張 帥

（1.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；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

近幾十年來，煤炭資源高強度持續(xù)開發(fā)，淺部資源日益枯竭，逐步轉(zhuǎn)向深部資源開采，開采深度的增加，地應(yīng)力、地溫、煤層瓦斯壓力不斷增大，煤與瓦斯突出風(fēng)險不斷增強，特別是松軟低滲突出煤層，相應(yīng)的瓦斯治理難度不斷增大，制約煤礦安全高效綠色生產(chǎn)[1-7]。水力沖孔卸壓增透技術(shù)可控性好、強度適中，隨著大流量鉆沖一體化裝置不斷成熟完善，對于松軟低滲突出煤層，15～30 MPa 水射流足以滿足造穴孔徑要求，因此，對于松軟低滲突出煤層，水力沖孔是一項良好的卸壓增透瓦斯治理方法。

國內(nèi)外學(xué)者對水力沖孔卸壓增透技術(shù)進行了研究。CUI 等[8]考慮圍巖應(yīng)變軟化對水力沖孔圍巖應(yīng)力變化的影響，研究了應(yīng)變軟化對不同半徑鉆孔圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)的影響規(guī)律；LIU 等[9]通過引入貝里馬克-Roos 方程和PKN 模型,建立了孔洞形狀的BR-PKN 方程，并通過MATLAB 顯示了孔洞形態(tài)；劉廳等[10]通過構(gòu)建卸壓煤層多場耦合模型建立了沖孔最優(yōu)出煤量的判定指標體系，提出了瓦斯非均衡賦存煤層梯級精準增透強化抽采技術(shù)；牟全斌[11]針對三軟煤層，對沖孔設(shè)備優(yōu)選、施工流程、排渣技術(shù)、煤水分離技術(shù)、護孔及封孔技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了分析；許彥鵬等[12]研發(fā)出鉆、沖、護一體化裝置，實現(xiàn)了瓦斯抽采順層鉆孔鉆進、水力沖孔造穴和不提鉆隨鉆下篩管的一體化施工；任培良等[13]認為沖煤率越高，鉆孔間煤體的卸壓程度越大，煤體的滲透率越大，抽采后煤層瓦斯含量的降低幅度越大，對沖煤率對煤層卸壓增透及瓦斯抽采效果的影響規(guī)律進行了研究。

水力沖孔破碎煤巖卸壓增透機制十分復(fù)雜，基于前人基礎(chǔ)理論和現(xiàn)場試驗應(yīng)用研究，考慮鉆孔群一定沖煤量（孔洞半經(jīng)）條件下，開展了合理鉆孔布置間距研究，優(yōu)化確定合理的鉆孔布置參數(shù)，對防止間距過小竄孔影響抽采效果、工程量過大大的問題，鉆孔間距過大卸壓不充分，抽采效果不均勻的問題具有重要意義。

1 工程背景

貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司黔西市協(xié)和鎮(zhèn)高山煤礦（以下簡稱“高山煤礦”）為生產(chǎn)礦井，位于貴州省畢節(jié)市黔西市境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力60 萬t/a，服務(wù)年限為37.0 a，礦井首采9 號煤層，9 號煤層起伏變化較大，為典型的松軟低滲突出煤層，瓦斯含量在13～16 m3/t，瓦斯壓力達到1.34 MPa，煤層堅固性系數(shù)約0.22 左右，普通鉆孔瓦斯治理時間周期長，嚴重影響正常采掘接替，為高效治理煤巷條帶區(qū)域瓦斯，擬采用水力沖孔的卸壓增透措施。

2 水力沖孔卸壓增透機理

煤層段實施水力沖孔過程中，鉆孔周圍含瓦斯煤體受擾動影響，會經(jīng)歷應(yīng)力加載、超過屈服極限破壞，破壞煤體失去抵抗能力后隨水流沿鉆孔排出，在煤層中形成孔洞的過程。穿層鉆孔水力沖孔孔洞形態(tài)示意圖如圖1[14]，掏穴擴孔前后鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布示意圖如圖2。

圖1 穿層鉆孔水力沖孔孔洞形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole morphology of hydraulic punching through layer drilling

圖2 掏穴擴孔前后鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布示意圖Fig.2 Diagram of coal stress distribution around borehole before and after hole cutting and reaming

