域貫通，中間煤體失去部分承載能力，煤層頂板發生整體變形，頂板壓力主要由鉆孔群外實體煤來承擔，鉆孔間煤體發生塑性破壞，煤體間煤體裂隙充分發育，易引起鉆孔間竄孔影響瓦斯抽采效果，因此水力沖孔孔洞半徑1 m 的條件下， 鉆孔間距6 m 時鉆孔設計比較合理，孔洞周圍煤體塑性破壞區域較大，煤體得到充分卸壓又未相互貫通引起竄孔的問題。

3.2.2 不同鉆孔間距條件下的應力分布特征演化

為定量分析孔洞周圍煤體三向應力分布特征， 數值模擬計算完成以后， 以兩孔洞中心連線為煤體三向應力觀測線，提取煤體單元三向應力數據。水力沖孔周圍煤體三向應力特征曲線如圖4。

圖4 水力沖孔周圍煤體三向應力特征曲線Fig.4 Three-dimensional stress-strain curves of coal body around hydraulic punching

由圖4 可知：x方向水平應力不產生應力集中，距離孔洞距離越近，卸壓程度越高；y方向水平應力在孔洞周圍1.5 m 范圍內出現明顯的卸壓，1.5 m 范圍以外區域y方向水平應力變化不大；垂直應力在1.5 m 范圍內卸壓區域，1.5 m 范圍以外壓力增高，出現應力集中現象。

間距為8、7、6 m 時，水力沖孔孔洞周圍各自形成各自的垂直應力集中區域，應力曲線為雙峰曲線。隨著鉆孔間距的減小，應力曲線由“雙峰曲線”逐漸演化為“單峰曲線”，峰值應力增加。當鉆孔間距縮小至5 m 時，兩孔洞的應力集中區域出現疊加，變為單峰曲線，峰值應力達到16.2 MPa，鉆孔周圍煤體趨于一種不穩定狀態，孔洞失穩垮塌概率增大，離層裂隙導通容易引起竄孔，從而影響瓦斯治理效果。

3.3 水力沖孔增透量化特征分析

基于多孔介質有效應力原理，大量學者對煤層進行三維條件下應力、孔隙壓力與煤層滲透率試驗研究，得到三維情況下的體積應力、孔隙壓力與滲透率的關系式[15]：

式中：K為水力沖孔后煤體滲透率，10-15m2；K0為初始滲透值，10-15m2； Θ為煤體體積應力；p為瓦斯壓力，MPa；b為體積應力系數，取0.155 3；c為孔隙壓力系數，取0.198 7[16]；σ1、σ2、σ3為煤體x、y、z方向的三向垂直應力，MPa。

根據范超軍等[17]對煤體初始滲透率與埋深之間的關系研究，得出埋深與初始滲透率之間的關系如下：

式中：H為煤層埋深，取600 m。

將圖4 中煤體三向應力代入到式（3）中，可以得到水力沖孔后，鉆孔間距為8、7、6、5 m 4 種情況下孔洞周圍煤體的滲透率變化曲線，水力沖孔周圍煤體滲透率表征曲線如圖5。

圖5 水力沖孔周圍煤體滲透率表征曲線Fig.5 Permeability characterization curves of coal body around hydraulic punching

由圖5 可知：沿孔洞徑向1 m 范圍內滲透率在0.07～0.07×10-15m2范 圍 內，與 原 始 滲 透率0.014×10-15m2相 比，水 力 沖 孔 后 煤 體 提 高了5～50 倍，其余煤體滲透率變化不大。

4 現場應用效果

為考察水力沖孔卸壓增透強化抽采效果，以1908 運輸巷條帶區域為試驗區域，第2 評價單元（180 m 范圍）采用常規普通鉆孔，第3 評價單（180 m 范圍）采用水力沖孔卸壓增透措施同時施工，1908 運輸巷條帶區域鉆孔布置如圖6。鉆孔間距約6 m 左右，控制巷道兩幫15 m 的范圍。第3 評價單元鉆孔施工完成以后，采用水力沖孔設備進行水力沖孔，沖孔壓力15～30 MPa，沖孔孔洞半徑根據反渣情況控制在1 m 左右。

圖6 1908 運輸巷條帶區域鉆孔布置
Fig.6 Drilling arrangement in 1908 transportation lane strip area

第2 評價單元、第3 評價單元均設計鉆孔217 個，鉆孔施工完成后進行封孔連抽，分別于2023 年1 月8 日、 2023 年1 月10 日施工完成。1908 運輸巷條帶區域第2 評價單元實際施工鉆孔233 個，第3 評價單元實際施工鉆孔235 個，分別安裝自動計量裝置對2 個評價單元瓦斯抽采流量和瓦斯濃度進行監測和現場測定，1908 運輸巷條帶區域水力沖孔強化抽采效果考察結果如圖7。

圖7 1908 運輸巷條帶區域水力沖孔強化抽采效果考察結果Fig.7 Investigation results of enhanced pumping effect of hydraulic punching in the belt area of 1908 transportation lane

由圖7 可以看出，第3 評價單元瓦斯抽采純量在6.20～9.8 m3/min，瓦斯抽采體積分數在34%～57%，與相當條件下第2 評價單元傳統普通鉆孔相比，普通鉆孔瓦斯體積分數、純量衰減較快，水力沖孔鉆孔瓦斯體積分數、純量比較穩定，平均單孔純量提高了2～6 倍。

5 結 語

1）松軟低滲突出煤層水力沖孔為周圍煤體提供卸壓空間，煤體原始應力狀態重新分布，孔裂隙張開度、導通性大大增加，進而促進周圍煤體滲透率的提高。

2）對不同鉆孔間距條件下孔洞周圍煤體的塑性破壞特征進行了分析。孔洞周圍塑性破壞區域向外延伸1.2～1.5 m；隨鉆孔間距的減小，塑性破壞區域范圍變化不大；當鉆孔間距5 m 時，孔洞間塑性破壞區域貫通，煤體間煤體裂隙充分發育，易引起鉆孔間竄孔影響瓦斯抽采效果。

3）水力沖孔后孔洞間煤體x方向應力明顯降低，距離孔洞越近，降低幅度越大；y方向應力影響范圍與塑性破壞區域范圍相當；垂直應力峰值應力出現了明顯的升高，隨著鉆孔間距的減小，垂直應力曲線由雙峰曲線演化為單峰曲線。

4）確定了合理的鉆孔間距為6 m。現場實踐表明：水力沖孔后，單孔瓦斯抽采流量和體積分數明顯提高，支管瓦斯抽采純量在6.20～9.8 m3/min，瓦斯體積分數在34%～57%，卸壓增透效果良好。