基于鉆孔應(yīng)力分析的水力割縫增透技術(shù)研究

吳小娃

（山西大平煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200）

0 引言

在我國煤炭開采過程中，煤與瓦斯突出問題依然嚴峻[1]。目前，應(yīng)用廣泛的區(qū)域性防突措施有保護層開采和煤層瓦斯預(yù)抽采[2]。隨著開采深度的增加和煤層賦存條件的限制，越來越多的煤層不具備保護層開采條件，區(qū)域性的防突措施更多地采用本煤層的瓦斯預(yù)抽采。我國陽泉礦區(qū)可采煤層多以煤質(zhì)松軟、透氣性差、瓦斯含量高等為主要特征，常規(guī)的鉆孔瓦斯抽采效率低下、抽采效果差。密集瓦斯抽放鉆孔雖具有較好的抽采效果，但其施工工程量大、工期緊張、經(jīng)濟效益低，且易出現(xiàn)串孔、卡鉆，甚至引起突出。

水力割縫作為一種煤層增透措施，其以高壓水為動力，對鉆孔周圍煤體進行切割、剝離，在鉆孔煤體中形成自由空間，煤體在地應(yīng)力及孔邊集中應(yīng)力作用下向自由空間移動過程中產(chǎn)生大量裂隙，為瓦斯流動提供新通道，大幅提高煤層瓦斯抽采效率。

本文通過彈塑性力學(xué)知識，分析瓦斯抽放鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布情況，揭示影響瓦斯抽放效果的關(guān)鍵因素，提出水力割縫技術(shù)設(shè)計原則，并在陽泉某礦進行現(xiàn)場試驗。

1 瓦斯抽放鉆孔“瓶塞”效應(yīng)分析

假設(shè)瓦斯抽放鉆孔周圍的煤體為均質(zhì)體、具有各向同性，鉆孔形成后，引起孔邊煤體應(yīng)力的重新分布，如圖1所示。鉆孔周圍煤體隨著應(yīng)力的增大，其中的原生裂隙發(fā)生不同程度的閉合，阻斷了鉆孔周圍煤體瓦斯向自由空間滲透的通道，直接影響了煤體瓦斯預(yù)抽效果，大大降低了瓦斯抽放量，形成了瓦斯抽放鉆孔的“瓶塞”效應(yīng)。特別是當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時，孔邊應(yīng)力集中程度更大，煤體中的原生裂隙完全閉合，瓦斯抽放鉆孔的“瓶塞”效應(yīng)更加顯著。

圖1 瓦斯抽放鉆孔受力示意圖

以往多采取增大鉆孔直徑，提高鉆孔中瓦斯排出面積的方法來提高單孔抽采效率，但鉆孔直徑的增大會引起應(yīng)力集中區(qū)域面積更大，“瓶塞”效應(yīng)進一步增大。因此，僅通過增大鉆孔直徑的方法來提高單孔瓦斯抽采效率是不可行的。“瓶塞”效應(yīng)根源在于孔邊應(yīng)力集中造成煤體原生裂隙閉合、致密性增強，應(yīng)采取有效措施為煤體提供變形空間，避免應(yīng)力集中作用下煤體中裂隙發(fā)生閉合，從而打破瓦斯抽放鉆孔的“瓶塞”效應(yīng)[3]。

圖2 鉆孔“瓶塞”效應(yīng)示意圖

2 水力割縫增透機制

水力割縫措施是以高壓力水流為動力，利用高壓水的水楔和沖擊作用，實現(xiàn)對煤體切削、沖刷、剝離，在預(yù)定位置形成具有一定深度和厚度的扁平縫槽[4]。采取水力割縫措施，在圖2中的應(yīng)力增高區(qū)域割出一定厚度的縫槽，部分煤體隨高壓水排出，縫槽形成后，破壞了鉆孔周圍煤體原有的應(yīng)力狀態(tài)，在應(yīng)力重新分布過程中，縫槽周圍的煤體會逐漸向縫槽空間運移并形成大量裂隙，從而打破了“瓶塞”效應(yīng)，增大了煤層的透氣性，為瓦斯流動提供了新的通道，大大提高煤體瓦斯的抽采效率。

3 工程應(yīng)用

3.1 工作面概況

井下工程應(yīng)用在陽泉某礦，該礦設(shè)計年生產(chǎn)能力120萬t，目前主采3#煤層，埋深253～711m，煤層顯微煤巖類型以微鏡煤、微鏡惰煤為主，有少量微半絲煤，所測3#煤層瓦斯含量在4.44～8.14m3/t之間，最大煤層原始瓦斯含量值為8.14m3/t，甲烷成分在69.09～98.28%之間。經(jīng)鑒定該礦井瓦斯等級為“高瓦斯礦井”。

