低渗煤层水力割缝钻孔抽采影响半径

邓广哲，刘文静，，李 刚，贺斌雷，杨 琛，梁少剑

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710065)

0 引 言

近年中国矿井随着开采深度的增加，低透气性煤层瓦斯赋存含量逐渐升高，导致工作面煤层钻孔预抽时间长、钻孔布置较密，仍难以解决工作面抽采不平衡的难题。因此，目前国内解决低透气性煤层钻孔瓦斯抽采效率低、抽采效果差的主要技术措施有：水力压裂、水力割缝、水力造穴等水力化的增透措施。目前应用较广的水力割缝技术就是利用高压水对孔壁进行环形切割，形成圆盘状缝槽，缝槽裂隙继续向煤体深部进行扩展延伸，达到增大煤层透气性的目的，水力割缝卸压增透示意，如图1所示。割缝缝槽可以有效提高单孔裂隙影响范围，增大钻孔抽采影响半径，提升煤层瓦斯的抽采效率。因此，对于水力割缝钻孔的瓦斯抽采半径影响因素的研究具有重要的实际意义。目前国内外众多学者进行的主要研究有：徐雪战、李宗福等对水力化措施的联合增透技术进行了深入研究[1-2]；张永将、陆占金等对超高压水力割缝全套装备进行了研究开发[3-4]；梁银权、吴海进、杨威等对水力割缝卸压增透的作用机理进行了深入研究[5-6]；杨威等对水力割缝天然气抽采机理进行了研究并提出了抽采设计参数设计方法[7]；易恩兵等对水力割缝技术用于防治复合煤岩动力灾害进行了研究[8]；李晓红、唐巨鹏等研究了水力割缝过程中能量的变化规律[9-10]；陆战金、林柏泉等研究了煤层水力压裂方面的致裂机理及扩展规律[11-12]；邓广哲等研究得出高压水力作用下裂缝的扩展是阶段性的，并通过实践证明，裂缝内的水压力会随着裂缝扩展尖端距离的增加而减小[13]；葛兆龙等对钻孔间距、抽采影响半径等进行了深入研究[14]；YUAN，ZHANG，冯仁俊、李生舟等总结了水力割缝过程中高压水射流的特性[15-17]；刘生龙、陆占金、曹建军等对超高压水力割缝技术应用及效果进行考察分析[18-20]；王正帅等对碎软煤层顺层钻孔水力割缝增透技术进行了研究[21]。

图1 超高压水力割缝卸压增透示意Fig.1 Sketch of ultra-high pressure hydraulic slitting for pressure relief and permeability enhancement

目前众多学者对水力割缝增透技术的工艺、机理等进行了深入研究，但是对于低渗煤层水力割缝钻孔的瓦斯抽采半径的影响因素方面研究较少，其次影响因素众多，对割缝钻孔抽采半径影响规律难以掌握[22]。因此，以彬长矿区孟村矿4#低渗煤层作为研究对象，通过理论分析、数值模拟、现场实验的分析方法，分析水力割缝钻孔的力学模型及不同条件下割缝钻孔瓦斯抽采影响半径的变化规律，进而为矿井水力割缝钻孔的设计及布置提供参考依据，同时为低渗煤层超高压水力割缝技术推广应用提供一定理论指导价值。

1 水力割缝钻孔力学模型建立

煤层瓦斯预抽钻孔经过高压水射流对孔壁的冲击，孔壁周围煤体超过应力承载极限[23]，逐渐破碎形成扁平状圆形缝槽，建立三维煤层水力割缝的裂隙扩展-渗透模型，如图2所示。

图2 煤层渗透范围模型示意Fig.2 Sketch of coal seam permeability range model

缝槽延展方向煤体应力先失稳后重新稳定分布，应力分布区域为塑性区、弹性区、原岩应力区[13]。水射流割缝缝槽对煤体的影响范围主要分为缝槽四周煤体破裂产生的次生裂隙及高压水经过次生裂隙渗流的影响范围[24]，水射流割缝缝槽的塑性区分布范围为x1，高压水经过缝槽产生的次生裂隙渗流扩展的影响范围为x2。

从图2可以看出，煤层割缝钻孔抽采影响范围L，由水射流割缝缝槽塑性区范围及高压水经过次生裂隙渗流扩展的影响范围组成，L=(x1+x2)，钻孔切割形成的缝槽可视为二维非均匀应力场作用，塑性区分布范围可通过Mohr-Coulomb破坏准则求解，根据图3钻孔割缝缝槽应力分析，x1近似看作R0钻孔大小的塑性区，x1取值为[14]

图3 钻孔割缝缝槽应力Fig.3 Stress in the slot of the drilling slot

(1)

式中λ为侧压系数，取1.1；Pi为支护力，取10 MPa；φ为煤层内摩擦角，取8°；c为煤体之间的黏聚力，取0.6 MPa；R0为钻孔割缝半径，取0.8 m。带入式(1)得塑性区分布范围x1=2.953 m。

