考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术

郝富昌，孙丽娟，左伟芹

(1．河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作　454000;2．河南理工大学 安全技术培训学院，河南焦作　454000;3．煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作　454000)



考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术

郝富昌1，3，孙丽娟2，左伟芹1，3

(1．河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454000;2．河南理工大学 安全技术培训学院，河南焦作454000;3．煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作454000)

摘要:通过分析水力冲孔周围煤体的受力特征，建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的水力冲孔周围煤体黏弹塑性模型，分析了水力冲孔的卸压增透效果和孔径变化规律，制定了防止钻孔堵塞和注气驱替技术。研究结果表明:①水力冲孔措施可以大幅度提高周围煤体的渗透率，冲煤量越多，水力冲孔的卸压范围越大，煤体的渗透率提高的幅度越大;② 由于煤的流变特性水力冲孔钻孔会产生缩孔现象，地应力越大，煤体强度越低，钻孔周围煤体的蠕变变形越剧烈，钻孔就越容易被堵塞，一旦抽采通道被堵塞，瓦斯抽采效果就会大幅度的降低;③采用下套管防堵孔技术，人工保留一条抽采通道，可长时间抽取高浓度瓦斯，抽采效果提高了2．7倍;④注气驱替与水力冲孔技术结合，单孔抽采纯量增加了8．1倍，可有效的提高瓦斯抽采效果。

关键词:孔径变化规律;防堵孔技术;水力冲孔;蠕变变形;注气驱替

郝富昌，孙丽娟，左伟芹．考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术［J］．煤炭学报，2016，41(6):1434－1440．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1405

Hao Fuchang，Sun Lijuan，Zuo Weiqin．Hydraulic flushing aperture variation and anti-blocking technology considering rheological property ［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1434－1440．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1405

水力冲孔技术是应用最广泛的卸压增透措施之一，在松软低透气性煤层取得了较好的瓦斯灾害防治效果［1－3］。瓦斯抽采实践表明，采取过水力冲孔措施后，钻孔周围煤体透气性系数会增大十几倍［4－5］，但是瓦斯抽采浓度衰减较快，仅十多天后钻孔的抽采浓度就降低为5%以下，抽采效果大幅度降低。分析其原因认为，水力冲孔措施实施完毕后，由于含瓦斯煤的流变特性，钻孔周围煤体会产生蠕变变形，钻孔孔径随时间发生缩孔现象，由于软煤层的强度较低，抵抗破坏的能力较弱，蠕变变形更为剧烈，在短时间内就可能发生失稳破坏，阻塞瓦斯抽采通道，致使瓦斯抽采浓度快速降低。钻孔周围煤体的透气性系数由于水力冲孔措施增大了十几倍，一旦抽采钻孔被堵塞，也很难提高瓦斯抽采效果。因此，考虑含瓦斯煤的流变特性，研究水力冲孔孔径变化规律，制定相应防堵孔技术，就成为提高松软煤层瓦斯抽采效果的关键。在钻孔孔径变化规律研究方面，Cornet等［6］建立了钻孔变形的黏弹性模型，基于该模型对钻孔壁的稳定性进行理论分析;赵阳升等［7－8］研究了高温高压条件下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件，建立了钻孔变形的黏弹性模型，分析了花岗岩中钻孔的变形规律;王振等［9］建立了钻孔失稳的力学模型，研究了钻孔孔底和孔壁附近煤体的破坏形式和失稳特征。综上所述，前人研究钻孔孔径变化规律主要将岩体或煤体作为纯弹性体，采用黏弹性模型研究孔径变化规律，而煤体属弹塑性体，考虑煤的塑性软化和扩容特性的钻孔周围煤体黏弹塑性模型未见报道。本文拟考虑煤的流变特性，建立水力冲孔周围煤体的黏弹塑性模型，研究穿层钻孔的孔径变化规律，并制定相应的防堵孔技术，提高水力冲孔措施的抽采效果。

1　水力冲孔钻孔变形的黏弹塑性模型

1.1理论分析

(1)力学模型。

假定钻孔处于静水应力作用下，由其受力特征将其周围煤体划分为3个区:黏弹性区、塑性软化区和破坏区，分别用e，p，b来表示(图1)，图1中r0为钻孔初始半径，σ0为煤体所受初始应力。

