胡　杰，孫　臣

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037)

0　引言

預(yù)抽煤層瓦斯可有效釋放煤中地應(yīng)力及瓦斯?jié)撃躘1]，在一定煤層賦存條件下是一種行之有效的煤層區(qū)域消突措施[2,3]。隨著礦井開采深度及規(guī)模不斷加大，井下煤層瓦斯地質(zhì)條件越加復(fù)雜和多變，致使瓦斯含量、瓦斯壓力加大且分布不均，并使煤層透氣性系數(shù)逐漸降低[4-5]，常規(guī)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采已無法滿足現(xiàn)代礦井高效抽采的需要[6～8]。在這種背景下，水力化措施在低透氣性難抽煤層增透消突中得到了廣泛應(yīng)用，劉明舉等[9]在嚴(yán)重突出煤層采用水力沖孔措施起到了良好的綜合防突效果，且大幅降低了校檢超標(biāo)率，提高巷道掘進(jìn)速度；郭臣業(yè)[10]等提出了煤層控制水力壓裂概念，實現(xiàn)了目標(biāo)區(qū)域煤層的增透；宋維源等[11]闡述了水力割縫增透抽采瓦斯機(jī)理，現(xiàn)場試驗表明水力割縫措施后滲透率大幅度增加，提升瓦斯抽采速度及抽采率。結(jié)果表明[12～14]：水力割縫、水力壓裂以及水力沖孔等措施在煤層瓦斯高效抽采中取得了良好的效果，其中執(zhí)行水力割縫及水力壓裂措施需滿足超高水壓，并對裝置精度、耐壓能力等要求較高，同時高壓注水鉆進(jìn)過程中在突出煤層可能誘發(fā)突出，相比而言水力沖孔卸壓增透措施布置工藝簡單，沖孔時間較短，在低透氣性煤層尤其是在嚴(yán)重突出煤層中較其他水力化措施安全性更高[15]。但礦井在采取水力沖孔措施基礎(chǔ)上便直接進(jìn)行抽采管路接抽，并未對有效影響半徑進(jìn)行進(jìn)一步研究，導(dǎo)致抽采鉆孔布置參數(shù)不具有針對性及合理性，由于抽采鉆孔間距較大則會形成抽采盲區(qū)從而造成安全隱患，而抽采鉆孔間距較小則會增大工程量浪費生產(chǎn)成本，措施執(zhí)行存在一定的盲目性。基于此，以平煤十三礦為試驗礦井，對水力沖孔措施執(zhí)行后對低透氣煤層的有效影響半徑進(jìn)行效果考察，可有效指導(dǎo)抽采鉆孔的參數(shù)布置，以提高煤層瓦斯抽采效率，從而加快煤層高效抽采。

1　水力沖孔增大煤層透氣性機(jī)理分析

根據(jù)巖石力學(xué)理論[16]，鉆孔開挖后圍巖應(yīng)力發(fā)生重新分布，形成了卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū)，如圖1所示。根據(jù)應(yīng)力與滲流特征的關(guān)系[17]，卸壓區(qū)內(nèi)煤體裂隙擴(kuò)展，瓦斯能輕易地通過裂隙通道逸散到鉆孔內(nèi)；而應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤體承壓收縮，裂隙閉合，導(dǎo)致瓦斯難以逸散。

A—卸壓區(qū)；B—應(yīng)力集中區(qū)；C—原巖應(yīng)力區(qū)圖1　鉆孔應(yīng)力分布特征示意Fig.1　Drilling stress distribution feature picture

