急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿范围演化规律研究

刘旭东，范酒源，王 刚,3，鞠 爽，马祖杰

(1.国家能源集团新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000； 2.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590；3.山东科技大学 矿山灾害预防控制—省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

随着煤矿开采进入深部区域，煤层的地应力不断升高，渗透性逐渐下降，致使动力灾害时常发生，严重影响了煤矿井下正常的采掘接替[1-4]。目前，水力化煤层增透技术是煤岩体结构改造的有效技术，正向着集成化、多元化及智能化的方向发展[5]。随着对煤层增透技术的不断探索与创新，将高压水力割缝与水力压裂技术相结合，通过人工水力割缝技术辅助致裂煤体使其增透的方法，因其具有致裂范围大、增透效果显著等优势而得到了广泛的推广应用[6]。我国煤层赋存与钻孔布置具有复杂多样的特点，造成该技术被大范围推广应用时仍需要突破许多技术瓶颈，尤其是现场工程应用时钻孔间距的合理布置问题亟待解决。

目前，诸多学者通过钻孔周围煤体的湿润范围确定钻孔的布置间距。李志强等[7]通过研究计算了合理的注水压力、注水时间、注水润湿范围等动态时空参数；李大广等[8]构建了不同注水压力下的湿润半径与时间的数学模型；梁宝霞等[9]通过研究推导出注水时间、湿润半径、注水压力与孔隙压力的关系；陈小奎等[10]通过对注水钻孔周围煤体水含量的测量值计算出注水煤体的湿润范围；李宗翔等[11]通过模拟在厚煤层中注水的过程，获得了煤体注水的最小湿润范围；李宗翔等[12]等利用数值模拟方法求解了煤层注水二维、三维非定常渗流方程，分析了钻孔间距与湿润范围的动态变化关系；李宗翔等[13]等利用数值模拟方法描述了不同注水压力下煤体的动态润湿过程，分析了单、双孔布置及注水参数的变化关系，给出了合理注水参数的确定方法；肖国清等[14]基于BP神经网络理论模拟了煤层注水的湿润半径；祖海军[15]利用Fluent软件模拟了煤层注水的湿润半径，为确定最佳钻孔间距提供了参考依据；黄新杰[16]利用Fluent软件与Flac3D软件模拟了煤层注水后的湿润范围、湿润程度及湿润的分布状态；刘令生等[17]运用Fluent软件，采用多孔介质模型模拟了不同影响因素下煤层的湿润半径；胡华磊[18]基于分形理论构建了煤层注水平面平行流的分形模型及注水湿润半径的计算关系式；张劲松[19]以注水孔为圆心，沿半径方向施工若干不同距离的观测孔测定其水分，现场确定了煤层注水的扩散半径。

相关学者对上述课题进行了卓有成效的探索，并取得了丰硕的研究成果。但由于急倾斜特厚煤层地质条件与开采工艺的特殊性，导致现场实施水力割缝结合水力压裂技术润湿煤体的钻孔间距布置问题异常复杂，且针对急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔周围煤体的润湿范围演化规律的研究鲜有报道。基于此，笔者在结合急倾斜特厚煤层特殊的地质条件及开采工艺的基础上，采用数值模拟与现场实测相结合的方法，探究急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿范围演化规律，以期为施工现场钻孔间距的合理布置提供理论参考。

1 工程概况

乌东煤矿是新疆主要煤矿区矿井之一，其煤层属于急倾斜特厚煤层(≥8 m)，煤层倾角为45°，平均总厚度为28.47 m。北区可开采的45#煤层为瓦斯富集区且煤层的透气性较差，瓦斯含量为6.26 m3/t，煤层初始透气性系数为0.1 m2/(MPa2·d)。

2 数值模拟分析

2.1 物理模型

选用COMSOL数值仿真软件模拟急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿范围演化特征。在乌东煤矿北区+500 m水平45#煤层东翼南巷内，现场施工高压水力“割—压”钻孔至上部+518 m水平。依据现场施工方案及煤层物理参数，建立与水平面成45°倾角的三维计算模型，模型的长×宽×高为280 m×40 m×25 m，钻孔物理模型如图1所示。

图1 急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔物理模型

钻孔直径为113 mm，长度为55 m，开孔位置距离煤层底板1.5 m，倾角为16°。通过每个钻孔旋转切割3个圆盘式缝槽，割缝半径为2 m，割缝宽度为0.8 m。

