劉旭東，范酒源，王 剛,3，鞠 爽，馬祖杰

(1.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制—省部共建國家重點(diǎn)實驗室培育基地，山東 青島 266590)

隨著煤礦開采進(jìn)入深部區(qū)域，煤層的地應(yīng)力不斷升高，滲透性逐漸下降，致使動力災(zāi)害時常發(fā)生，嚴(yán)重影響了煤礦井下正常的采掘接替[1-4]。目前，水力化煤層增透技術(shù)是煤巖體結(jié)構(gòu)改造的有效技術(shù)，正向著集成化、多元化及智能化的方向發(fā)展[5]。隨著對煤層增透技術(shù)的不斷探索與創(chuàng)新，將高壓水力割縫與水力壓裂技術(shù)相結(jié)合，通過人工水力割縫技術(shù)輔助致裂煤體使其增透的方法，因其具有致裂范圍大、增透效果顯著等優(yōu)勢而得到了廣泛的推廣應(yīng)用[6]。我國煤層賦存與鉆孔布置具有復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，造成該技術(shù)被大范圍推廣應(yīng)用時仍需要突破許多技術(shù)瓶頸，尤其是現(xiàn)場工程應(yīng)用時鉆孔間距的合理布置問題亟待解決。

目前，諸多學(xué)者通過鉆孔周圍煤體的濕潤范圍確定鉆孔的布置間距。李志強(qiáng)等[7]通過研究計算了合理的注水壓力、注水時間、注水潤濕范圍等動態(tài)時空參數(shù)；李大廣等[8]構(gòu)建了不同注水壓力下的濕潤半徑與時間的數(shù)學(xué)模型；梁寶霞等[9]通過研究推導(dǎo)出注水時間、濕潤半徑、注水壓力與孔隙壓力的關(guān)系；陳小奎等[10]通過對注水鉆孔周圍煤體水含量的測量值計算出注水煤體的濕潤范圍；李宗翔等[11]通過模擬在厚煤層中注水的過程，獲得了煤體注水的最小濕潤范圍；李宗翔等[12]等利用數(shù)值模擬方法求解了煤層注水二維、三維非定常滲流方程，分析了鉆孔間距與濕潤范圍的動態(tài)變化關(guān)系；李宗翔等[13]等利用數(shù)值模擬方法描述了不同注水壓力下煤體的動態(tài)潤濕過程，分析了單、雙孔布置及注水參數(shù)的變化關(guān)系，給出了合理注水參數(shù)的確定方法；肖國清等[14]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論模擬了煤層注水的濕潤半徑；祖海軍[15]利用Fluent軟件模擬了煤層注水的濕潤半徑，為確定最佳鉆孔間距提供了參考依據(jù)；黃新杰[16]利用Fluent軟件與Flac3D軟件模擬了煤層注水后的濕潤范圍、濕潤程度及濕潤的分布狀態(tài)；劉令生等[17]運(yùn)用Fluent軟件，采用多孔介質(zhì)模型模擬了不同影響因素下煤層的濕潤半徑；胡華磊[18]基于分形理論構(gòu)建了煤層注水平面平行流的分形模型及注水濕潤半徑的計算關(guān)系式；張勁松[19]以注水孔為圓心，沿半徑方向施工若干不同距離的觀測孔測定其水分，現(xiàn)場確定了煤層注水的擴(kuò)散半徑。

相關(guān)學(xué)者對上述課題進(jìn)行了卓有成效的探索，并取得了豐碩的研究成果。但由于急傾斜特厚煤層地質(zhì)條件與開采工藝的特殊性，導(dǎo)致現(xiàn)場實施水力割縫結(jié)合水力壓裂技術(shù)潤濕煤體的鉆孔間距布置問題異常復(fù)雜，且針對急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的潤濕范圍演化規(guī)律的研究鮮有報道?；诖?，筆者在結(jié)合急傾斜特厚煤層特殊的地質(zhì)條件及開采工藝的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，探究急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤濕范圍演化規(guī)律，以期為施工現(xiàn)場鉆孔間距的合理布置提供理論參考。

