段守德，楊 威，宋浩然

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南 平頂山 467012； 2.中國礦業(yè)大學安全學院，江蘇 徐州 221116)

高瓦斯突出煤層具有低滲透、微孔隙、高吸附的特點[1]，常用的抽采技術措施效果不佳，施工難度大。水力沖孔、射流割縫等技術是煤層增透的有效技術[2]，部分學者分別運用數值模擬、實驗室實驗、工程試驗等方法開展研究，研究表明沖孔后煤體卸壓，提高了煤體滲透率，煤層中瓦斯被大量排出，強化了煤層瓦斯抽采，取得了較好的現場應用效果[3-9]。但沖孔后的鉆孔卸壓規(guī)模情況研究相比較少，因而本文采用理論和實踐相結合的方法研究沖孔卸壓半徑，進一步加強該技術的現場實用性。

1 高壓水力沖孔裝備

設備操作分為兩個連續(xù)的環(huán)節(jié)：首先通過鉆機施工順層或穿層鉆孔，其次通過水射流對煤體進行切割作業(yè)。這里的鉆孔施工與普通的鉆孔施工基本一致，可根據需要選擇螺旋鉆桿或者圓形鉆桿。當鉆進到達預定位置后，停止鉆進，啟動高壓泵站，調試壓力，在關閉鉆頭供水出口的同時打開鉆頭側向噴嘴，啟動鉆機退鉆，在退鉆時施行切割作業(yè)。通過對煤層進行切割，來完成卸壓增透，從而加大單個鉆孔的影響范圍，在削減工程量的同時提升瓦斯抽放效率。高壓水力沖孔裝備的適用條件應滿足：①軟煤煤體和硬度f<1.8的硬煤煤體；②穿層或順層抽采鉆孔；③瓦斯壓力大、含量高、抽采達標困難的煤層。

在水射流沖孔作業(yè)過程中，高壓泵出來的高壓水流經液壓控制平臺，分水器(水辮)，高壓密封鉆桿進入鉆割一體化鉆頭端頭的噴嘴，最后在噴嘴出口處以極高的速度形成高壓水射流對煤體進行切割作業(yè)，具體裝置工作水流路線見圖1。

圖1 裝置工作水流路線

為實現將機械鉆孔和水射流切割煤體相結合的主體功能，設備主要包括高壓乳化液泵站、水壓控制系統以及鉆機三大部分，三者之間以高壓管路相連。其高壓泵站由BRW80/35(原XRB2B(A)型)乳化液泵和XRXT系列乳化液箱構成；鉆機系統包括鉆機、鉆頭和耐高壓鉆桿，這些是沖孔的核心裝備，目前中國礦業(yè)大學、重慶大學、鐵福來公司等都可以生產相應的配件。

2 鉆孔卸壓效果數值模擬

利用FLAC3D軟件，采用數值模擬方法，以平頂山八礦己15煤層為研究對象，對不同孔徑鉆孔在不同孔間距時的卸壓效果進行研究。在出煤量、孔間距彼此變化的條件下，探究鉆孔周圍的應力分布規(guī)律，以及不同的直徑穿層鉆孔的影響范圍和彼此間的相互影響，優(yōu)化穿層鉆孔位置的分布。

2.1 模型的建立

由于煤層內穿層鉆孔施工后，其周圍煤體將會發(fā)生塑性變形，因此，采用Mohr-Coulomb模型進行計算。所建立的模型原始應力為30 MPa，模型的頂部設定為應力邊界，并且在其上施加30 MPa的應力，為了運算的方便，對模型進行了必要的理想化假設，假設條件：①整個模型的三向應力相等；②模型底部的四個側面為滾支邊界，并且其節(jié)點可以在上面滑動，不可離開邊界界面；③沖孔的整體形狀為正圓柱體。

建立的數值模型如圖2所示，從左至右共設置7個鉆孔，相鄰的鉆孔間距分別15 m、10 m、7.5 m、5 m、4 m、3 m，且其鉆孔距模型的邊界均為10 m，模型參數見表1。