2.2 数值模拟条件与边界设定

模拟单孔、双孔及六孔高压水力“割—压”钻孔在注水压力为20、30、40 MPa条件下，达到饱和状态时煤体的润湿范围(半径)演化规律。

边界设定如下：

1)模型底部边界水平、垂直位移为0 m；

2)模型左右边界设置为辊支撑；

3)模型其余边界为自由边界；

4)割缝钻孔所有边界均设置为注水压力值，模型上部边界、左右边界压力设置均为0 MPa。

2.3 数值模拟结果与分析

2.3.1 单孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿演化规律分析

注水压力为20、30、40 MPa，注水时间分别为6、12、18 h时，单孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体的注水压力分布云图如图2所示。

图2 单孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体注水压力分布云图

由图2可知，注水压力以钻孔为中心线沿径向逐渐向外递减，且变化梯度不断减小，到达一定距离后，压力降至临界压力以下，煤体将不再受注水影响。以水分增量达1%作为煤体是否被浸湿的判断标准。

依据图2的数值模拟结果，获得单孔高压水力“割—压”钻孔在不同注水压力下湿润半径随时间的变化曲线，如图3所示。

图3 单孔高压水力“割—压”钻孔在不同注水压力下湿润半径随时间的变化曲线

由图3可知，单孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体的湿润半径随注水压力、注水时间的增加而增大。当注水压力每增加10 MPa，注水时间越长，煤体的湿润半径增加幅度越大；但当注水时间相同时，注水压力每增加10 MPa，煤体的注水湿润半径增加幅度逐渐减小，其主要原因为当压力增加到一定值后，钻孔周围煤体的渗透性几乎不再发生变化，此时持续增加注水压力对煤体渗流作用的影响正逐渐减弱。

2.3.2 双孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿演化规律分析

注水压力为20、30、40 MPa，注水时间分别为2、6、10 d时，双孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体的注水压力分布云图如图4所示。依据图4的数值模拟结果，获得双孔高压水力“割—压”钻孔在不同注水压力下湿润半径随时间的变化曲线，如图5所示。

图4 双孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体注水压力分布云图

图5 双孔高压水力“割—压”钻孔在不同注水压力下湿润半径随时间的变化曲线

由图5可知，在注水压力20、30、40 MPa条件下，当注水2 d时双孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体的湿润半径分别为6.1、7.1、7.8 m，压力每增加10 MPa，注水湿润半径分别增加了1.0、0.7 m；同理，当注水6 d时，压力每增加10 MPa，注水湿润半径分别增加了1.8、1.3 m；当注水10 d时，压力每增加 10 MPa，注水湿润半径分别增加了2.1、1.5 m。在相同的注水时间下，注水湿润半径随注水压力的增加而增大。在相同注水压力下，注水湿润半径随注水时间的增加而增大，但两者增加的幅度均逐渐减小，与单孔得出的结论一致。

2.3.3 六孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿演化规律分析

注水压力为20、30、40 MPa，注水时间分别为2、6、10 d时，六孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体的注水压力分布云图如图6所示。

图6 六孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体注水压力分布云图

依据图6的数值模拟结果，获得六孔高压水力“割—压”钻孔在不同注水压力下湿润半径随时间的变化曲线，如图7所示。

图7 六孔高压水力“割—压”钻孔在不同注水压力下湿润半径随时间的变化曲线

由图7可知,六孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体的湿润半径随注水压力、注水时间的增加而增大，但增加速率逐渐减小，其主要原因为随着注水时间的增加，煤体的饱和度及孔隙中的水分逐渐增加。当注水16 d左右时，煤体湿润半径几乎不再发生变化，此时煤体趋近于饱和状态。在注水压力20、30、40 MPa 下，煤体饱和状态的注水湿润半径分别为11.6、13.8、15.3 m。

对比单孔、双孔及六孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿演化规律可知：当六孔高压水力“割—压”钻孔间距为 30 m 时，可以更全面地湿润煤体，达到预期的煤层注水润湿效果。

2.3.4 “割—压”钻孔与普通注水钻孔周围煤体润湿演化规律对比分析

为了更加明显地反映出采用水力割缝技术辅助润湿煤体时的注水湿润效果，对单孔高压水力“割—压”钻孔与普通注水钻孔在注水压力为20 MPa，相同注水时间条件下钻孔周围煤体润湿演化规律进行对比分析，其压力分布云图如图8所示。依据图8数值模拟结果，得到注水压力20 MPa下，单孔高压水力“割—压”钻孔与普通注水钻孔周围煤体湿润半径随时间的变化曲线，如图9 所示。

