斜沟矿水力冲孔卸压增透技术研究及其应用

王 军，孙 亮

(1. 山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602； 2. 煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122)

煤炭是我国主导资源，但在煤炭开采中会不断涌出煤层气，即矿井瓦斯[1]，若在开采过程中直接将瓦斯排入大气会造成温室效应，矿井瓦斯造成的温室效应是二氧化碳的21倍。矿井瓦斯的开采主要受煤层透气性的影响，山西南部矿区，煤层透气性为10-4～10-3mD，属于低透气性煤层[2]. 国内外学者对低透气性煤层做了长期大量研究，大部分增加煤层透气性的机理还是卸压，其中卸压的手段包括深孔爆破[3]，通过聚能穴的增加，改变爆破方向，进而可以增加径向裂隙个数，从而提高煤层的透气性[4-5]. 周西华教授等人通过密集钻孔方式对周围煤体强度、透气性系数及应力，拟合出数学关系，发现钻孔过密导致出现穿孔、卡钻现象，达不到预抽效果[6-7]. 水力化措施包括水力压裂、水力冲孔、水力割缝等[8]. 何峰等人通过水力割缝对煤层中的瓦斯动力现象进行理论计算和实验研究[9]. 郭品坤在水力割缝的基础上加入高压磨料，进而增加割缝的速度和宽度，并可对成缝的煤层进行支撑，从而提高煤层的透气性[10]. 本文针对斜沟煤矿8#煤实际情况，即高瓦斯低透气性煤层，提出水力冲孔造穴措施，对煤层进行增透研究[11-13].

1 理论计算

莫尔强度理论是用来研究煤岩体在破坏过程中的应力分布[14-16]，见图1.

|r|=c+σtanφ

式中：r—剪应力，MPa；

c—内聚力，MPa；

σ—正应力，MPa；

φ—内摩擦角，(°).

图1 莫尔强度准则图

根据在不同受力面施加载荷，可在斜面处发生剪切破坏，则斜面上正应力与剪应力的表达式：

将上式变形可得如下圆的方程，即

根据应力圆可得煤体在不同应力作用下所形成的极限应力圆，这些极限应力圆的公切线为莫尔圆包络线，见图2.

图2 完整煤岩体Mohr强度曲线图

莫尔圆表示复杂应力或应变状态下岩体中某点各裂隙弱面的应力或应变分量之间关系的平面图形。在实际中，煤岩体受到应力发生形变时，会呈现出弹性形变和塑性形变，以及流变性质。流变性质在生产实际表现出的现象是水力冲孔措施冲出的煤量远超出冲孔半径范围内的煤量。

在水力冲孔作用下，煤体应力应变及蠕变曲线见图3，根据煤岩体应力应变特性可将煤岩体分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3个区域。Ⅰ区域煤体主要发生的是弹性形变及裂隙压缩；Ⅱ区域煤体主要发生弹性形变和塑性形变，当应变增大到一定程度时，达到蠕变终止轨迹线，继续增大应变，煤体应力进入Ⅲ区域；Ⅲ区域发生塑性形变，蠕变随时间的变化而变化，最终与破坏后的曲线相交，导致煤体发生破坏。

图3 煤岩体全应力应变曲线图

2 数值模拟

通过FLAC 3D软件建立模型，模型大小为33 m×33 m×16 m. 模型包括直接顶、煤层及直接底3层。模型下边界设为固定边界，上边界设置为压力边界，按测压系数1.0进行模型赋值。模型材料选用Mohr-Coulomb Elastic-Plastic，根据地质材料，岩层柱状图见图4，各岩层具体参数值见表1. 冲孔造穴数值模型见图5，数值模拟结果见图6.

图4 岩层柱状图

图5 冲孔造穴数值模型构建图

由图6可以发现，随着水力冲孔造穴半径的增大，孔穴周围出现应力集中现象，孔穴周围的煤体应力范围也逐渐增大。当孔穴半径为0.3 m时，孔穴周围煤体应力卸载区域逐渐增大，轴向应力不断增大，孔穴周围的煤体应力会随着造穴半径的增大继续扩展，即轴向应力在增大，并且随着造穴半径的增大，孔穴周围的应力区域会出现相互连接，再次会出现应力集中区；当造穴半径达到0.8 m时，孔穴周围的煤体应力相互影响已经相当明显，应力集中区连在一起。通过数值模拟得到的结果提取相关数据可得到距离孔穴不同位置的应力变化趋势，见图7.