穿層鉆孔水力沖孔措施中是以巖柱作為安全屏障，利用乳化液泵等設(shè)備產(chǎn)生的高壓水射流沖刷鉆孔孔壁周圍的煤體，打破其平衡狀態(tài)致使大量煤體和瓦斯在水射流作用下由鉆孔排出，并在沖孔區(qū)域形成一定的孔洞。如圖2水力沖孔措施前后應(yīng)力分布特征所示，沖孔前由于單一鉆孔孔徑較小，對照圖1，卸壓區(qū)A區(qū)覆蓋范圍有限，從而造成瓦斯抽采流量小、濃度低，抽采效果差；執(zhí)行水力沖孔措施后，孔洞周圍煤體產(chǎn)生膨脹變形，使鉆孔周圍卸壓區(qū)A的范圍增大，且A區(qū)內(nèi)煤體裂隙擴(kuò)展發(fā)育，應(yīng)力逐漸釋放。根據(jù)瓦斯徑向流動理論，瓦斯將由壓力大的地方向壓力小的地方運移，致使瓦斯能輕易地通過裂隙通道逸散到鉆孔內(nèi)，由于卸壓范圍內(nèi)煤體內(nèi)的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，增大煤層透氣性系數(shù)。

圖2　水力沖孔措施執(zhí)行前后應(yīng)力分布特征Fig.2　Stress distribution feature picture before and after the hydraulic punching measures carried out

2　現(xiàn)場試驗考察

2.1　試驗工作面概況

平煤十三礦屬平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，設(shè)計生產(chǎn)能力為1.80 Mt/a，主采煤層為山西組下部己組煤，回采工作面采用鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的防突措施，但由于煤層透氣性系數(shù)低，瓦斯抽采效果不佳，造成鉆孔施工工程量大，影響生產(chǎn)速率。根據(jù)煤層賦存條件及現(xiàn)有采掘條件，選擇在己15-17煤層13051工作面機(jī)巷底抽巷內(nèi)開展水力沖孔有效影響半徑考察工作。13051工作面標(biāo)高-602～-695 m，走向長1190 m，傾斜長180 m，主采己15-17煤層屬低透氣性煤層，平均煤厚達(dá)5.8 m，煤層傾角8～12°，煤層原始瓦斯含量為16.09 m3/t，原始瓦斯壓力值3.6 MPa，經(jīng)鑒定為突出煤層，13051回采工作面順層抽采鉆孔采用上下順槽對向平行布置方式，抽采難度較大。

2.2　水力沖孔措施現(xiàn)場試驗

為消除煤層賦存變化及地質(zhì)構(gòu)造影響，選擇在13051工作面機(jī)巷550 m處煤層賦存穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行水力沖孔措施效果考察。為保證考察結(jié)果免受偶然因素影響，設(shè)計A，B，C 共3組試驗測試鉆孔，每組鉆孔布置方式相同，組內(nèi)共設(shè)計6個鉆孔，其中1～5#鉆孔為考察鉆孔，開孔點位于機(jī)巷內(nèi)，6#鉆孔為采取水力沖孔的措施孔，開孔點位于機(jī)巷底抽巷內(nèi)，考察鉆孔距離措施鉆孔的距離分別為1.25，3.75，6.25，8.75，11.25 m，組內(nèi)鉆孔布置方式示意圖如圖3所示。為了避免組間鉆孔相互影響，各組鉆孔間水平間距為25 m，并按照表1中設(shè)計參數(shù)施工。

圖3　水力沖孔有效影響半徑測試鉆孔布置方式示意Fig.3　Drilling arrangement of effective impact radius based on hydraulic flushing measures

組號鉆孔類型方位/°傾角/°煤孔長度/m鉆孔總長/m封孔長度/mA組措施孔42806.5027.0010.00考察孔421021.0021.0010.00B組措施孔42707.5027.5010.00考察孔42922.5022.5010.00C組措施孔42757.0027.5010.00考察孔421121.5024.5010.00

本次試驗采用鉆、沖、防一體化水力沖孔裝置并配合乳化液泵進(jìn)行水力沖孔，其中鉆頭為鉆沖自動切換專用鉆頭，通過控制水壓來進(jìn)行鉆進(jìn)與沖孔間的切換，水力沖孔工藝可歸納為：當(dāng)水壓低于0.5 MPa時，正常鉆孔鉆進(jìn)，鉆頭到達(dá)設(shè)定位置時，增加水壓至0.5 MPa以上，鉆頭內(nèi)高壓噴頭出水繼續(xù)鉆進(jìn)實現(xiàn)水力沖孔。根據(jù)試驗方案進(jìn)行鉆孔施工，施工完畢后采用同樣材質(zhì)的馬麗散對考察孔進(jìn)行封孔，并將各組中的考察鉆孔連接抽采管路。在執(zhí)行水力沖孔措施前、執(zhí)行水力沖孔措施過程中以及措施執(zhí)行完成后，分別測定了各測試鉆孔的混合流量及瓦斯?jié)舛?，并計算出純流量?/p>

