机械扩孔造穴强化卸压增透抽采瓦斯抽采工程实践＊

华帅 毕寸光 张斌 田坤云

（1.安阳市主焦煤业有限责任公司，河南安阳 455141；2.河南工程学院 资源与安全工程学院，河南郑州 450007）

0.引言

相关工程应用及室内实验均表明[1-2]，穿层钻孔抽采、顺层钻孔抽采及动压区抽采是目前矿井采掘工作面最常用的抽采技术措施，在降低工作面煤层瓦斯方面起着重要的作用，煤层瓦斯预抽钻孔的设计方案及布置方式的确定主要依据钻孔的有效抽采半径。同时，有效抽采半径也是影响钻孔瓦斯预抽效果的主要因素，直接关系到预抽钻孔布置密度和预抽时间的长短。人为强制卸压是有效提高煤层透气性、扩大抽放钻孔影响范围、提高煤层瓦斯抽采增浓的重要手段[3]，采用机械造穴扩孔进而扩展瓦斯渗流通道可实现卸压增透。基于此，在试验矿井布置1组钻孔进行机械造穴扩孔试验，监测注水压力及流量实时变化。试验结束后联接抽放系统考察相关瓦斯指标以验证卸压增透效果。

1.机械扩孔造穴强化卸压增透抽采瓦斯原理

底板岩巷上向穿层钻孔机械扩孔造穴卸压增透技术在煤层的底板岩巷内施工上向打直径穿层钻孔至煤层顶板，利用机械扩孔装置切割和高压水射流冲刷煤体排出大量碎煤和瓦斯，使洞室扩大最终形成较大空间的洞室。使地应力显著降低，应力集中向冲孔周围移动，洞室周围煤体孔裂隙扩展延伸。使冲孔附近煤体卸压增透，煤体孔裂隙张开、扩展贯通，透气性大幅增加，可以有效提高抽放效果，为区域瓦斯高效抽采提供条件[4]。

2.煤层机械扩孔瓦斯有效抽采半径现场测定与考察

2.1 煤层机械扩孔造穴现场试验

为对机械扩孔瓦斯抽采有效半径进行考察研究，在以安阳地区某矿2303工作面底板巷、切眼底板岩巷布置三组考察钻孔开展机械扩孔造穴实验，机械扩孔造穴钻孔竣工参数见表1。

表1 机械扩孔钻孔参数

在设计位置施工煤层机械扩孔造穴试验钻孔（D18-10、D19-10、D23-5和D23-9），施工完成后进行水力冲孔，冲孔完成后对钻孔进行封孔，并接瓦斯流量计，记录抽采流量，瓦斯浓度[5]。

机械扩孔钻孔D18-10、D19-10、D23-5和D23-9的冲煤量分别为3.8m3、3.4m3、2.4m3、3.2m3。根据出煤量体积和造穴煤孔长度，可以算出以上试验钻孔扩孔平均直径分别为1.27m、1.04m、0.71m、0.90m。统计结果见表2。

表2 机械扩孔造穴试验扩孔直径

2.2 现场机械扩孔造穴和普通钻孔瓦斯抽采效果对比分析

在2303工作面底板巷分别选取4个未冲孔钻孔（D18-5、D19-5、D23-7、D23-12）与4个造穴钻孔（D18-10、D19-10、D23-5、D23-9）进行对比考察分析，对钻孔进行了连续25d的监测，统计结果见表3。

表3 造穴钻孔和未造穴钻孔抽采浓度对比分析表

由表3可知，机械造穴钻孔平均日抽采优于未造穴钻孔孔组的平均日抽采浓度，造穴钻孔的平均日抽采浓度纯量最高达到41%，是未造穴钻孔的1.25倍。随着连抽天数的增加，造穴钻孔的平均日抽采纯量初期有波动性下降并逐渐趋于平稳，但平均日抽采浓度始终保持在28%以上，是未造穴钻孔的1.48倍以上。