表1 煤岩体各相关力学参数表

图6 本煤层冲孔造穴洞室周围煤体水平面上垂直应力云图

图7 本煤层冲孔造穴不同阶段水平应力分布图

通过图7可以得到，在距离钻孔相同位置时，造穴半径越大的孔，其周围的煤体水平方向应力越低，而且不同半径的孔穴水平应力分布的趋势是一致的。不同造穴半径的孔穴其应力在该孔周围呈对称分布，但不同半径的孔穴最终区域稳定，这与模拟结果各孔穴相互影响相吻合，其最大值约为1.53 MPa. 由图7可得出，水力冲孔造穴对煤体水平卸压比较明显，卸压半径约为5 m，并且水平方向会出现卸压叠加区域，其卸压效果会更明显。

3 现场实验

数值模拟反映了在斜沟煤矿的地质条件下，煤岩体应力随不同冲孔半径的应力分布，根据模拟结果对斜沟煤矿进行水利冲孔现场实验，检验冲孔后的煤层透气性及瓦斯抽采量。

根据模拟结果对斜沟煤矿18205工作面进行水力冲孔造穴，提高煤层透气性。该工作面位于8#煤层12采区，煤层平均厚度约为4.7 m，属于厚煤层；煤层倾角为9°，属于近水平煤层。根据瓦斯鉴定等级结果可知：12采区绝对瓦斯涌出量为4.93 m3/min，相对瓦斯涌出量为0.67 m3/t. 煤层渗透率为5×10-4mD，属于低透气性煤层。因此，需要对该工作面进行增透处理，辅助瓦斯抽采。

根据实际地质机构及巷道分布对该煤层布置9个钻孔，分别编号为1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#，9#.其中5#孔为辅助孔，用于检验影响半径，其余钻孔均为造穴钻孔，水力冲孔压力为15 MPa，冲孔过程保证水压稳定，钻孔正常转动，以便充分切割煤体。为扩大冲孔效果，应保证多次冲孔，直至钻孔内无煤渣排出。

根据模拟结果，不同的造穴半径导致应力分布不同，在18205工作面材料巷本煤层布置施工8个造穴钻孔，单次冲孔时间约为30 min，平均冲出煤量1.2～2.5 t. 冲孔完毕后布置瓦斯管道抽采，瓦斯浓度抽采量见图8，抽采过程最高浓度可达92%，平均抽采浓度为48%，钻孔共抽采瓦斯纯量为42 100.28 m3，单孔平均瓦斯抽采浓度为29.64%，抽采纯量为0.193 m3/min. 与该工作面临近的工作面瓦斯抽采，未经水力冲孔处理的钻孔，单孔平均瓦斯抽采浓度为8.65%，单孔抽采纯量为0.021 0 m3/min. 通过瓦斯抽采量数据比较发现，本煤层进行水力冲孔处理后瓦斯平均抽采浓度较未经水力冲孔处理的瓦斯抽采浓度提高约3.4倍，抽采纯量提高为10倍。

图8 冲孔造穴后钻孔瓦斯浓度及抽采量图

4 结 论

通过理论计算、数值模拟、现场实验对斜沟煤矿18205工作面进行水力化冲孔增加煤层透气性研究，可得如下结论：

1) 模拟不同造穴半径下煤体的应力变化，随着水力冲孔造穴半径的增大，孔穴周围出现应力集中现象，并且随着造穴半径的增大，孔穴周围的煤体应力范围也会逐渐增大。

2) 根据斜沟煤矿实际地质构造，水力冲孔造穴技术对煤体的透气性影响较大，尤其对水平卸压比较明显。卸压半径约为5 m时，水平方向会出现卸压叠加区域，其卸压效果会更明显。

3) 现场实验表明，水力冲孔技术实施后，本煤层的瓦斯平均抽采浓度与未经过水力冲孔处理的煤层相比，瓦斯抽采浓度提高约3.4倍，抽采纯量提高为原来的10倍。