圖2 數值模型

表1 模型參數取值

2.2 數值結果分析

根據建立的模型，分別對半徑0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.7 m的鉆孔卸壓效果進行數值模擬，根據得出的模擬結果，導出各個鉆孔水平應力，最大主應力、最小主應力數據。并根據煤巖的密度，將鉆孔孔徑與每米出煤量進行換算，得到每米煤孔在不同孔徑下的出煤量(圖3)。依據不同出煤量、不同間距條件下各向應力分布規(guī)律，進而繪制出每米煤孔在不同出煤量不同間距條件下應力分布規(guī)律圖(圖4)和不同出煤量條件下鉆孔周圍最大應力集中圖(圖5)。

從圖3和圖4(a)中可以發(fā)現，鉆孔直徑越大，即出煤量越多，鉆孔周圍的徑向應力受相鄰鉆孔影響越大，徑向應力降幅增大，卸壓效果越好。當孔間距為3 m時，煤體的徑向應力明顯降低，孔徑越大，徑向應力降幅越大，孔徑半徑大于0.4 m時，徑向應力為原始應力的29%～58%。隨著間距的增加，鉆孔間煤體的徑向應力降幅減少，當孔間距為15 m時，最大徑向應力為原始應力的96%～99%。因此，不同的孔間距影響煤體的應力分布，對于不同直徑的穿層鉆孔，必定存在著與之對應的一個最大鉆孔間距，使得鉆孔間的煤體應力均小于某一個臨界值。若煤體卸壓率達到10%，實現煤體有效卸壓，則不同孔徑鉆孔存在對應合理鉆孔間距和出煤量，使得煤體有效卸壓。然而由切向應力分布規(guī)律圖4(b)看出，沖孔之后周圍煤體徑向應力卸載，切向應力仍然會產生應力集中，見圖5。

圖3 每米煤孔在不同孔徑下的出煤量

圖4 每米煤孔在不同出煤量不同間距條件下應力分布規(guī)律

圖5 不同出煤量條件下鉆孔周圍最大應力集中

由圖5可知，當出煤量為0.04 t/m時，鉆孔半徑為0.1 m，應力集中為最小，卸壓結果較差。上述結果表明鉆孔卸壓效果同出煤量的增大而增大，但當水力沖孔半徑在0.3～0.5 m之后，孔徑繼續(xù)增大，卸壓效果增大趨勢不明顯，同時，鉆孔出煤量在0.37～1.0 t/m范圍內時，鉆孔四周的應力集中程度較輕。綜合兩方面因素，孔徑小，則卸壓效果不明顯，孔徑大則會產生較高的應力集中，因此煤孔的出煤量在0.37～1.0 t/m之間時效果較好。此外隨著出煤量增多，鉆孔孔徑增大，煤體蠕變至穩(wěn)定的時間越長，如果沖孔后周圍應力為平衡，則會導致煤體硬度不均，掘進工作面的支撐壓力會發(fā)生較劇烈的變化，反而會促進了突出危險性。

假設煤體卸壓率達到10%，就可以實現有效卸壓，則當鉆孔間距、出煤量如下述對應時可以實現充分卸壓，也為水力沖孔的鉆孔布置提供理論依據。

1) 孔間距5 m且孔直徑0.6 m(出煤量0.37 t/m)時，鉆孔之間的煤巖體可以全部實現卸壓10%以上。

2) 孔間距7.5 m且孔直徑0.8 m(出煤量0.65 t/m)時，鉆孔之間的煤巖體可以全部實現卸壓10%以上。

3) 孔間距10 m且孔直徑1 m(出煤量1 t/m)時，鉆孔之間的煤巖體可全部實現卸壓10%以上。

4) 孔間距超過15 m時，單純依靠水力沖孔很難實現卸壓10%以上。

3 沖孔半徑現場測試及分析

采取鉆孔瓦斯流量法對排放鉆孔和沖孔鉆孔的影響半徑進行測定，探究沖孔鉆孔的卸壓效果。

3.1 實驗區(qū)概況

己15-22060采面位于八礦二水平己二采區(qū)下部西翼，采面傾斜長度為150 m，頂板為沙質泥巖和沙巖，底板均為砂質泥巖。己15-22060低抽巷設計890 m，用于掩護己15-22060進風巷掘進，底抽巷和進風巷水平距離25 m，垂直距離20 m。測試鉆孔從底抽巷上方開口進入煤層，施工一組平行鉆孔，共11個，如圖6和圖7所示。

