水力冲孔布孔参数对高瓦斯突出煤层卸压效果的影响

段守德，杨 威，宋浩然

(1.平顶山天安煤业股份有限公司八矿，河南 平顶山 467012； 2.中国矿业大学安全学院，江苏 徐州 221116)

高瓦斯突出煤层具有低渗透、微孔隙、高吸附的特点[1]，常用的抽采技术措施效果不佳，施工难度大。水力冲孔、射流割缝等技术是煤层增透的有效技术[2]，部分学者分别运用数值模拟、实验室实验、工程试验等方法开展研究，研究表明冲孔后煤体卸压，提高了煤体渗透率，煤层中瓦斯被大量排出，强化了煤层瓦斯抽采，取得了较好的现场应用效果[3-9]。但冲孔后的钻孔卸压规模情况研究相比较少，因而本文采用理论和实践相结合的方法研究冲孔卸压半径，进一步加强该技术的现场实用性。

1 高压水力冲孔装备

设备操作分为两个连续的环节：首先通过钻机施工顺层或穿层钻孔，其次通过水射流对煤体进行切割作业。这里的钻孔施工与普通的钻孔施工基本一致，可根据需要选择螺旋钻杆或者圆形钻杆。当钻进到达预定位置后，停止钻进，启动高压泵站，调试压力，在关闭钻头供水出口的同时打开钻头侧向喷嘴，启动钻机退钻，在退钻时施行切割作业。通过对煤层进行切割，来完成卸压增透，从而加大单个钻孔的影响范围，在削减工程量的同时提升瓦斯抽放效率。高压水力冲孔装备的适用条件应满足：①软煤煤体和硬度f<1.8的硬煤煤体；②穿层或顺层抽采钻孔；③瓦斯压力大、含量高、抽采达标困难的煤层。

在水射流冲孔作业过程中，高压泵出来的高压水流经液压控制平台，分水器(水辫)，高压密封钻杆进入钻割一体化钻头端头的喷嘴，最后在喷嘴出口处以极高的速度形成高压水射流对煤体进行切割作业，具体装置工作水流路线见图1。

图1 装置工作水流路线

为实现将机械钻孔和水射流切割煤体相结合的主体功能，设备主要包括高压乳化液泵站、水压控制系统以及钻机三大部分，三者之间以高压管路相连。其高压泵站由BRW80/35(原XRB2B(A)型)乳化液泵和XRXT系列乳化液箱构成；钻机系统包括钻机、钻头和耐高压钻杆，这些是冲孔的核心装备，目前中国矿业大学、重庆大学、铁福来公司等都可以生产相应的配件。

2 钻孔卸压效果数值模拟

利用FLAC3D软件，采用数值模拟方法，以平顶山八矿己15煤层为研究对象，对不同孔径钻孔在不同孔间距时的卸压效果进行研究。在出煤量、孔间距彼此变化的条件下，探究钻孔周围的应力分布规律，以及不同的直径穿层钻孔的影响范围和彼此间的相互影响，优化穿层钻孔位置的分布。

2.1 模型的建立

由于煤层内穿层钻孔施工后，其周围煤体将会发生塑性变形，因此，采用Mohr-Coulomb模型进行计算。所建立的模型原始应力为30 MPa，模型的顶部设定为应力边界，并且在其上施加30 MPa的应力，为了运算的方便，对模型进行了必要的理想化假设，假设条件：①整个模型的三向应力相等；②模型底部的四个侧面为滚支边界，并且其节点可以在上面滑动，不可离开边界界面；③冲孔的整体形状为正圆柱体。

建立的数值模型如图2所示，从左至右共设置7个钻孔，相邻的钻孔间距分别15 m、10 m、7.5 m、5 m、4 m、3 m，且其钻孔距模型的边界均为10 m，模型参数见表1。

图2 数值模型

表1 模型参数取值

2.2 数值结果分析

根据建立的模型，分别对半径0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.7 m的钻孔卸压效果进行数值模拟，根据得出的模拟结果，导出各个钻孔水平应力，最大主应力、最小主应力数据。并根据煤岩的密度，将钻孔孔径与每米出煤量进行换算，得到每米煤孔在不同孔径下的出煤量(图3)。依据不同出煤量、不同间距条件下各向应力分布规律，进而绘制出每米煤孔在不同出煤量不同间距条件下应力分布规律图(图4)和不同出煤量条件下钻孔周围最大应力集中图(图5)。

从图3和图4(a)中可以发现，钻孔直径越大，即出煤量越多，钻孔周围的径向应力受相邻钻孔影响越大，径向应力降幅增大，卸压效果越好。当孔间距为3 m时，煤体的径向应力明显降低，孔径越大，径向应力降幅越大，孔径半径大于0.4 m时，径向应力为原始应力的29%～58%。随着间距的增加，钻孔间煤体的径向应力降幅减少，当孔间距为15 m时，最大径向应力为原始应力的96%～99%。因此，不同的孔间距影响煤体的应力分布，对于不同直径的穿层钻孔，必定存在着与之对应的一个最大钻孔间距，使得钻孔间的煤体应力均小于某一个临界值。若煤体卸压率达到10%，实现煤体有效卸压，则不同孔径钻孔存在对应合理钻孔间距和出煤量，使得煤体有效卸压。然而由切向应力分布规律图4(b)看出，冲孔之后周围煤体径向应力卸载，切向应力仍然会产生应力集中，见图5。