水力沖孔結(jié)束后，在孔洞周圍由近及遠依次會形成破碎區(qū)域、塑性區(qū)和彈性區(qū)域。破碎區(qū)域為因水射流沖擊發(fā)生破壞失去抵抗能力未排出鉆孔的煤體；塑性區(qū)域為因水射流影響應(yīng)力超過屈服極限后仍具有一定支撐能力的煤體；彈性區(qū)域是指具體孔洞較遠應(yīng)力發(fā)生變化，但未達到屈服極限或應(yīng)力未發(fā)生變化區(qū)域的煤體。

水力沖孔形成的孔洞為周圍煤體卸壓變形提供空間，煤體卸壓變形的同時，煤體結(jié)構(gòu)、孔裂隙張開度發(fā)生改變，從而促進孔洞周圍煤體瓦斯運移導(dǎo)流通道的數(shù)量和暢通性增大，滲透率提高?？锥粗車后w暴露面積增大，導(dǎo)流通道與負壓管路連通數(shù)量大幅增加，為周圍煤體內(nèi)部卸壓瓦斯解吸和流動創(chuàng)造良好改性條件。

3 水力沖孔煤體卸壓量化表征分析

3.1 水力沖孔半徑理論計算

經(jīng)現(xiàn)場巷道掘進現(xiàn)場實踐觀察，水力沖孔的形態(tài)呈現(xiàn)中間大、兩端小的腔體。為便于數(shù)值計算，簡化腔體形態(tài)為規(guī)則的圓柱體，根據(jù)水力沖孔煤屑反渣量等效計算水力沖孔孔洞半徑，公式如下：

式中：r為孔洞半徑；m為水力沖孔鉆孔反渣煤屑質(zhì)量，取20 t；h為鉆孔穿煤長度，取4.4 m；ρ為高山煤礦9 號煤層反渣煤屑密度，取1.44 t/m3。

經(jīng)計算，水力沖孔孔洞半徑在1 m 左右，為數(shù)值模擬孔洞半徑的確定提供了理論依據(jù)。

3.2 水力沖孔卸壓特征量化分析

以高山煤礦1908 底抽巷穿層鉆孔水力沖孔為工程研究背景，采用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建不同間距的水力沖孔數(shù)值計算模型，對水力沖孔孔洞周圍煤體塑性破壞特征、三向應(yīng)力分布特征進行展現(xiàn)。依據(jù)礦井地質(zhì)條件，分別建立鉆孔間距為8、7、6、5 m 的力學(xué)研究模型，形成的模型的尺寸（長×寬×高）分別為：16 m×8 m×19 m 、14 m×7 m×19 m、12 m×6 m×19 m、10 m×5 m×19 m，頂部因上覆巖層重力采用均布載荷邊界條件，在底部以及四周采用固定約束邊界條件，施加的x、y、z方向初始應(yīng)力分別為9、9、11 MPa。采用Mohr-Coulumb 準則力學(xué)模型進行求解，1908 工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 1908 工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata at the top and bottom of 1908 working face

3.2.1 不同鉆孔間距條件下塑性破壞特征演化

水力沖孔力學(xué)模型構(gòu)建完成后進行初始應(yīng)力場平衡計算，最大不平衡力小于1×10-5視為平衡狀態(tài)，其后根據(jù)鉆孔設(shè)計間距進行鉆孔開挖，后續(xù)按照實際計算沖孔半徑1 m 進行孔洞開挖，重新平衡后為展示塑性破壞特征，在z方向上，以z=9.5 m 進行切片處理。水力沖孔周圍煤體塑性破壞區(qū)域量化表征如圖3。

圖3 水力沖孔周圍煤體塑性破壞區(qū)域量化表征Fig.3 Plastic failure zone characterization of coal around hydraulic punching

由圖3 可以看出，水力沖孔以后孔壁周圍煤體發(fā)生拉伸剪切破壞，即與理論分析的破碎區(qū)域相符，向外延伸煤體發(fā)生剪切破壞，即理論分析的塑性破壞區(qū)域，該區(qū)域超過屈服極限發(fā)生破壞，仍具有一定承載能力，繼續(xù)向外延伸，煤體發(fā)生彈性變形，未發(fā)生破壞，即彈性變形區(qū)域。水力沖孔以后拉伸剪切破壞區(qū)域范圍約為孔洞周圍在1.2～1.5 m 的范圍。隨著鉆孔間距的不斷減小，鉆孔間周圍煤體塑性破壞區(qū)域不斷接近，直至塑性破壞區(qū)域相互貫通。

