唐文杰

(潞安化工集團(tuán)有限公司 市場(chǎng)技術(shù)部，山西 長(zhǎng)治 046000)

近年來(lái)，隨著煤炭開采深度和開采水平的延伸，開采條件更加復(fù)雜，出現(xiàn)高地應(yīng)力、高瓦斯、低滲透性和低強(qiáng)度等典型“二高二低”的煤層開采特征，本煤層鉆孔瓦斯抽采難度也日趨增大，水力造穴技術(shù)在高瓦斯和突出礦井得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。作為低滲煤層卸壓增透的有效技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水力造穴技術(shù)做了大量研究，分別從理論、實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、新工藝等方面對(duì)傳統(tǒng)水力造穴技術(shù)做了改進(jìn)，提高了本煤層瓦斯抽采鉆孔的抽采量,達(dá)到了消除突出和鉆孔增透的目的[5-9]。通過(guò)研究水力造穴的卸壓增透機(jī)制，為水力造穴在煤礦井下的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)[10-15]。

本文通過(guò)對(duì)目前水力造穴鉆孔及相鄰鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行分析考察，研究了不同造穴半徑和造穴間距對(duì)造穴增透效果的影響作用及尺度，進(jìn)一步優(yōu)化水力造穴工藝參數(shù)，從而為其他區(qū)域科學(xué)實(shí)施本煤層鉆孔分段水力造穴技術(shù)提供了理論依據(jù)。

1 本煤層分段水力造穴模擬模型及參數(shù)

本煤層分段水力造穴是指在煤礦井下打設(shè)瓦斯抽采鉆孔的基礎(chǔ)上，采用10～20 MPa的高壓水在煤體里沖出大量煤體形成直徑較大的卸壓洞穴，使煤體應(yīng)力發(fā)生變化，并且為瓦斯解吸提供更大的運(yùn)移空間，在洞穴周圍煤體形成許多裂隙，形成瓦斯運(yùn)移通道，配合瓦斯抽采釋放煤體里的瓦斯壓力，進(jìn)而增加煤層透氣性，提高瓦斯涌出量[16]。本煤層鉆孔分段水力造穴增透技術(shù)主要是通過(guò)增加造穴數(shù)量和增大造穴半徑等造穴參數(shù)，進(jìn)而增加鉆孔圍巖煤體采動(dòng)卸壓影響范圍，來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔圍巖煤體增透的目的。因此，研究本煤層鉆孔及水力造穴圍巖采動(dòng)影響因素及影響尺度是研究本煤層分段水力造穴煤層條件適用性、煤層增透效果及技術(shù)參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。鉆孔分段水力造穴增透技術(shù)施工示意如圖1所示。

圖1 鉆孔分段水力造穴增透技術(shù)施工示意

基于煤層損傷-應(yīng)力-滲流耦合模型，進(jìn)行高河能源3號(hào)煤層水力造穴卸壓機(jī)制以及增透效果數(shù)值模擬研究，基礎(chǔ)模型尺寸為20 m×6.8 m，如圖2所示，被三角網(wǎng)格劃分為1 842個(gè)單元，模擬參數(shù)根據(jù)高河能源3號(hào)煤層實(shí)際情況設(shè)定，如表1所示。

圖2 數(shù)值模擬的物理模型

2 水力造穴卸壓增透效果分析

水力造穴施工的關(guān)鍵基礎(chǔ)是合理確定造穴直徑與造穴間距，較小的造穴半徑或造穴間距會(huì)增加瓦斯抽采成本和施工工期；較大的造穴半徑或造穴間距會(huì)形成應(yīng)力集中和抽放盲區(qū)，無(wú)法均勻有效地增加施工工作面煤層透氣性系數(shù)，因此分析不同造穴參數(shù)對(duì)提高煤層卸壓增透效果具有十分重要的意義。

表1 高河能源 3號(hào)煤層物理參數(shù)

2.1 造穴半徑對(duì)煤層卸壓增透效果的影響

為分析造穴半徑對(duì)煤層卸壓增透效果的影響，分別模擬研究了造穴半徑為0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m時(shí)煤層的卸壓效果以及不同時(shí)間造穴孔的瓦斯抽采效果。

圖3為不同造穴半徑的洞穴周圍應(yīng)力分布圖。

圖3 不同半徑造穴孔周圍應(yīng)力分布

從圖3看出，隨著洞穴半徑的增加，洞穴周圍的煤體卸壓面積也不斷變大。當(dāng)洞穴半徑為0.2 m時(shí)，洞穴周圍卸壓區(qū)域范圍僅有1.5 m;而當(dāng)洞穴半徑增加到0.7 m，洞穴周圍卸壓區(qū)域范圍達(dá)到4.0 m，在洞穴周圍會(huì)出現(xiàn)一小段應(yīng)力增高區(qū)域，但隨著洞穴半徑的增加，這種應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)不斷減弱。當(dāng)洞穴半徑為0.2 m時(shí)，中線上應(yīng)力最大值為9.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.1；當(dāng)洞穴半徑為0.5 m時(shí)，洞穴中線上應(yīng)力最大值為8.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.05；當(dāng)洞穴半徑為0.7 m 時(shí)，洞穴中線上應(yīng)力最大值為7.9 MPa，小于洞穴未影響區(qū)域煤層應(yīng)力。由此可以看出，從煤層卸壓范圍到控制煤層應(yīng)力集中，增加洞穴半徑都會(huì)有很好的效果。