图1　钻孔周围煤体力学模型［10］Fig.1　Mechanical model around boreholes［10］

(2)软化模型。

国内外大量的实验研究表明:当煤体所受应力达到峰值强度σc后，煤体进入塑性软化阶段，煤体自身的强度随着应变增大逐渐衰减，直至残余强度。由此可知，钻孔周围煤体在黏弹性区尚未破坏，其强度为煤的峰值强度σc;在塑性软化区，煤体的强度是应变的函数，煤体变形越大，越低;在破坏区，认为煤体的残余强度固定不变。考虑到煤体的应变软化特性，采用应力－应变三线段软化模型对煤体受力进行分析，如图2所示。

图2　三线段软化模型［11］Fig.2　Softening model of three line type［11］

(3)扩容特征。

煤的单轴压缩试验结果表明，峰前区煤样的体积变化不大，峰后区煤样体积有一定的增加，呈现出较明显的扩容现象。由此可知，钻孔周围煤体的塑性扩容现象主要发生在塑性软化区和破坏区，黏弹性区的煤体变形忽略不计。可得

式中，εr，εθ分别为径向应变和切向应变;η1为塑性软化区的扩容系数，η1=(1+sin φ)/(1－sin φ)，φ为煤的膨胀角;η2为破坏区的扩容系数，一般取1.3～1.5。

(4)屈服准则。

随着抽采时间的延长，水力冲孔周围煤体首先发生黏弹性变形，然后产生塑性变形，为此建立了钻孔周围煤体的黏弹塑性软化模型(图3)。在该模型中，黏弹性区采用Poyting－Thomson模型，塑性软化区和破坏区满足Mohr－Coulomb准则。

图3　黏弹塑性软化模型Fig.3　Visco-elastic plastic softening models

1.2钻孔周围煤体的受力分析

水力冲孔钻孔的长度远大于钻孔孔径，为此将其受力情况简化为平面应变问题进行求解，满足平面应变的平衡方程和几何方程。

(1)黏弹性区。

由平衡方程、几何方程及Poyting－Thomson模型可得黏弹性区的应力及位移u方程［12］为

式中，Rp(t)为塑性区半径;A(t)为时间的函数:

其中，G0和G"为煤体的初始和长时剪切模量;ηret为延迟时间;t为时间;Kp=(1+sinΦ)/(1－sinΦ)，Φ为煤体的内摩擦角。

(2)塑性软化区。

由几何方程和式(1)可得塑性软化区的位移方程为

塑性软化区煤体破坏满足Mohr－Coulomb准则，煤体强度是应变的函数，即

式中，Mc为煤体软化模量。

(3)破坏区。

破坏区煤体屈服满足Mohr－Coulomb准则，煤体强度为煤的残余强度，在孔壁位置钻孔的径向应力为0，由此可得破坏区的应力表达式为p

由式(2)、几何方程和非关联流动法可得破坏区位移方程为

1.3卸压范围及孔径变化模型

(1)水力冲孔的卸压范围。

钻孔的破坏区半径即为水力冲孔的卸压范围。在钻孔的破坏区半径位置，破坏区和塑性软化区的径向应力相等，并有，由此可得破坏区半径Rb(t)为

塑性软化区半径Rp(t)为

(2)钻孔孔径变化规律。

由式(10)可得，钻孔孔壁的位移为

钻孔孔壁位移是时间的函数，随着时间的推移，孔壁的位移逐渐增大，而钻孔孔径会逐渐缩小，钻孔孔径变化r0'方程为

2　水力冲孔的卸压范围及孔径变化规律

2.1数值模拟参数

以义煤集团义安矿的煤层条件为例，该矿主采的二1煤层为松软低透气性突出煤层，为了防止煤与瓦斯突出事故，采取底板巷穿层钻孔结合水力冲孔卸压增透的快速消突技术，穿层钻孔初始孔径为108 mm，水力冲孔措施平均每米钻孔冲煤量为1.0 t，该矿煤的视密度为1.42 t/m3，相当于钻孔直径由108 mm扩大到952 mm。水力冲孔措施实施完毕后，在钻孔中安装孔径为40 mm、长度为12 m的抽采管，封孔深度不小于8 m。在该矿采集新鲜煤样，送回实验室测试煤体力学参数(表1)。