1 工程概況

烏東煤礦是新疆主要煤礦區(qū)礦井之一，其煤層屬于急傾斜特厚煤層(≥8 m)，煤層傾角為45°，平均總厚度為28.47 m。北區(qū)可開采的45#煤層為瓦斯富集區(qū)且煤層的透氣性較差，瓦斯含量為6.26 m3/t，煤層初始透氣性系數(shù)為0.1 m2/(MPa2·d)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型

選用COMSOL數(shù)值仿真軟件模擬急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤濕范圍演化特征。在烏東煤礦北區(qū)+500 m水平45#煤層?xùn)|翼南巷內(nèi)，現(xiàn)場施工高壓水力“割—壓”鉆孔至上部+518 m水平。依據(jù)現(xiàn)場施工方案及煤層物理參數(shù)，建立與水平面成45°傾角的三維計算模型，模型的長×寬×高為280 m×40 m×25 m，鉆孔物理模型如圖1所示。

圖1 急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔物理模型

鉆孔直徑為113 mm，長度為55 m，開孔位置距離煤層底板1.5 m，傾角為16°。通過每個鉆孔旋轉(zhuǎn)切割3個圓盤式縫槽，割縫半徑為2 m，割縫寬度為0.8 m。

2.2 數(shù)值模擬條件與邊界設(shè)定

模擬單孔、雙孔及六孔高壓水力“割—壓”鉆孔在注水壓力為20、30、40 MPa條件下，達(dá)到飽和狀態(tài)時煤體的潤濕范圍(半徑)演化規(guī)律。

邊界設(shè)定如下：

1)模型底部邊界水平、垂直位移為0 m；

2)模型左右邊界設(shè)置為輥支撐；

3)模型其余邊界為自由邊界；

4)割縫鉆孔所有邊界均設(shè)置為注水壓力值，模型上部邊界、左右邊界壓力設(shè)置均為0 MPa。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.3.1 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤濕演化規(guī)律分析

注水壓力為20、30、40 MPa，注水時間分別為6、12、18 h時，單孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的注水壓力分布云圖如圖2所示。

圖2 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體注水壓力分布云圖

由圖2可知，注水壓力以鉆孔為中心線沿徑向逐漸向外遞減，且變化梯度不斷減小，到達(dá)一定距離后，壓力降至臨界壓力以下，煤體將不再受注水影響。以水分增量達(dá)1%作為煤體是否被浸濕的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)圖2的數(shù)值模擬結(jié)果，獲得單孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤半徑隨時間的變化曲線，如圖3所示。

圖3 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤半徑隨時間的變化曲線

由圖3可知，單孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的濕潤半徑隨注水壓力、注水時間的增加而增大。當(dāng)注水壓力每增加10 MPa，注水時間越長，煤體的濕潤半徑增加幅度越大；但當(dāng)注水時間相同時，注水壓力每增加10 MPa，煤體的注水濕潤半徑增加幅度逐漸減小，其主要原因為當(dāng)壓力增加到一定值后，鉆孔周圍煤體的滲透性幾乎不再發(fā)生變化，此時持續(xù)增加注水壓力對煤體滲流作用的影響正逐漸減弱。

2.3.2 雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤濕演化規(guī)律分析

注水壓力為20、30、40 MPa，注水時間分別為2、6、10 d時，雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的注水壓力分布云圖如圖4所示。依據(jù)圖4的數(shù)值模擬結(jié)果，獲得雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤半徑隨時間的變化曲線，如圖5所示。