3　試驗結(jié)果分析

基于現(xiàn)場水力沖孔措施前后瓦斯?jié)舛燃凹兞髁繉?shù)據(jù)的讀取整理，繪制成圖，如圖4所示。

圖4　A組測定結(jié)果Fig.4　The determination results of Group A

以圖4為例，A組試驗中1#考察鉆孔瓦斯?jié)舛燃凹兞髁繘_孔前分別為7.6%及4.56 L/min，瓦斯?jié)舛燃凹兞髁繘_孔后增加至25%及25 L/min，分別增至沖孔前的3.29倍及5.48倍；2#考察鉆孔瓦斯?jié)舛燃凹兞髁繘_孔前分別為12.2%及4.88 L/min，瓦斯?jié)舛燃凹兞髁繘_孔后增加至32%及25.6 L/min，分別增至沖孔前的2.62倍及5.25倍；3#考察鉆孔瓦斯?jié)舛燃凹兞髁繘_孔前分別為7.8%及3.9 L/min，瓦斯?jié)舛燃凹兞髁繘_孔后增加至16%及16 L/min，分別增至沖孔前的2.05倍及4.1倍；4#、5#考察孔濃度和純流量基本不發(fā)生改變。由此1#、2#和3#考察孔均在水力沖孔有效影響范圍內(nèi)，而4#和5#考察孔不在水力沖孔有效影響范圍之內(nèi)，A組試驗的水力沖孔有效影響半徑范圍約在3#和4#考察孔之間，為6.25～8.75 m。同理由圖5：1#、2#考察孔在沖孔前后瓦斯?jié)舛燃凹兞髁坑忻黠@成倍增加，均在水力沖孔有效影響范圍內(nèi)，3#、4#和5#考察孔內(nèi)濃度和純流量基本未發(fā)生變化，B組試驗水力沖孔有效影響半徑范圍約在2#和3#考察孔之間，為3.75～6.25m。同樣由圖6可得：C組試驗的水力沖孔有效影響半徑范圍約在3#和4#考察孔之間，為6.25～8.75 m。

圖5　B組測定結(jié)果Fig.5　The determination results of Group B

圖6　C組測定結(jié)果Fig.6　The determination results of Group C

通過A，B和C 3組試驗綜合分析，得到十三礦13051工作面己15-17煤層水力沖孔的有效影響半徑為6.75～8.25 m，同時考慮水力沖孔后鉆孔周圍的孔洞會隨著時間的推移逐漸消失，裂隙逐漸閉合，取經(jīng)驗安全系數(shù)0.7，由此水力沖孔實際有效影響半徑應(yīng)為4.8～5.9 m之間。

4　結(jié)論

1)水力沖孔措施可有效降低煤體周圍應(yīng)力、增大煤層透氣性系數(shù)，執(zhí)行沖孔措施后單孔瓦斯?jié)舛茸畹吞岣咧?.05倍、瓦斯純流量增至2.56倍以上，解決了低透氣煤層瓦斯抽采效率低下的問題，有效增強(qiáng)防治煤與瓦斯突出的能力。

2)采用瓦斯流量法，通過對A，B，C 3組測試鉆孔的現(xiàn)場考察，確定了穿層鉆孔條件下己15-17煤層水力沖孔有效影響半徑為4.8～5.9 m，可有效指導(dǎo)礦井瓦斯抽采鉆孔合理參數(shù)布置，以實現(xiàn)煤層瓦斯高效抽采。

3)采用多組試驗鉆孔耦合考察分析，并結(jié)合安全系數(shù)提供了1種水力沖孔措施有效半徑的考察方法，可推廣應(yīng)用于礦井其他生產(chǎn)工作面，對確立煤層瓦斯有效抽采半徑具有一定的指導(dǎo)意義。

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