表1　数值模拟所用的煤体参数Table 1　Coal parameters used in the numerical simulation

2.2水力冲孔周围煤体受力分析及卸压范围

将表1中数据代入式(3)，(8)和(9)，利用Comsol软件对上式进行求解，可得水力冲孔周围煤体的应力分布，如图4所示。

从图4可以看出，煤体的径向应力从孔壁到煤体深部逐渐增大，最终达到初始地应力19.12 MPa;煤体的切向应力从孔壁到煤体深部逐渐增大，到达塑性软化区半径位置时到达最大值28.99 MPa，随后又逐渐降低为初始地应力19.12 MPa。水力冲孔措施可有效的对煤体进行卸压，冲煤量为1.0 t/m时，卸压范围可到达4.4 m。

图4　冲煤量1.0 t/m钻孔周围煤体初始应力分布曲线Fig.4　Stress distribution curve around boreholes of punching coal amount 1.0 t/m

实验地点煤体的视密度为为1.42 t/m，钻孔初始孔径为108 mm，当每米冲煤量(m)为0.5，1.0和1.5 t时，可得钻孔孔径分别扩大为 676，952 和1 164 mm。利用建立的力学模型，采用Comsol软件对不同冲煤量的钻孔受力情况进行模拟，得到不同冲煤量钻孔的卸压范围(图5)。可以看出，水力冲孔措施的卸压范围和冲煤量具有如下关系:Rb= 4.615m0.519 4，水力冲孔措施的冲煤量越多，钻孔的卸压范围越大，周围煤体的透气性系数提高的幅度越大。

2.3水力冲孔措施的增透效果

采用径向不稳定流动方法测试二1煤层在水力3冲孔措施前后的透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数(表2)。

图5　不同冲煤量钻孔卸压范围Fig.5　Boreholes relief range of different punching coal amount

表2　水力冲孔前后增透效果对比分析Table 2　Comparison analysis of pressure-relief and permeability improvement effect before and after hydraulic flushing

从表2可以看出，煤层的原始透气性系数为0.008 3 m2/(MPa2·d)，采取过水力冲孔措施后增大到0.087 3 m2/(MPa2·d)，提高了10.5倍;水力冲孔措施前，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.878 d－1，采取过水力冲孔措施后，钻孔瓦斯流量衰减系数降低为0.198 d－1，降低为原来的22.6%。统计分析了水力冲孔前后的瓦斯抽采数据，冲孔前单孔抽采纯量平均为0.001 7 m3/min，水力冲孔措施后单孔抽采纯量提高到0.031 9 m3/min，增加了18.8倍。由此可知，水力冲孔措施的卸压增透效果是非常明显的。

2.4水力冲孔孔径变化规律

将表1数据代入式(15)，可得不同抽采时间钻孔孔径的变化曲线，如图6所示。

图6　钻孔孔径变化曲线Fig.6　Borehole aperture variation curve

由图6可知，钻孔孔径会随时间发生缩孔现象，采取过水力冲孔措施后，钻孔的初始半径为476 mm，仅1 d时间，钻孔半径就缩小为126 mm，随后钻孔半径又逐渐缩小，12 d后钻孔基本上被堵塞，此时瓦斯抽采流量会大幅的降低。图7为4组钻孔单孔抽采纯量变化。可以看出，抽采12 d后，4组钻孔的瓦斯抽采纯量均出现了大幅度的衰减，平均抽采纯量不足原来的20%。分析其原因认为，适用于水力冲孔措施的一般为松软低透气性煤层，煤体强度较低，抵抗破坏的能力较差，煤体蠕变变形较为剧烈，周围煤体向钻孔运移，穿层钻孔钻孔逐渐被堵塞，特别是煤岩交界处的钻孔很容易被煤泥堵塞，抽采通道一旦被堵塞，从而导致瓦斯抽采浓度和抽采纯量大幅度的衰减。

图7　水力冲孔措施后单孔抽采纯量曲线Fig.7　Gas drainage amount curves of single hole after hydraulic flushing

水力冲孔钻孔的孔径变化主要受到地应力和煤体强度的控制，地应力越高，煤体强度越低，钻孔周围煤体蠕变变形越剧烈，钻孔的缩孔幅度越大，就越容易堵塞瓦斯抽采通道。

3　水力冲孔防堵孔及提高抽采效果技术

由上述可知，采取过水力冲孔措施后，煤层的透气性系数得到了大幅度的提高，但是一旦钻孔被堵塞，也很难提高抽采效果，如何防止钻孔堵孔，就成为提高水力冲孔措施抽采效果的关键。