當鉆孔間距為8 m 時，塑性破壞區(qū)域向外延伸1.2 m 后基本穩(wěn)定，當鉆孔間距為7 m 時，塑性破壞區(qū)域向外延伸1.3 m 后基本穩(wěn)定，塑性破壞范圍變化不大，當鉆孔間距為6 m 時，塑性破壞區(qū)域范圍增大至約1.5 不再向外側(cè)延伸。當鉆孔間距減小時，塑性破壞區(qū)域范圍略微增大，主要是受鉆孔間距減小煤體應(yīng)力疊加， 承受載荷達到極限強度而發(fā)生破壞的影響；當鉆孔間距5 m 時，塑性破壞區(qū)域貫通，中間煤體失去部分承載能力，煤層頂板發(fā)生整體變形，頂板壓力主要由鉆孔群外實體煤來承擔(dān)，鉆孔間煤體發(fā)生塑性破壞，煤體間煤體裂隙充分發(fā)育，易引起鉆孔間竄孔影響瓦斯抽采效果，因此水力沖孔孔洞半徑1 m 的條件下， 鉆孔間距6 m 時鉆孔設(shè)計比較合理，孔洞周圍煤體塑性破壞區(qū)域較大，煤體得到充分卸壓又未相互貫通引起竄孔的問題。

3.2.2 不同鉆孔間距條件下的應(yīng)力分布特征演化

為定量分析孔洞周圍煤體三向應(yīng)力分布特征， 數(shù)值模擬計算完成以后， 以兩孔洞中心連線為煤體三向應(yīng)力觀測線，提取煤體單元三向應(yīng)力數(shù)據(jù)。水力沖孔周圍煤體三向應(yīng)力特征曲線如圖4。

圖4 水力沖孔周圍煤體三向應(yīng)力特征曲線Fig.4 Three-dimensional stress-strain curves of coal body around hydraulic punching

由圖4 可知：x方向水平應(yīng)力不產(chǎn)生應(yīng)力集中，距離孔洞距離越近，卸壓程度越高；y方向水平應(yīng)力在孔洞周圍1.5 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的卸壓，1.5 m 范圍以外區(qū)域y方向水平應(yīng)力變化不大；垂直應(yīng)力在1.5 m 范圍內(nèi)卸壓區(qū)域，1.5 m 范圍以外壓力增高，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

間距為8、7、6 m 時，水力沖孔孔洞周圍各自形成各自的垂直應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力曲線為雙峰曲線。隨著鉆孔間距的減小，應(yīng)力曲線由“雙峰曲線”逐漸演化為“單峰曲線”，峰值應(yīng)力增加。當鉆孔間距縮小至5 m 時，兩孔洞的應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)疊加，變?yōu)閱畏迩€，峰值應(yīng)力達到16.2 MPa，鉆孔周圍煤體趨于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，孔洞失穩(wěn)垮塌概率增大，離層裂隙導(dǎo)通容易引起竄孔，從而影響瓦斯治理效果。

3.3 水力沖孔增透量化特征分析

基于多孔介質(zhì)有效應(yīng)力原理，大量學(xué)者對煤層進行三維條件下應(yīng)力、孔隙壓力與煤層滲透率試驗研究，得到三維情況下的體積應(yīng)力、孔隙壓力與滲透率的關(guān)系式[15]：

式中：K為水力沖孔后煤體滲透率，10-15m2；K0為初始滲透值，10-15m2； Θ為煤體體積應(yīng)力；p為瓦斯壓力，MPa；b為體積應(yīng)力系數(shù)，取0.155 3；c為孔隙壓力系數(shù)，取0.198 7[16]；σ1、σ2、σ3為煤體x、y、z方向的三向垂直應(yīng)力，MPa。