如圖4為不同造穴半徑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處滲透率變化?？梢钥闯?，造穴半徑越大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)卸壓越明顯，滲透率增幅越大。在抽采時(shí)間為90 d，造穴半徑分別0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的滲透率分別為1.34×10-17m2、1.35×10-17m2、1.36×10-17m2、1.37×10-17m2和1.38×10-17m2。以造穴半徑為0.2 m時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲透率做基準(zhǔn)，造穴半徑增加到0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m，抽采時(shí)間為90 d時(shí)，滲透率分別增加了0.7%、1.4%、2.3%、2.9%以及3.7%。在瓦斯抽采過(guò)程中煤層的滲透率也不斷增加，抽采時(shí)間為90 d，造穴半徑為0.2 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的滲透率增加了5.5%，而造穴半徑為0.7 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的滲透率增加了8.6%，這是因?yàn)樵煅ò霃皆酱?，煤層卸壓增透效果越好，孔隙壓力下降快，滲透率增加就越明顯。

圖4 不同造穴半徑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處滲透率變化

如圖5為不同造穴半徑鉆孔瓦斯抽采效果云圖(黑線范圍內(nèi)為有效卸壓范圍，瓦斯壓力小于0.74 MPa)?？梢钥闯觯S著瓦斯抽采工程的不斷進(jìn)行，抽采鉆孔附近區(qū)域的煤層壓力逐漸下降，在鉆孔附近形成1個(gè)低壓區(qū)域，即壓降漏斗，受應(yīng)力的影響，煤層有效卸壓范圍呈橢圓分布。隨著造穴孔半徑的增加，煤層卸壓面積增大，滲透率增高，煤層的瓦斯抽采效果越來(lái)越好。當(dāng)造穴半徑為0.2 m時(shí)，抽采90 d煤層橫向有效卸壓范圍為1.7 m，而當(dāng)造穴半徑為0.7 m時(shí)，抽采90 d，煤層橫向有效卸壓范圍達(dá)到了2.7 m。

圖5 不同造穴半徑鉆孔瓦斯抽采效果

2.2 造穴間距對(duì)煤層卸壓增透效果的影響

本節(jié)主要分析造穴間距對(duì)煤層卸壓增透效果的影響。將洞穴半徑設(shè)置為0.3 m，由于鉆孔相對(duì)于洞穴半徑較小，所以在模擬計(jì)算過(guò)程中忽略鉆孔的影響，不同造穴間距洞穴周圍應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 不同造穴間距洞穴周圍應(yīng)力分布

從圖6可以看出，不同間距的洞穴周圍均有應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)，在該位置處應(yīng)力發(fā)生集中現(xiàn)象。兩洞穴之間的間距越小，其中間位置處煤層卸壓幅度就越大。增加造穴間距不一定就能增加洞穴間煤層應(yīng)力集中范圍，當(dāng)洞穴間距由8 m增加到10 m時(shí)，煤層卸壓區(qū)域的面積反而減小了。

圖7為不同間距造穴時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處滲透率變化，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于兩洞穴中間?？梢钥闯?，隨著兩洞穴間距的減少，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處初始滲透率增大。受到洞穴卸壓增透的影響，在抽采過(guò)程中，煤層造穴間距越小時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲透率增幅也就越大。當(dāng)洞穴間距為10 m時(shí)，抽采90 d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲透率為1.29×10-17m2；而當(dāng)洞穴間距降為4 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲透率增加為1.39×10-17m2，增幅為7.7%。

圖7 不同間距造穴時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處滲透率變化

圖8為不同間距造穴時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力變化?？梢钥闯?，隨著兩洞穴間距的減少，抽采相同時(shí)間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處煤儲(chǔ)層壓力降幅會(huì)更明顯。當(dāng)洞穴間距為10 m時(shí)，抽采90 d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處煤孔隙壓力為0.81 MPa；而當(dāng)洞穴間距降為4 m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處煤孔隙壓力降為 0.46 MPa，降幅為43%，瓦斯抽采效果更好。

圖8 不同間距造穴時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)COMSOL數(shù)值模擬分別研究了不同造穴半徑和造穴間距對(duì)煤層卸壓增透效果的影響，得到如下結(jié)論：

1) 隨著造穴半徑的增加，洞穴周圍的煤體卸壓面積也不斷變大，但洞穴周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)不斷減弱。

2) 造穴半徑越大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)卸壓越明顯，滲透率增幅越明顯，在瓦斯抽采過(guò)程中煤層的滲透率也不斷增加，孔隙壓力下降快，煤層卸壓增透效果越好，瓦斯抽采效果也越好。

3) 不同造穴間距下洞穴周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，造穴間距越小，其中間位置處煤層卸壓幅度就越大。

4) 造穴間距越小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處初始滲透率就越大，受到洞穴卸壓增透的影響，在抽采過(guò)程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲透率增幅也就越大，煤儲(chǔ)層壓力降幅越明顯，瓦斯抽采效果也越好。