荊俊杰，于麗雅，延 婧

（1.山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045008；2.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著深部煤炭資源開采，煤層瓦斯含量逐漸增加[1-5]，而煤層透氣性降低，極大增加了瓦斯抽采的難度。高效的瓦斯抽采技術(shù)成為消除煤與瓦斯突出的關(guān)鍵[6-8]，而煤層增透技術(shù)是瓦斯抽采的關(guān)鍵一環(huán)。水力化技術(shù)是深部高瓦斯煤層卸壓增透的關(guān)鍵技術(shù)[9]。宋晨鵬等[10]研究了水力壓裂技術(shù)的裂隙發(fā)育規(guī)律；侯曉偉等[11]探討了沁水盆地應(yīng)力作用下水力壓裂裂縫展布規(guī)律；張小東等[12]探討了研究區(qū)的煤層氣井水力壓裂后的裂縫形態(tài)；陶云奇等[13]自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺分析了裂隙的具體形態(tài)；門曉溪等[14]通過RFPA軟件分析了不同壓裂角度對裂隙形態(tài)的影響；趙瑜[15]運(yùn)用PPCZ模型分析了裂尖斷裂過程對裂縫擴(kuò)展的影響；張欣瑋等[16]自主研發(fā)設(shè)計出一種自吸式磨料射流割縫噴嘴；袁波等[17]分析了割縫設(shè)備的不同參數(shù)對流量的影響規(guī)律；李曉紅等[18]分析了過渡過程中系統(tǒng)能量特性與耗散規(guī)律；王剛等[19]研究了定向水力壓裂的割縫間距；鄒全樂等[20]研究了割縫預(yù)抽后瓦斯吸附特性的變化特征；馮丹等[21]利用自主研發(fā)的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置針對松軟煤層水力造穴后的卸壓特性進(jìn)行了研究；王新新等[22]借助軟件模擬水力造穴后煤層裂隙發(fā)育的過程；郝富昌等[23]從理論著手分析了孔徑變化規(guī)律；陶云奇等[24]利用自主研發(fā)的水力造穴試驗(yàn)裝置開展了水力造穴及瓦斯抽采試驗(yàn)研究，并基于抽采情況對增透效果進(jìn)行了評價。目前為止，關(guān)于水力化技術(shù)專家學(xué)者在實(shí)驗(yàn)、模擬、現(xiàn)場等方面取得了一定成果，但是關(guān)于造穴效果影響因素尚不明確，具體的造穴參數(shù)分析近乎空白。為此，基于前人所做的研究，采用物理相似模擬的方法對煤樣水力造穴，從多層面分析造穴參數(shù)對造穴效果的影響，并選取潞安集團(tuán)某礦進(jìn)行現(xiàn)場效果驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用自主研發(fā)的水力造穴試驗(yàn)平臺,平臺由高壓水泵站和鉆沖一體化鉆機(jī)2部分組成，試驗(yàn)平臺設(shè)計如圖1。

圖1 試驗(yàn)平臺設(shè)計Fig.1 Experimental platform design

最大水壓力為25MPa，鉆桿直徑為10mm。試驗(yàn)煤樣取自山西某礦，煤層煤樣普氏系數(shù)1.1 ，瓦斯壓力0.45 ～0.77MPa。

試驗(yàn)箱體內(nèi)空尺寸為1000mm×500mm×500 mm，試件箱的尺寸可以更好地模擬煤層不同位置的物理參數(shù)，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

在試件內(nèi)部分層均勻布置有36個氣體壓力傳感器，依次編號為1～36，傳感器布置如圖2。為準(zhǔn)確表達(dá)傳感器的分布位置，采用空間坐標(biāo)的方式對其進(jìn)行標(biāo)記。圖中P′為xy平面的傳感器位置，P（xp，yp，zp）為傳感器布置的空間位置。