由于水压的存在会使水流沿缝槽的裂隙网络进一步扩展，使煤体缝槽的增透范围进一步扩大，现有研究认为在多孔介质裂隙扩展过程中的水体流动渗流速度为

(2)

(3)

(4)

对式(4)积分得到

P2=C1x+C2

(5)

根据渗流的边界条件：当渗流范围为时间的函数时，即x=x(t)，压力P1=P2=P；当x=x2时，压力为煤层瓦斯压力pg，得到

P=C1x(t)+C2，Pg=C1x2+C2

(6)

联合式(5)(6)得到

(7)

将式(7)带入式(2)得到下式(8)所示

(8)

(9)

式中v为渗流速度，m/s；Q为喷嘴的流量，m3/s；A为流体经过的单位横截面积，m2；Df为煤层孔裂隙的分形维数，取2.555；λmax为煤体最大孔隙直径，取6.28e10-5m；μ为动力粘度，Pa·s；A0为垂直于流动方向的单位元，取3.51e10-7；p0为缝槽裂隙的水流压力，取8 MPa；pg为煤层瓦斯压力，取3 MPa；K为煤层孔隙率，取0.084 5；t为割缝注水时间，取13 min;Г为迂曲度，取2.013。带入式(9)得到x2=1.245 5 m。

联立式(1)与式(9)，得出超高压水力割缝钻孔抽采影响半径L=(x1+x2)=4.198 5 m，见式(10)

(10)

2 水力割缝钻孔抽采影响半径的数值模拟

目前研究认为割缝钻孔抽采影响半径的大小主要与割缝半径、割缝间距、抽采时间、渗透率等因素有关[25-26]。因此，基于COMSOL Multiphysics多场耦合数值分析软件，采用控制变量法的研究方法，建立单孔割缝钻孔瓦斯抽采模型，单独分析每一种影响因素下设置不同参数时，割缝钻孔抽采影响半径的变化规律。

试验选取的孟村矿401102工作面概况主要为：走向长度1 920 m，倾向长度180 m，煤层平均可采厚度13 m。建立尺寸为50 m×30 m×20 m的煤层抽采几何模型，对模型适当简化，假设煤体为均匀各向同性介质，水流在煤体中的流动渗流符合达西定律。钻孔位于煤层中心，孔径113 mm，孔深40 m，钻孔割缝间距10 m，如图4所示。

图4 几何模型Fig.4 Geometric model

模型边界条件设置为：模型底面固定，模型上部载荷压力为10 MPa，抽采负压为20 kPa，割缝钻孔的抽采影响半径的大小以钻孔中心位置到煤层瓦斯压力降低10%的位置，多场耦合模拟的煤层主要参数见表1。

表1 煤层主要参数

3 数值模拟结果及分析

3.1 割缝半径对抽采影响半径的影响

为研究割缝半径对抽采影响半径演变规律的影响，模拟单孔超高压水力割缝条件下，通过设计不同深度的割缝半径(0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m)，抽采负压为20 kPa，分析单孔抽采影响半径的变化规律，通过对模型中心位置进行切片，提取单孔瓦斯压力分布云图，如图5所示。

从图5可知，随着割缝半径的增加，割缝钻孔抽采影响半径呈现增大趋势，但是割缝钻孔抽采影响半径的增幅呈现逐渐减小趋势，由于当割缝半径大于0.8 m时，即钻孔缝槽的暴露表面积小于钻孔缝槽暴露的体积。从图5提取数据，绘制割缝半径与抽采影响半径的拟合曲线，如图6所示，钻孔瓦斯抽采影响半径随割缝半径大小呈现对数函数的关系，二者的拟合关系见式(7)。

图5 不同割缝半径的瓦斯压力云图Fig.5 Cloud chart of gas pressure at different cutting depths

图6 割缝半径与抽采影响半径的关系Fig.6 Relationship between slot radius and drainage influence radius

y=ln(52.846 7+95.657 4x)，R2=0.989 3

(7)

3.2 抽采时间对抽采影响半径的影响

为分析割缝钻孔抽采影响半径与抽采时间的变化规律，模拟单孔超高压水力割缝条件下，选定割缝半径R为0.8 m，抽采负压为20 kPa，抽采0～180 d煤层瓦斯压力演变规律如图7所示。

从图7可知，抽采时间增加，割缝钻孔的抽采影响半径呈现增大的趋势，抽采小于60 d时，割缝钻孔抽采影响半径大小约为3.5 m以内；抽采时间逐渐增大到180 d时，割缝钻孔抽采影响半径到达5 m以上。提取不同抽采时间的割缝钻孔瓦斯抽采影响半径，建立两者之间的拟合关系见式(8)。

图7 不同抽采时间的瓦斯压力云图Fig.7 Cloud chart of gas pressure with different extraction time

y=7.166ln(0.397 9ln(t)),R2=0.981 51

(8)