3.1穿层钻孔下套管防堵孔技术

水力冲孔措施实施完毕后，在钻孔中安装套管直至煤层顶板，套管材质为具有抗静电阻燃性的聚氯乙烯管(PVC管)，管径为45 mm，在见煤段的套管上开筛眼，筛眼直径10 mm，孔间距为150 mm，单根长度2.0 m。套管作为抽采管，在钻孔两端采用聚氨酯封孔，中间采用水泥砂浆封孔，封孔长度不小于10 m，具体封孔方式如图8所示。该方法人为保留一条抽采通道，可以长时间的抽取高浓度的瓦斯。

采取穿层钻孔下套管防堵孔技术后，一个月平均单孔瓦斯抽采纯量由 0.016 m3/min提高到0.043 m3/min，提高了2.7倍。一个月后的瓦斯抽采流量仅衰减了15%，实现了穿层钻孔的高效抽采。

图8　穿层钻孔封孔示意Fig.8　Seling sketch map of crossing boreholes

3.2注气驱替提高抽采效果技术

采取过水力冲孔措施后，经过一段时间的预抽，瓦斯抽采浓度开始降低，当抽采浓度降低到5%以下后，采用注气驱替方法进一步提高瓦斯抽采效果。具体方法为:采用矿井压风自救系统向部分水力冲孔钻孔注入压力为0.5 MPa的空气，另一部分钻孔继续抽采(图9)。采用该技术，一个孔注入高压气体，另一个孔进行瓦斯抽放，注入的高压气体，可以起到置换吸附－解吸作用、注气气流的载携/驱替作用、注入气体的稀释扩散作用和膨胀增透作用等［13－14］，达到快速消除突出危险性的目的。

图9　注气驱替钻孔布置平面Fig.9　Layout plan of gas injection boreholes

图10为水力冲孔注气驱替效果，可以看出，在水力冲孔钻孔采取过注气驱替技术后，穿层钻孔的抽采浓度由注气前的3.6%提高到22.1%，增加了6.1 倍;单孔抽采纯量由 0.007m3/min提高到0.057 m3/min，增加了8.1倍，由此可见，采用注气驱替技术可有效的提高瓦斯抽放效果。

图10　注气驱替结合水力冲孔技术抽采效果Fig.10　Gas drainage effect of gas injection combined with hydraulic flushing technique

4结　　论

(1)采取过水力冲孔措施后，煤层透气性系数由0.008 3 m2/(MPa2· d)增大到 0.087 3 m2/ (MPa2·d)，提高了10.5倍;钻孔瓦斯流量衰减系数降低为原来的22.6%;卸压范围和冲煤量具有如下关系:Rb=4.615m0.519 4，冲煤量越多，钻孔的卸压范围越大，周围煤体的透气性系数提高的幅度越大。

(2)水力冲孔钻孔会随时间产生缩孔现象，地应力越大，煤体强度越低，钻孔周围煤体的蠕变变形越剧烈，钻孔的缩孔幅度越大;实验地点仅12 d时间钻孔就会被堵塞，瓦斯抽采纯量大幅度的降低。

(3)制定了穿层钻孔下套管防堵孔技术，该技术人工留取一条抽采通道，可长时间抽取高浓度瓦斯，一个月平均单孔瓦斯抽采纯量由0.016 m3/min提高到0.043 m3/min，提高了2.7倍。

(4)注气驱替技术与水力冲孔措施结合，瓦斯抽采浓度提高了6.1倍，单孔抽采纯量提高了8.1倍，该技术可有效的提高瓦斯抽采效果。

参考文献:

［1］郝富昌，孙丽娟，刘明举．考虑卸压和抽采效果的水力冲孔布孔参数优化研究［J］．采矿与安全工程学报，2014，31(5):756－763．Hao Fuchang，Sun Lijuan，Liu Mingju．Research on boreholes space optimization of hydraulic flushing considering press relief and gas drainage effect［J］．Journal of Mining＆Safety Engineering，2014，31(5):756－763．

［2］Wang Jiachen，Wu Renlun，Zhang Peng．Characteristics and applications of gas desorption with excavation disturbances in coal mining ［J］．International Journal of Coal Science＆Technology，2015，2(1):30－37．

［3］Cheng Yuanping，Wang Liang，Liu Hongyong，et al．Definition，theory，methods，and applications of the safe and efficient simultaneous extraction of coal and gas［J］．International Journal of Coal Science ＆Technology，2015，2(1):52－65．