圖2 傳感器布置Fig.2 Sensor layout

1.2 試驗(yàn)方法

為了探究水力造穴現(xiàn)場作業(yè)的關(guān)鍵影響因素：出煤量、造穴次數(shù)及穴間距對卸壓效果的影響，設(shè)計了單一變量試驗(yàn)，通過對水力造穴前后的氣體壓力進(jìn)行對比分析，進(jìn)而判斷3個因素對煤樣卸壓效果的影響。

為探究3個因素之間是否存在交互作用，交互作用是否對卸壓效果產(chǎn)生較大影響，設(shè)計出煤量A、造穴次數(shù)B、穴間距C3因素3水平17組試驗(yàn)。選取抽采過程中時間t=100min測試其瓦斯壓力，將瓦斯壓力輸入Design-Expert得到每2個因素間的優(yōu)化等高線及響應(yīng)曲面，分析各因素間交互作用對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.3 試驗(yàn)步驟

1）制備試驗(yàn)所需煤樣、安設(shè)傳感器、試驗(yàn)箱體密封，開啟數(shù)據(jù)采集儀。

2）將瓦斯氣體注入制備好的煤樣，并將瓦斯壓力保持在0.8MPa左右。

3）水力造穴試驗(yàn)。調(diào)節(jié)鉆桿位置和高壓水泵水壓，改變單一變量開始單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)完靜置測瓦斯含量。

4）開展多因素水力造穴試驗(yàn)，重復(fù)步驟2）。

5）試驗(yàn)結(jié)束后，停止地應(yīng)力加載并關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 造穴試驗(yàn)效果

2.1 單因素試驗(yàn)

為探究出煤量、造穴次數(shù)、孔間距對水力造穴的影響，設(shè)置多組單因素試驗(yàn)進(jìn)行考察，單孔出煤量對殘余瓦斯含量的影響如圖3。

圖3 單孔出煤量對殘余瓦斯含量的影響Fig.3 Effect of coal output on residual gas content

從圖3可以看出，當(dāng)單孔出煤量為0.3t時，瓦斯含量由原始含量10.8m3/t降低為7.74m3/t。隨著出煤量的增加，瓦斯含量逐漸下降且趨勢逐漸減緩。瓦斯含量逐漸下降的主要原因是初始狀態(tài)煤中瓦斯吸附解吸達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，隨著出煤量的增加破壞了這種動態(tài)平衡，促進(jìn)吸附態(tài)瓦斯解吸轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)發(fā)生自由逸散，導(dǎo)致煤中殘余瓦斯含量降低。

設(shè)置7組單因素試驗(yàn)，探究單孔造穴次數(shù)對水力造穴的影響，造穴次數(shù)對殘余瓦斯含量的影響如圖4。

圖4 造穴次數(shù)對殘余瓦斯含量的影響Fig.4 Effect of single hole flushing times on residual gas content

當(dāng)單孔造穴次數(shù)為9次時，瓦斯含量由初始值10.8m3/t降低為7.7m3/t，隨著造穴次數(shù)的增加，煤的致密狀態(tài)發(fā)生改變，透氣性增加，漏氣通道發(fā)育演化，瓦斯由原來的吸附狀態(tài)從漏氣通道中逸散，殘余瓦斯含量降低到7.23m3/t。

為探究孔間距對水力造穴的影響，設(shè)置7組單因素試驗(yàn)進(jìn)行考察，孔間距對殘余瓦斯含量的影響如圖5。當(dāng)孔間距為11m時，瓦斯含量由初始值10.8m3/t降低為7.92m3/t。隨著孔間距的降低，瓦斯進(jìn)一步解吸。當(dāng)孔間距為5m時，殘余瓦斯含量降低至7.51m3/t。

圖5 孔間距對殘余瓦斯含量的影響Fig.5 Effect of hole spacing on residual gas content

2.2 響應(yīng)面多因素分析

中心組合試驗(yàn)設(shè)計方案中的因素及水平見表1。根據(jù)Box-Benhnken理論，設(shè)計了17組試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案與結(jié)果見表2。