从图8可知，抽采时间90 d以后割缝钻孔的抽采影响半径的增幅呈现减小的趋势，因此90 d之内属于最佳抽采时间范围，随着抽采时间增加，内部裂隙扰动发生变化，进而会影响抽采效果。

图8 抽采时间与抽采影响半径的关系Fig.8 Relationship between drainage time and drainage influence radius

3.3 瓦斯压力与抽采影响半径的关系

设置当初始瓦斯压力大小分别为(2，2.5，3，3.5，4 MPa)时，模拟单孔超高压水力割缝条件下，割缝深度0.8 m，割缝间距10 m，抽采时间为180 d的条件下，抽采负压为20 kPa，提取分析单孔抽采影响半径随瓦斯压力的变化规律，如图9所示。

从图9可知，瓦斯压力对于割缝钻孔抽采影响半径的作用效果较明显，割缝钻孔抽采影响半径随瓦斯压力增大呈现逐渐增大的趋势，瓦斯压力为3～4 MPa时，抽采有效影响半径可达到4～5.5 m左右范围。建立二者之间呈现的函数关系见式(9)，拟合度可达到0.975 4。

图9 瓦斯压力与抽采影响半径的关系Fig.9 Relationship between gas pressure and drainage influence radius

y=4.630 8ln(2.278ln(x))，R2=0.975 4

(9)

3.4 渗透率与抽采影响半径的关系

为研究煤层渗透率对抽采影响半径演变规律的影响，模拟单孔超高压水力割缝条件下，割缝深度0.8 m，割缝间距10 m，抽采时间180 d时分析单孔抽采影响半径随煤体渗透率的变化规律，提取软件不同时间条件下渗透率的变化云图，如图10所示。通过数据提取、分析建立渗透率随瓦斯抽采影响半径变化规律曲线图，如图11所示。

图10 不同抽采时间的煤体渗透率云图Fig.10 Cloud chart of coal permeability with different extraction time

从图11可知，随着煤体渗透率的增大，割缝钻孔抽采影响半径随渗透率的增加而增大，渗透率为0.1 mD时，抽采半径大小可达到5 m范围，渗透率逐渐增加，割缝钻孔抽采影响半径的增幅逐渐减小。拟合建立割缝钻孔抽采影响半径随煤层渗透率的变化关系见式(10)，具有较高的拟合性，可以为抽采影响半径的设计提供一定理论参考依据。

图11 渗透率与抽采影响半径的关系Fig.11 Relationship between permeability and drainage influence radius

y=-4.537 3ln(-0.142 9ln(x))，R2=0.998 5

(10)

4 现场试验

本次试验工作面选取在401103工作面回顺东进行试验，煤层倾角平缓，倾斜带最大倾角不超过8°，为近水平煤层。有爆炸性、易自燃煤层，地温以一级热害为主，4号煤层为冲击地压煤层，煤层抗压强度15.9～25.7 MPa，平均19.25 MPa。本次采用压降法的测试方法，通过测定图12中测试钻孔(1,2,3,4,5,6)瓦斯压力的变化，即可综合分析确定割缝钻孔的抽采影响半径的大小。

通过在回顺煤壁布置一个割缝孔和6个压力测试孔，试验测试半径分别为2,3,4,5,6,7 m，剖面布置如图12所示，测试钻孔的施工参数见表2。

表2 孔间距试验钻孔布置参数

图12 高压水射流割缝孔间距试验钻孔布置Fig.12 Drilling arrangement of high pressure water jet cutting hole spacing test

测试孔联网抽采后，待(1,2,3,4,5,6)测试孔内气体压力稳定后，监测收集钻孔内瓦斯压力变化数据，绘制变化压力变化曲线，如图13所示。

图13 钻孔瓦斯压力Fig.13 Pressures of borehole gas

从图13可以看出，随着抽采时间的增加，钻孔内压力整体呈现一种逐渐降低的趋势；随着测试孔距离的增加，钻孔压力整体呈现衰减量减少的趋势，测试孔2，测试孔3，测试孔4及测试孔5随着抽采时间的增加，瓦斯压力逐渐减小；距离施工孔较远的测试孔1及测试孔6的变化均在0.05 MPa之内，基本呈现稳定状态，说明抽采影响半径范围在4～5 m左右，与第四节模拟结果基本吻合。

5 结 论

1)建立煤层割缝的理论模型，基于扩散理论和渗流理论，推导了割缝的影响范围公式，为确定瓦斯抽采影响半径提供一定理论基础。

2)通过数值模拟，得到抽采影响半径随割缝半径、瓦斯压力、渗透率、抽采时间呈现一种对数函数的形式，随着割缝半径、瓦斯压力、渗透率、抽采时间的增大瓦斯抽采影响半径呈现逐渐增加的趋势。

3)现场试验表明，高压水射流割缝卸压增透效果在4～5 m范围，其结果与数值模拟的结果基本吻合，验证了文中模拟的可靠性，为分析钻孔抽采影响半径的影响因素提供一定参考价值。