根據(jù)范超軍等[17]對煤體初始滲透率與埋深之間的關(guān)系研究，得出埋深與初始滲透率之間的關(guān)系如下：

式中：H為煤層埋深，取600 m。

將圖4 中煤體三向應(yīng)力代入到式（3）中，可以得到水力沖孔后，鉆孔間距為8、7、6、5 m 4 種情況下孔洞周圍煤體的滲透率變化曲線，水力沖孔周圍煤體滲透率表征曲線如圖5。

圖5 水力沖孔周圍煤體滲透率表征曲線Fig.5 Permeability characterization curves of coal body around hydraulic punching

由圖5 可知：沿孔洞徑向1 m 范圍內(nèi)滲透率在0.07～0.07×10-15m2范 圍 內(nèi)，與 原 始 滲 透率0.014×10-15m2相 比，水 力 沖 孔 后 煤 體 提 高了5～50 倍，其余煤體滲透率變化不大。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

為考察水力沖孔卸壓增透強化抽采效果，以1908 運輸巷條帶區(qū)域為試驗區(qū)域，第2 評價單元（180 m 范圍）采用常規(guī)普通鉆孔，第3 評價單（180 m 范圍）采用水力沖孔卸壓增透措施同時施工，1908 運輸巷條帶區(qū)域鉆孔布置如圖6。鉆孔間距約6 m 左右，控制巷道兩幫15 m 的范圍。第3 評價單元鉆孔施工完成以后，采用水力沖孔設(shè)備進行水力沖孔，沖孔壓力15～30 MPa，沖孔孔洞半徑根據(jù)反渣情況控制在1 m 左右。

圖6 1908 運輸巷條帶區(qū)域鉆孔布置
Fig.6 Drilling arrangement in 1908 transportation lane strip area

第2 評價單元、第3 評價單元均設(shè)計鉆孔217 個，鉆孔施工完成后進行封孔連抽，分別于2023 年1 月8 日、 2023 年1 月10 日施工完成。1908 運輸巷條帶區(qū)域第2 評價單元實際施工鉆孔233 個，第3 評價單元實際施工鉆孔235 個，分別安裝自動計量裝置對2 個評價單元瓦斯抽采流量和瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測和現(xiàn)場測定，1908 運輸巷條帶區(qū)域水力沖孔強化抽采效果考察結(jié)果如圖7。

圖7 1908 運輸巷條帶區(qū)域水力沖孔強化抽采效果考察結(jié)果Fig.7 Investigation results of enhanced pumping effect of hydraulic punching in the belt area of 1908 transportation lane

由圖7 可以看出，第3 評價單元瓦斯抽采純量在6.20～9.8 m3/min，瓦斯抽采體積分數(shù)在34%～57%，與相當條件下第2 評價單元傳統(tǒng)普通鉆孔相比，普通鉆孔瓦斯體積分數(shù)、純量衰減較快，水力沖孔鉆孔瓦斯體積分數(shù)、純量比較穩(wěn)定，平均單孔純量提高了2～6 倍。

5 結(jié) 語

1）松軟低滲突出煤層水力沖孔為周圍煤體提供卸壓空間，煤體原始應(yīng)力狀態(tài)重新分布，孔裂隙張開度、導(dǎo)通性大大增加，進而促進周圍煤體滲透率的提高。

2）對不同鉆孔間距條件下孔洞周圍煤體的塑性破壞特征進行了分析。孔洞周圍塑性破壞區(qū)域向外延伸1.2～1.5 m；隨鉆孔間距的減小，塑性破壞區(qū)域范圍變化不大；當鉆孔間距5 m 時，孔洞間塑性破壞區(qū)域貫通，煤體間煤體裂隙充分發(fā)育，易引起鉆孔間竄孔影響瓦斯抽采效果。

3）水力沖孔后孔洞間煤體x方向應(yīng)力明顯降低，距離孔洞越近，降低幅度越大；y方向應(yīng)力影響范圍與塑性破壞區(qū)域范圍相當；垂直應(yīng)力峰值應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的升高，隨著鉆孔間距的減小，垂直應(yīng)力曲線由雙峰曲線演化為單峰曲線。

4）確定了合理的鉆孔間距為6 m?，F(xiàn)場實踐表明：水力沖孔后，單孔瓦斯抽采流量和體積分數(shù)明顯提高，支管瓦斯抽采純量在6.20～9.8 m3/min，瓦斯體積分數(shù)在34%～57%，卸壓增透效果良好。