表1 中心組合試驗(yàn)設(shè)計方案中的因素及水平Table1 Factors and levels used in the Box-Behnken design

表2為17組試驗(yàn)對應(yīng)殘余氣體含量，對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，多種模型分析見表3，相關(guān)系數(shù)分析見表4。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table2 Experimental programs and results

表3 多種模型分析Table3 Multiple model analysis

由表4可以看出，線性模型的相關(guān)系數(shù)R2校正值為0.0335 ，2FI模型的相關(guān)系數(shù)校正值為-0.1741 ，二次模型的相關(guān)系數(shù)校正值為0.9600 ，三次模型的相關(guān)系數(shù)校正值為0.9534 ，相關(guān)系數(shù)R2校正值是評價試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)之間吻合程度的特征指標(biāo)，R2校正值越接近1，則表示數(shù)據(jù)與選取函數(shù)模型擬合程度越高。因此Design-Expert軟件推薦使用二次模型，該模型偏差最小，擬合度最強(qiáng)。

表4 相關(guān)系數(shù)分析Table4 Correlation coefficients analysis

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合與回歸分析，得到殘余瓦斯含量E的擬合回歸模擬方程為：

E=38.22-1.45A-1.424B-6.06C+0.2875AB+0.0375AC+0.0125BC-1.87A2+0.047B2+0.38C2

學(xué)生化殘差的正態(tài)概率分布圖如圖6，各點(diǎn)均勻分布大體呈現(xiàn)1條直線，表明二次模型準(zhǔn)確可靠。

圖6 學(xué)生化殘差的正態(tài)概率分布圖Fig.6 Normal probability plot of student residuals

響應(yīng)面二次模型及方差分析結(jié)果見表5，P值反映了顯著程度，P值越小則表示模型越顯著。建立模型F值為43.68 ，P值小于0.0001 ，顯示試驗(yàn)所建立的二次回歸模型極顯著；失擬項中，F(xiàn)=4.29 ，P=0.0966 ，表示失擬項不顯著；模型相關(guān)系數(shù)R2=0.96 ，說明殘余瓦斯含量的變化有96.00 %源自所選變量。顯著性檢驗(yàn)中，A、B、C3個因素P值均小于0.05 ，表示3項指標(biāo)顯著，且各因素顯著性影響大小排序?yàn)椋簡慰自煅ù螖?shù)B＞單孔出煤量A＞孔間距C；一次項PAB=0.0031 ，PAC=0.7812 ，PBC=0.3680 ，顯著性排序?yàn)锳B＞BC＞AC，AB的交互作用最為顯著。

表5 響應(yīng)面二次模型及方差分析結(jié)果Table5 Analysis of variance for the response surfacequadratic model and regression coefficients

為了更加形象直觀的表現(xiàn)3種因素的交互作用，Design-Expert根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪制出各自變量之間的優(yōu)化等高線及各自變量之間的響應(yīng)曲面，各自變量之間的優(yōu)化等高線如圖7，各自變量之間的響應(yīng)曲面如圖8。

圖7 各自變量之間的優(yōu)化等高線Fig.7 Optimized contours between the respective variables

圖8 各自變量之間的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surface between the respective variables

由圖7可知，顏色由藍(lán)到紅表示關(guān)聯(lián)性的由弱至強(qiáng)，AB曲線明顯比AC曲線和BC曲線變化快、坡度大，即AB交互作用更強(qiáng)，出煤量與造穴次數(shù)的交互作用對試驗(yàn)結(jié)果的影響更為顯著。