图3 每米煤孔在不同孔径下的出煤量

图4 每米煤孔在不同出煤量不同间距条件下应力分布规律

图5 不同出煤量条件下钻孔周围最大应力集中

由图5可知，当出煤量为0.04 t/m时，钻孔半径为0.1 m，应力集中为最小，卸压结果较差。上述结果表明钻孔卸压效果同出煤量的增大而增大，但当水力冲孔半径在0.3～0.5 m之后，孔径继续增大，卸压效果增大趋势不明显，同时，钻孔出煤量在0.37～1.0 t/m范围内时，钻孔四周的应力集中程度较轻。综合两方面因素，孔径小，则卸压效果不明显，孔径大则会产生较高的应力集中，因此煤孔的出煤量在0.37～1.0 t/m之间时效果较好。此外随着出煤量增多，钻孔孔径增大，煤体蠕变至稳定的时间越长，如果冲孔后周围应力为平衡，则会导致煤体硬度不均，掘进工作面的支撑压力会发生较剧烈的变化，反而会促进了突出危险性。

假设煤体卸压率达到10%，就可以实现有效卸压，则当钻孔间距、出煤量如下述对应时可以实现充分卸压，也为水力冲孔的钻孔布置提供理论依据。

1) 孔间距5 m且孔直径0.6 m(出煤量0.37 t/m)时，钻孔之间的煤岩体可以全部实现卸压10%以上。

2) 孔间距7.5 m且孔直径0.8 m(出煤量0.65 t/m)时，钻孔之间的煤岩体可以全部实现卸压10%以上。

3) 孔间距10 m且孔直径1 m(出煤量1 t/m)时，钻孔之间的煤岩体可全部实现卸压10%以上。

4) 孔间距超过15 m时，单纯依靠水力冲孔很难实现卸压10%以上。

3 冲孔半径现场测试及分析

采取钻孔瓦斯流量法对排放钻孔和冲孔钻孔的影响半径进行测定，探究冲孔钻孔的卸压效果。

3.1 实验区概况

己15-22060采面位于八矿二水平己二采区下部西翼，采面倾斜长度为150 m，顶板为沙质泥岩和沙岩，底板均为砂质泥岩。己15-22060低抽巷设计890 m，用于掩护己15-22060进风巷掘进，底抽巷和进风巷水平距离25 m，垂直距离20 m。测试钻孔从底抽巷上方开口进入煤层，施工一组平行钻孔，共11个，如图6和图7所示。

图7中11号为水力冲孔钻孔，在不同距离处设置抽采钻孔1#～10#，为考察钻孔。钻孔施工顺序为，先施工直径为75 mm的普通抽采钻孔，在每一个考察钻孔施工完成后立即封闭钻孔全部岩石段。待封孔完毕后，施工中间的11号钻孔：首先进行普通抽采钻孔影响半径测试，当打钻穿过己16-17煤后停止钻进，连续观测4次1#～10#考察孔的流量，每10 min测量一次，流量不变后，记录测试数据；继续施工并穿过己15煤之后，连续观测5次1#～10#考察孔的流量，每10 min观测一次，流量稳定后停止观测，记录测试数据；进行冲孔影响半径测试，完成岩段扩孔工作后，将冲孔用钻头送至己15煤见煤点，停钻观测4次1#～10#考察孔流量，每10 min观测一次，流量稳定后停止观测；随后进行冲孔，冲孔直径为89 mm，出煤量达3 t时，停止冲孔，观测1#～10#考察孔的流量，每10 min观测一次，观测6次，流量稳定后停止观测，现场测试结束。

3.2 测试结果分析

依照测试的数据，绘制出全部过程当中各测量钻孔的瓦斯流量变化图，见图8。

图6 钻孔布置剖面

图7 钻孔布置轨迹示意图

图8 各测量钻孔瓦斯流量变化图

分析图8可得如下结果。

1) 普通抽采钻孔施工后，所有考察孔的瓦斯流量没有显著增加，表明普通孔施工之后扰动半径小于1 m；水力冲孔后，考察孔瓦斯的流量显著升高，离冲孔钻孔越远，瓦斯效果增幅越不显著。

2) 水力冲孔出煤3 t以后，3#、4#、6#、7#、8#钻孔流量顺次提升65.0%、62.8%、49.6%、58.7%、52.2%(5号钻孔穿孔)，流量均显著增大，处在水力冲孔的有效影响范围之内，扰动半径大于4 m；1#、2#、9#、10#钻孔的瓦斯流量没有显著增大，位于冲孔的影响范围之外。

3) 水力冲孔出煤3 t之后卸压扰动半径比普通孔大4倍以上。

从现场实验可以看出，使用水力冲孔技术增大扰动半径，能有效地增加抽采瓦斯的效率，提高煤体卸压的效果。实验得出的水力冲孔扰动半径为4 m，与上述钻孔卸压数值模拟中，孔间距5 m，孔径半径0.4 m的钻孔，能使孔间煤体达到有效卸压的结论相吻合。验证了数值模拟的准确性，为优化穿层钻孔分布情况，提升煤体卸压效果给出了可行的理论依据。

4 结 论

1) 随着钻孔直径的增大，孔四周的径向应力降幅增大，卸压效果越好；钻孔间距越大，孔四周的径向应力遭受的钻孔影响减小，卸压的效果稍有增大。

2) 对不同的钻孔半径，有相应的有效钻孔间距，因此钻孔间的煤体应力存在某一个临界值。在此临界值下，对不同出煤量的孔，通过合理控制钻孔间距和出煤量，可以让煤体得到有效卸压。

3) 对比模拟与现场测试数据，若使煤体达到良好的卸压效果，煤孔的理论半径在0.3～0.5 m范围内，即出煤量在0.37～1 t/m范围内，煤孔的理论孔间距在5 m左右。

4) 现场实验测试表明，水力冲孔后，钻孔的扰动半径比冲孔之前增大了4倍以上，这与FLAC3D数值模拟的研究结果相互吻合，现场水力冲孔的卸压效果良好，能有效地提高抽采瓦斯的效率。