图8 单孔高压水力“割—压”钻孔与普通注水钻孔周围煤体注水压力分布云图

图9 单孔高压水力“割—压”钻孔与普通注水钻孔周围煤体湿润半径对比曲线

由图9可知,在相同注水压力、注水时间条件下，高压水力“割—压”钻孔周围煤体的湿润范围明显比普通注水钻孔大。当注水时间分别为1、2、3 d时，“割—压”钻孔的湿润半径比普通注水钻孔的湿润半径分别大0.8、0.8、0.6 m。结果表明：采用水力割缝技术辅助润湿煤体时，钻孔周围煤体的注水湿润范围更大、注水效果更显著。

3 现场工业试验

3.1 试验区域煤体注水可注性分析

为判断试验区域煤体的可注性，对采集的煤样全水分、真密度、块体密度、孔隙率、吸水性、坚固性系数进行了测定。测定结果表明：试验区域煤的全水分Mt为3.2%、真密度ρ为1.35 g/cm3、块体密度ρg为1.24 g/cm3、孔隙率q为8.15%、吸水性ωz为12.46%、坚固性系数f为0.8。根据MT/T 1023—2006《煤层注水可注性鉴定方法》[20]中煤层注水可注性判定规则：当煤样同时满足Mt≤4%，q≥4%，ωz≥1%，f≥0.4时，煤层为可注水煤层，否则为不可注水煤层。由此判定试验区域煤体为可注水煤层。

3.2 试验区域钻孔布置与技术实施

为验证模拟结果的可靠性，在乌东煤矿北区 +500 m 水平45#煤层东翼南巷距离1#煤门向东40 m处，施工6个高压水力“割—压”钻孔，其长度为 55 m，间距为30 m，6#钻孔距离1#煤门190 m。1#～6#钻孔终孔位置均落在北区+518 m水平45#煤层东翼，钻孔参数与数值模拟物理模型参数保持一致。在乌东煤矿北区+500 m水平45#煤层东翼南巷40～190 m内进行高压水力“割—压”技术现场试验，工艺流程为：施工钻孔→高压水力割缝→封孔→高压注水。其中1#、2#钻孔注水压力为20 MPa；3#、4#钻孔注水压力为30 MPa；5#、6#钻孔注水压力为 40 MPa。注水时间均为16 d。钻孔设计方案如图10 所示。

图10 高压水力“割—压”钻孔设计方案

3.3 效果考察

以6#钻孔为中心线，水分增加1%的界限为煤体的润湿范围[21]。采用钻孔法与直接观察法相结合的手段进行润湿范围的测试工作。

1)首先按设计深度收集6#钻孔的钻屑，并测定钻屑的原始水分。

2)然后按照设计要求对6#钻孔进行煤层高压注水；待注水工作结束，按照设计方案依次施工测试钻孔，同时收集钻屑，钻屑选取深度依次为10、15、25 m。

3)最后采用空气干燥法测定样品的全水分。

钻孔注水润湿范围测试方案如图11所示。

图11 高压水力“割—压”6#钻孔注水润湿范围测试方案

距离高压水力“割—压”6#钻孔不同位置的测试孔，其煤样全水分增量测试结果如图12所示。

图12 高压水力“割—压”6#钻孔周围煤体全水分增量曲线

由图12可知，以高压水力“割—压”6#钻孔为中心线，在12 m以内煤体全水分增量值在润湿临界线以上，为有效润湿区域；在12～15 m内，煤体全水分增量值在润湿临界线上下波动，为润湿—非润湿交错区，不同位置煤样全水分增量值差异可能是由煤体自身非均质造成的。由此可知，高压水力“割—压”6#钻孔的注水湿润半径为12～15 m，现场测试结果与数值模拟结果较为接近。因此认为在乌东煤矿+500 m水平45#煤层东翼南巷实施高压水力“割—压”技术时，“割—压”钻孔的间距选择30 m较为合适。

4 结论

1)急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔周围煤体注水湿润范围随注水压力、注水时间的增加而增大。当注水压力、注水时间达到一定范围时，煤体的饱和度逐渐增加，湿润半径增加的幅度逐渐减小。

2)注水16 d左右时，在注水压力40 MPa下，模拟六孔高压水力“割—压”钻孔饱和状态的注水湿润半径达15.3 m，而现场实测钻孔的润湿—非润湿交错区范围在12～15 m内，数值模拟的结果与现场实测的结果误差较小，具有较高的准确性。

3)在相同注水条件下，高压水力“割—压”钻孔比普通高压注水钻孔的湿润范围更大，可以明显地提高煤体的注水效率。