曲面的平緩程度可以反映交互作用的顯著性與大小，即曲面的曲率越大，交互作用越大。從圖8可以看出，曲面最陡的為圖8（a），AB的交互作用對殘余瓦斯含量影響最大，而最弱的是AC。出煤量與造穴次數(shù)對瓦斯吸附解吸影響最大，當(dāng)出煤量取較大值時，造穴次數(shù)越大，對殘余瓦斯含量的影響越大；造穴次數(shù)和孔間距對殘余瓦斯含量的影響次之，當(dāng)造穴次數(shù)取定值時，減小孔間距，殘余瓦斯含量發(fā)生變化，與單因素試驗(yàn)結(jié)果相一致。

對上述所得試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，利用Design-Expert軟件得到了1組推薦的試驗(yàn)參數(shù)：單孔出煤量為0.7t，造穴次數(shù)12次，孔間距8m。

3 本煤層現(xiàn)場試驗(yàn)

山西潞安集團(tuán)某礦3#煤層平均煤厚6.33m，煤層埋深為283～637m；煤層瓦斯含量為5.25 ～22.49 m3/t；煤層普氏系數(shù)平均為1.1 ，屬中硬煤。采用上述所得最佳造穴參數(shù)對N1105運(yùn)輸巷道進(jìn)行水力造穴，促進(jìn)區(qū)域預(yù)抽煤層瓦斯。

為了排除外界影響因素對瓦斯體積分?jǐn)?shù)的影響，試驗(yàn)決定以同一區(qū)域的鉆孔進(jìn)行對比分析，在N1105運(yùn)輸巷道布置2個試驗(yàn)造穴孔和6個普通孔，現(xiàn)場鉆孔布置圖如圖9，Z1、Z2為試驗(yàn)造穴孔，其余為普通造穴孔。試驗(yàn)造穴鉆孔按照單孔出煤量為0.7t，造穴次數(shù)12次，孔間距8m作業(yè)，造穴水壓為20MPa。

圖9 現(xiàn)場鉆孔布置圖Fig.9 Boreholes layout

在防突措施施工后，對運(yùn)輸巷道的瓦斯抽采數(shù)據(jù)均進(jìn)行了監(jiān)測，普通孔與試驗(yàn)孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)對比如圖10。

圖10 普通孔與試驗(yàn)孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison of gas extraction data between ordinary and test holes

由圖10（a）可以看出，試驗(yàn)孔的瓦斯體積分?jǐn)?shù)高于普通孔的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，且試驗(yàn)造穴孔的平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)可達(dá)45%以上，而普通造穴孔的平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)約為18%，且試驗(yàn)孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降趨勢較普通孔更慢；由圖10（b）可以看出，普通造穴孔瓦斯抽采量約為12L/min，造穴孔瓦斯抽采量可達(dá)40L/min以上。這是由于水力造穴施工后，煤體孔裂隙加大，由于進(jìn)行瓦斯抽采，吸附狀態(tài)的瓦斯解吸從煤層中逸出；同時由于水的流變作用，擴(kuò)大了卸壓影響范圍，在造穴后殘余瓦斯含量明顯下降。這表明水力造穴技術(shù)起到了卸壓增透的作用。

4 結(jié) 語

1）考慮了多個因素共同作用的交互性，先后設(shè)計了單一因素試驗(yàn)、3因素17組試驗(yàn)。通過等高線分析、響應(yīng)曲面分析得出：3因素中出煤量對水力造穴效果影響最大，孔間距次之。

2）通過Design-Expert對試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化分析得出：當(dāng)單孔出煤量為0.7t、造穴次數(shù)12次、孔間距8 m時，水力造穴效果最佳。

3）為驗(yàn)證試驗(yàn)所得參數(shù)的可靠性，選取潞安集團(tuán)某礦N1105運(yùn)輸巷道進(jìn)行水力造穴試驗(yàn)。通過對比造穴孔與普通孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了約2倍以上，瓦斯抽采量提高至3倍，驗(yàn)證了上述參數(shù)對現(xiàn)場造穴具有指導(dǎo)作用。