［4］王凯，李波，魏建平，等．水力冲孔钻孔周围煤层透气性变化规律［J］．采矿与安全工程学报，2013，30(5):778－784．Wang Kai，Li Bo，Wei Jianping，et al．Change regulation of coal seam permeability around hydraulic flushing borehole［J］．Journal of Mining＆Safety Engineering，2013，30(5):778－784．

［5］刘震．水力化钻孔径向瓦斯渗流特性实验研究与应用［D］．徐州:中国矿业大学，2014．

［6］Cornet F H，Beraed T，Bourouis S．How close to failure is granite rock mass at 5 km depth［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44(2):47－66．

［9］ 王振，梁运培，金洪伟．防突钻孔失稳的力学条件分析［J］．采矿与安全工程学报，2008，25(4):444－448．Wang Zhen，Liang Yunpei，Jin Hongwei．Analysis on the mechanical conditions of outburst prevention drilling［J］．Journal of Mining and Safety Engineering，2008，25(4):444－448．

［10］郝富昌，支光辉，孙丽娟．考虑流变特性的抽放钻孔应力分布和移动变形规律研究［J］．采矿与安全工程学报，2013，30(3): 449－455．Hao Fuchang，Zhi Guanghui，Sun Lijuan．Study on stress distribution and aperture deformation law around borehole considering rheological property［J］．Journal of Mining＆Safety Engineering，2013，30(3):449－455．

［11］何满潮，景海河，孙晓明．软岩工程力学［M］．北京:科学出版社，2002．

［12］ 于学馥，郑颖人，刘怀恒，等．地下工程围压稳定性分析［M］．北京:煤炭工业出版社，1983．

［13］杨宏民，张铁岗，王兆丰．煤层注氮驱替甲烷促排瓦斯的试验研究［J］．煤炭学报，2010，35(5):792－796．Yang Hongmin，Zhang Tiegang，Wang Zhaofeng．Experimental study on technology of accelerating methane release by nitrogen injection in coalbed［J］．Journal of China Coal Society，2010，35(5):792－796．

［14］杨宏民，夏会辉，王兆丰．注气驱替煤层瓦斯时效特性影响因素分析［J］．采矿与安全工程学报，2013，30(2):273－277．Yang Hongmin，Xia Huihui，Wang Zhaofeng．Influencing factors on time-varying characteristics of displacement coalbed methane by gas injection［J］．Journal of Mining＆Safety Engineering，2013，30(2):273－277．

中图分类号:TD713

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1434－07

收稿日期:2015－09－21修回日期:2016－01－12责任编辑:张晓宁

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51404099);国家安监局基金资助项目(henan－0032－2015AQ);河南理工大学博士基金资助项目(B2014－005)

作者简介:郝富昌(1981—)，男，河南南阳人，副教授，博士。通讯作者:孙丽娟(1983—)，女，河南焦作人，讲师，博士。Tel:0391－3987890，E－mail:sunlijuan926@163．com

Hydraulic flushing aperture variation and anti-blocking technology considering rheological property

HAO Fu-chang1，3，SUN Li-juan2，ZUO Wei-qin1，3
(1．State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China;2．School of Safety Technology Training，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China;3．The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province State Key，Jiaozuo454000，China)

Abstract:By analyzing the stress characteristics around boreholes，the visco-elastic plastic model of coal around hydraulic flushing considering plastic softening and dilatancy was established，the pressure-relief and permeability improvement effect of hydraulic flushing and aperture variation were analyzed，thus the anti-blocking technology and the measures for gas drainage improvement were formulated．The results show that:① Hydraulic punching measures can greatly improve the coal permeability around boreholes，the more punching coal amount，the greater relief range of hydraulic flushing，the higher the permeability of coal is increased;② Shrinkage phenomenon of borehole occurs over time because of rheological properties，the greater the stress，the lower the coal strength，the more intense the creep deformation of coal，once drainage channels are blocked，gas extraction effect will be greatly reduced;③ Anti-blocking technology by installing casting pipe reserves a drainage channel，thus high concentrations gas can be extracted for a long time，the effect of gas drainage increase by 2．7 times;④By gas injection combined with hydraulic flushing tech-nique，the gas drainage amount of single hole increases by 8．1 times，which can effectively improve gas drainage effect．

Key words:aperture variation;anti blocking technology;hydraulic flushing;creep deformation;gas injection