該礦一采區(qū)311306回采工作面，該工作面東西兩側(cè)分別為井田境界保護煤柱、大巷保護煤柱，北臨311305回采工作面采空區(qū)。311306地面標高+900～+930m，工作面標高 +561～+578m，工作面埋深335～365m，工作面老頂巖層為細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為10.3m；直接頂巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖厚度為2.7m。

3.2 瓦斯抽放鉆孔布置

工作面煤層的瓦斯采用鉆孔抽放，分為兩個階段：未卸壓抽放（預(yù)抽）和邊采邊抽。利用工作面進風(fēng)與回風(fēng)順槽平行于煤層施工瓦斯抽放鉆孔，在工作面回采前可以作為預(yù)抽鉆孔對煤層瓦斯進行預(yù)抽，同時該預(yù)抽鉆孔隨著回采工作面的推進，對工作面前方煤體產(chǎn)生的卸壓區(qū)作為邊采邊抽鉆孔，對卸壓煤層進行瓦斯抽放，從而提高瓦斯抽放量，減少煤層開采過程中的瓦斯涌出，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 311306工作面本煤層預(yù)抽鉆孔布置圖

根據(jù)該礦歷史抽采經(jīng)驗，單孔有效抽采半徑為2.5m，由于采用水力割縫，設(shè)計巷道兩幫鉆孔間距4m，孔深100m，為工作面長度的一半，鉆孔直徑為89mm，采用聚氨酯封孔。圖3中紅色鉆孔為割縫鉆孔，將該工作面地質(zhì)鉆孔提供的煤巖體力學(xué)參數(shù)代入割縫深度預(yù)測模型[5]進行計算，得出80MPa高壓水的割縫深度為1.203m。水力割縫鉆孔施工完畢后立即進行高壓水切割，每5m切割一次，水壓80MPa。

3.3 割縫后抽采效果分析

（1）割縫對鉆孔周圍煤體的擾動情況。水力割縫通過高壓水將鉆孔周圍煤體剝離并排出，這相當(dāng)于開采一層極薄煤層，為附近煤巖蠕變運移提供自由空間，使得煤體內(nèi)部裂隙進一步發(fā)育、貫通從而提高煤層滲透率，提升煤體鉆孔瓦斯抽采效果。如表 1 統(tǒng)計所示，3#、7#、11#、15#、21# 割縫鉆孔出煤量共計12.0t，單孔出煤量平均為2.4t，最大出煤量大于3.0t，割縫后鉆孔周圍煤體在周圍應(yīng)力場、瓦斯流動場的作用下發(fā)生流變，擴大了煤體的破碎區(qū)、卸壓影響區(qū)范圍，促使煤體裂隙發(fā)育，大大提高了單孔的有效抽采半徑。

表1 割縫施工現(xiàn)場記錄表

（2）割縫對鉆孔瓦斯抽采量的影響。水力割縫完成后隨機選取5個割縫鉆孔和5個正常抽采鉆孔，對比單孔瓦斯抽采量的情況，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

由抽采量統(tǒng)計可知，割縫鉆孔的日瓦斯抽采量遠大于未割縫的鉆孔；10天內(nèi)未割縫鉆孔的平均日瓦斯抽采量為16.88L·min-1，割縫后的為45.42L·min-1，是未割縫鉆孔的2.69倍。由以上10個測點瓦斯抽采量數(shù)據(jù)分析可知，水力割縫能夠有效打破鉆孔周圍的“瓶塞”效益，使煤體產(chǎn)生流變作用，增大鉆孔周圍煤體的透氣性，為煤體瓦斯流向鉆孔自由空間提供新的通道，提高煤層瓦斯抽采效率。

繪制鉆孔瓦斯累積抽采量，如圖4所示，鉆孔采用水力割縫增透后，煤體內(nèi)部瓦斯運移通道明顯增加、大大提高了煤體透氣性，提高了瓦斯抽采量。

4 結(jié)論

1）鉆孔周圍煤體在應(yīng)力集中作用下，原生裂隙發(fā)生閉合形成致密的煤巖體，阻斷了鉆孔周圍煤體瓦斯向自由空間滲透的通道，形成了瓦斯抽放鉆孔的“瓶塞”效應(yīng)，嚴重影響煤體瓦斯的抽采效果。

2）水力割縫措施是以高壓力水流為動力，實現(xiàn)對煤體切削、沖刷、剝離，在預(yù)定位置形成具有一定深度的扁平縫槽，破壞了鉆孔周圍煤體原有的應(yīng)力狀態(tài)，在應(yīng)力重新分布過程中，縫槽周圍的煤體會逐漸向縫槽空間運移并形成大量裂隙，從而打破了“瓶塞”效應(yīng)，為瓦斯流動提供了新的通道，通過現(xiàn)場工程應(yīng)用證明，水力割縫可以大大提高煤體瓦斯的抽采效率。