依据表3可以得出以下结论：

（1）抽采1d后，造穴钻孔平均单孔抽采浓度是未造穴钻孔的1.06倍；造穴钻孔平均单孔抽采浓度37.5%，未造穴钻孔的平均单孔浓度是35.5%。

（2）抽采4d后，造穴钻孔平均单孔抽采浓度是未造穴钻孔的1.25倍；造穴钻孔平均单孔抽采浓度41%（最大值），未造穴钻孔的平均单孔浓度是32.8%。

（3）抽采15d后，造穴钻孔平均单孔抽采浓度是未造穴钻孔的1.49倍；造穴钻孔平均单孔抽采浓度26.5%，未造穴钻孔的平均单孔浓度是17.75%。

（4）抽采25d后，造穴钻孔平均单孔抽采浓度是未造穴钻孔的1.60倍；造穴钻孔平均单孔抽采浓度20.0%，未造穴钻孔的平均单孔浓度是12.5%。

以上现场试验数据分析结果表明：机械造穴技术能显著提高二1煤层的透气性。相对于普通钻孔，机械冲孔造穴钻孔能显著提高瓦斯抽采效果。

3.机械冲孔造穴有效半径数值模拟

3.1 模型建立

为研究水力冲孔造穴与卸压增透效果，使用FLAC3D数值分析软件进行计算机模拟仿真研究。在数值模型中，设置边界在距钻孔中心20m处。对于半径为0.3m或0.4m的钻孔，根据FLAC3D中的准则，边界设置在距钻孔中心12m处，对于如此小的钻孔，当边界太远时，模型在钻孔开挖后立即达到平衡[6]。

根据安阳矿区某矿的二1煤层埋深和地质条件，煤体相对较软（f＜0.5），抗压强度在1MPa以下。与煤体相比在模拟中考虑了顶板和顶板岩体的弹性。顶板和顶层岩层的厚度设定为10m。3个主要原位应力分别为25、17.5和15MPa（x、y和z方向），如图1所示。

图1 钻孔周围的塑性区

在图1的顶部边界施加平均应力5MPa。室内试验表明，煤体在常规压缩试验中表现为脆性断裂。因此，本文提出了一个具有应变软化特性的本构模型，采用非关联流动法则对煤进行建模，根据地质报告和文献确定了主焦煤矿二1煤层及顶底板的力学参数，见表4。

表4 煤层参数

3.2 水力冲孔造穴模拟效果

对不同半径水力冲孔钻孔造穴进行了数值模拟。在模拟中，钻孔一次性冲孔造穴。图2显示了平衡后钻孔周围的塑性区。

图2 钻孔周围应力降低区的分布（下降20%）

图2中（a）半径0.1m；（b）半径0.3m；（c）半径0.4m；（d）半径0.6m；（e）半径0.8m。很明显，随着钻孔半径的增大，塑性区扩展。由于初始应力的不对称性，在小主应力方向上塑性区的范围稍大。煤体的变形破坏引起了钻孔周围应力的重新分布。实际上，钻孔周围的应力降低区更重要，因为这一地区煤层气更容易排出。为了比较，在不同的钻孔半径下，本次分析最小主应力减小超过20%的区域。如图3所示。有趣的是，在主应力和次主应力方向上，应力降低区的范围几乎相同。因此，应力减低值（卸压程度，而不是方向）是评价应力降低区的主要因素。

图3 不同钻孔半径对应的应力降低区范围（20%）

基于主焦煤矿二1煤层坚固性系数、顶底板岩性和力学参数，采用FLAC数值模拟软件，对不同抽采时间、冲煤量为0.3t/m、0.4t/m、0.6t/m情况下的钻孔有效抽采半径进行数值模拟，模拟结果见表5。

表5 不同冲煤量和抽采时间对应的抽采有效半径

4.结论

通过机械造穴扩孔试验和钻孔瓦斯流量监测研究及实验室瓦斯突出参数测试，主要得出结论如下：

（1）在现场进行了机械扩孔造穴试验，依据出煤量和造穴煤孔长度，计算试验钻孔扩孔平均直径分别为1.27m、1.04m、0.71m、0.9m，远大于原钻孔直径。

（2）机械而造穴后穿层钻孔瓦斯流量、浓度及累计抽采纯量大幅增加，煤层透气性系数急剧增强。

（3）采用FLAC数值模拟软件，得出了不同抽采时间、冲煤量为0.3t/m、0.4t/m、0.6t/m情况下的钻孔有效抽采半径进行数值模拟，模拟结果可知随着造穴煤量的增加，对应的瓦斯抽采半径随之增大。