圖7中11號為水力沖孔鉆孔，在不同距離處設置抽采鉆孔1#～10#，為考察鉆孔。鉆孔施工順序為，先施工直徑為75 mm的普通抽采鉆孔，在每一個考察鉆孔施工完成后立即封閉鉆孔全部巖石段。待封孔完畢后，施工中間的11號鉆孔：首先進行普通抽采鉆孔影響半徑測試，當打鉆穿過己16-17煤后停止鉆進，連續(xù)觀測4次1#～10#考察孔的流量，每10 min測量一次，流量不變后，記錄測試數據；繼續(xù)施工并穿過己15煤之后，連續(xù)觀測5次1#～10#考察孔的流量，每10 min觀測一次，流量穩(wěn)定后停止觀測，記錄測試數據；進行沖孔影響半徑測試，完成巖段擴孔工作后，將沖孔用鉆頭送至己15煤見煤點，停鉆觀測4次1#～10#考察孔流量，每10 min觀測一次，流量穩(wěn)定后停止觀測；隨后進行沖孔，沖孔直徑為89 mm，出煤量達3 t時，停止沖孔，觀測1#～10#考察孔的流量，每10 min觀測一次，觀測6次，流量穩(wěn)定后停止觀測，現場測試結束。

3.2 測試結果分析

依照測試的數據，繪制出全部過程當中各測量鉆孔的瓦斯流量變化圖，見圖8。

圖6 鉆孔布置剖面

圖7 鉆孔布置軌跡示意圖

圖8 各測量鉆孔瓦斯流量變化圖

分析圖8可得如下結果。

1) 普通抽采鉆孔施工后，所有考察孔的瓦斯流量沒有顯著增加，表明普通孔施工之后擾動半徑小于1 m；水力沖孔后，考察孔瓦斯的流量顯著升高，離沖孔鉆孔越遠，瓦斯效果增幅越不顯著。

2) 水力沖孔出煤3 t以后，3#、4#、6#、7#、8#鉆孔流量順次提升65.0%、62.8%、49.6%、58.7%、52.2%(5號鉆孔穿孔)，流量均顯著增大，處在水力沖孔的有效影響范圍之內，擾動半徑大于4 m；1#、2#、9#、10#鉆孔的瓦斯流量沒有顯著增大，位于沖孔的影響范圍之外。

3) 水力沖孔出煤3 t之后卸壓擾動半徑比普通孔大4倍以上。

從現場實驗可以看出，使用水力沖孔技術增大擾動半徑，能有效地增加抽采瓦斯的效率，提高煤體卸壓的效果。實驗得出的水力沖孔擾動半徑為4 m，與上述鉆孔卸壓數值模擬中，孔間距5 m，孔徑半徑0.4 m的鉆孔，能使孔間煤體達到有效卸壓的結論相吻合。驗證了數值模擬的準確性，為優(yōu)化穿層鉆孔分布情況，提升煤體卸壓效果給出了可行的理論依據。

4 結 論

1) 隨著鉆孔直徑的增大，孔四周的徑向應力降幅增大，卸壓效果越好；鉆孔間距越大，孔四周的徑向應力遭受的鉆孔影響減小，卸壓的效果稍有增大。

2) 對不同的鉆孔半徑，有相應的有效鉆孔間距，因此鉆孔間的煤體應力存在某一個臨界值。在此臨界值下，對不同出煤量的孔，通過合理控制鉆孔間距和出煤量，可以讓煤體得到有效卸壓。

3) 對比模擬與現場測試數據，若使煤體達到良好的卸壓效果，煤孔的理論半徑在0.3～0.5 m范圍內，即出煤量在0.37～1 t/m范圍內，煤孔的理論孔間距在5 m左右。

4) 現場實驗測試表明，水力沖孔后，鉆孔的擾動半徑比沖孔之前增大了4倍以上，這與FLAC3D數值模擬的研究結果相互吻合，現場水力沖孔的卸壓效果良好，能有效地提高抽采瓦斯的效率。