圖4 雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體注水壓力分布云圖

圖5 雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤半徑隨時間的變化曲線

由圖5可知，在注水壓力20、30、40 MPa條件下，當(dāng)注水2 d時雙孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的濕潤半徑分別為6.1、7.1、7.8 m，壓力每增加10 MPa，注水濕潤半徑分別增加了1.0、0.7 m；同理，當(dāng)注水6 d時，壓力每增加10 MPa，注水濕潤半徑分別增加了1.8、1.3 m；當(dāng)注水10 d時，壓力每增加 10 MPa，注水濕潤半徑分別增加了2.1、1.5 m。在相同的注水時間下，注水濕潤半徑隨注水壓力的增加而增大。在相同注水壓力下，注水濕潤半徑隨注水時間的增加而增大，但兩者增加的幅度均逐漸減小，與單孔得出的結(jié)論一致。

2.3.3 六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤濕演化規(guī)律分析

注水壓力為20、30、40 MPa，注水時間分別為2、6、10 d時，六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的注水壓力分布云圖如圖6所示。

圖6 六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體注水壓力分布云圖

依據(jù)圖6的數(shù)值模擬結(jié)果，獲得六孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤半徑隨時間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 六孔高壓水力“割—壓”鉆孔在不同注水壓力下濕潤半徑隨時間的變化曲線

由圖7可知,六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的濕潤半徑隨注水壓力、注水時間的增加而增大，但增加速率逐漸減小，其主要原因為隨著注水時間的增加，煤體的飽和度及孔隙中的水分逐漸增加。當(dāng)注水16 d左右時，煤體濕潤半徑幾乎不再發(fā)生變化，此時煤體趨近于飽和狀態(tài)。在注水壓力20、30、40 MPa 下，煤體飽和狀態(tài)的注水濕潤半徑分別為11.6、13.8、15.3 m。

對比單孔、雙孔及六孔高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體潤濕演化規(guī)律可知：當(dāng)六孔高壓水力“割—壓”鉆孔間距為 30 m 時，可以更全面地濕潤煤體，達(dá)到預(yù)期的煤層注水潤濕效果。

2.3.4 “割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔周圍煤體潤濕演化規(guī)律對比分析

為了更加明顯地反映出采用水力割縫技術(shù)輔助潤濕煤體時的注水濕潤效果，對單孔高壓水力“割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔在注水壓力為20 MPa，相同注水時間條件下鉆孔周圍煤體潤濕演化規(guī)律進(jìn)行對比分析，其壓力分布云圖如圖8所示。依據(jù)圖8數(shù)值模擬結(jié)果，得到注水壓力20 MPa下，單孔高壓水力“割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔周圍煤體濕潤半徑隨時間的變化曲線，如圖9 所示。

圖8 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔周圍煤體注水壓力分布云圖

圖9 單孔高壓水力“割—壓”鉆孔與普通注水鉆孔周圍煤體濕潤半徑對比曲線

由圖9可知,在相同注水壓力、注水時間條件下，高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體的濕潤范圍明顯比普通注水鉆孔大。當(dāng)注水時間分別為1、2、3 d時，“割—壓”鉆孔的濕潤半徑比普通注水鉆孔的濕潤半徑分別大0.8、0.8、0.6 m。結(jié)果表明：采用水力割縫技術(shù)輔助潤濕煤體時，鉆孔周圍煤體的注水濕潤范圍更大、注水效果更顯著。

3 現(xiàn)場工業(yè)試驗

3.1 試驗區(qū)域煤體注水可注性分析

為判斷試驗區(qū)域煤體的可注性，對采集的煤樣全水分、真密度、塊體密度、孔隙率、吸水性、堅固性系數(shù)進(jìn)行了測定。測定結(jié)果表明：試驗區(qū)域煤的全水分Mt為3.2%、真密度ρ為1.35 g/cm3、塊體密度ρg為1.24 g/cm3、孔隙率q為8.15%、吸水性ωz為12.46%、堅固性系數(shù)f為0.8。根據(jù)MT/T 1023—2006《煤層注水可注性鑒定方法》[20]中煤層注水可注性判定規(guī)則：當(dāng)煤樣同時滿足Mt≤4%，q≥4%，ωz≥1%，f≥0.4時，煤層為可注水煤層，否則為不可注水煤層。由此判定試驗區(qū)域煤體為可注水煤層。

3.2 試驗區(qū)域鉆孔布置與技術(shù)實施

為驗證模擬結(jié)果的可靠性，在烏東煤礦北區(qū) +500 m 水平45#煤層?xùn)|翼南巷距離1#煤門向東40 m處，施工6個高壓水力“割—壓”鉆孔，其長度為 55 m，間距為30 m，6#鉆孔距離1#煤門190 m。1#～6#鉆孔終孔位置均落在北區(qū)+518 m水平45#煤層?xùn)|翼，鉆孔參數(shù)與數(shù)值模擬物理模型參數(shù)保持一致。在烏東煤礦北區(qū)+500 m水平45#煤層?xùn)|翼南巷40～190 m內(nèi)進(jìn)行高壓水力“割—壓”技術(shù)現(xiàn)場試驗，工藝流程為：施工鉆孔→高壓水力割縫→封孔→高壓注水。其中1#、2#鉆孔注水壓力為20 MPa；3#、4#鉆孔注水壓力為30 MPa；5#、6#鉆孔注水壓力為 40 MPa。注水時間均為16 d。鉆孔設(shè)計方案如圖10 所示。

圖10 高壓水力“割—壓”鉆孔設(shè)計方案

3.3 效果考察

以6#鉆孔為中心線，水分增加1%的界限為煤體的潤濕范圍[21]。采用鉆孔法與直接觀察法相結(jié)合的手段進(jìn)行潤濕范圍的測試工作。

1)首先按設(shè)計深度收集6#鉆孔的鉆屑，并測定鉆屑的原始水分。

2)然后按照設(shè)計要求對6#鉆孔進(jìn)行煤層高壓注水；待注水工作結(jié)束，按照設(shè)計方案依次施工測試鉆孔，同時收集鉆屑，鉆屑選取深度依次為10、15、25 m。

3)最后采用空氣干燥法測定樣品的全水分。

鉆孔注水潤濕范圍測試方案如圖11所示。

圖11 高壓水力“割—壓”6#鉆孔注水潤濕范圍測試方案

距離高壓水力“割—壓”6#鉆孔不同位置的測試孔，其煤樣全水分增量測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 高壓水力“割—壓”6#鉆孔周圍煤體全水分增量曲線

由圖12可知，以高壓水力“割—壓”6#鉆孔為中心線，在12 m以內(nèi)煤體全水分增量值在潤濕臨界線以上，為有效潤濕區(qū)域；在12～15 m內(nèi)，煤體全水分增量值在潤濕臨界線上下波動，為潤濕—非潤濕交錯區(qū)，不同位置煤樣全水分增量值差異可能是由煤體自身非均質(zhì)造成的。由此可知，高壓水力“割—壓”6#鉆孔的注水濕潤半徑為12～15 m，現(xiàn)場測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。因此認(rèn)為在烏東煤礦+500 m水平45#煤層?xùn)|翼南巷實施高壓水力“割—壓”技術(shù)時，“割—壓”鉆孔的間距選擇30 m較為合適。

4 結(jié)論

1)急傾斜特厚煤層高壓水力“割—壓”鉆孔周圍煤體注水濕潤范圍隨注水壓力、注水時間的增加而增大。當(dāng)注水壓力、注水時間達(dá)到一定范圍時，煤體的飽和度逐漸增加，濕潤半徑增加的幅度逐漸減小。

2)注水16 d左右時，在注水壓力40 MPa下，模擬六孔高壓水力“割—壓”鉆孔飽和狀態(tài)的注水濕潤半徑達(dá)15.3 m，而現(xiàn)場實測鉆孔的潤濕—非潤濕交錯區(qū)范圍在12～15 m內(nèi)，數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場實測的結(jié)果誤差較小，具有較高的準(zhǔn)確性。

3)在相同注水條件下，高壓水力“割—壓”鉆孔比普通高壓注水鉆孔的濕潤范圍更大，可以明顯地提高煤體的注水效率。