穿层钻孔煤层掏穴扩孔强化增透技术研究

倪廉钦，王佰顺

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

穿层钻孔煤层掏穴扩孔强化增透技术研究

倪廉钦，王佰顺

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

为提高低透煤层瓦斯抽采效果，提出了一种掏穴扩孔增透技术。以李嘴孜矿A1煤为研究对象，通过现场测试与分析，考察了A1煤掏穴扩孔前后瓦斯抽采影响半径，抽采浓度和抽采纯量;同时采用RFPA2D-Flow模拟软件模拟了扩孔前后煤层裂隙的起裂及扩展过程，分析了掏穴扩孔钻孔对煤层透气性的影响。结果表明：掏穴扩孔钻孔增加了钻孔内壁表面积，增大周围煤体裂隙，使得周围煤体中的应力得到释放。掏穴扩孔后，瓦斯抽采影响半径提高了1.3倍，抽采浓度提高1.9倍，抽采纯量提高了2.3倍，因此，掏穴扩孔钻孔具有提高钻孔瓦斯抽采效果，达到快速消突的目的。

掏穴增透；预抽瓦斯；数值模拟

随着开采深度的增加，地应力的增高使煤层透气性降低，煤层的瓦斯压力、瓦斯含量相应增大，煤层的突出危险性增大。由于受地质条件的限制，有些保护层转变为有突出危险性，使具有开采保护层条件的突出矿井越来越少，依据文献[1]的规定，应采用穿层钻孔区域预抽煤层瓦斯进行防突。因为淮南区煤层地应力高，透气性差[2]，对未卸压煤层进行预抽效果差，消突时间长，所以必须采取增透措施[3]。常用的增透技术有水力冲孔，水力压裂，水力割缝，松动爆破[4-6]等，但这些技术具有一定的局限性，且部分技术工艺复杂，不能广泛推广。因此，研究出一种简单易行并具有普遍性的卸压增透技术有着重要意义。

本文以淮南矿业集团李嘴孜煤矿-530 mE2A1煤底板巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯为例，试验了掏穴扩孔增透技术，并应用了RFPA2D-Flow软件模拟分析了掏穴扩孔后煤层透气性的变化情况。

1 掏穴扩孔卸压增透原理

掏穴扩孔卸压增透技术就是在钻孔预定深度内，通过增大钻具直径由原来的Φ133 mm扩大为Φ260 mm[7]，对钻孔煤层段进行旋转切割，扩大钻孔直径，增大钻孔煤层段内壁表面积，使得周围煤体中的应力得到释放，煤体充分卸压，裂隙增加，增大了煤层的透气性，从而提高了钻孔瓦斯抽采效果，使瓦斯流动场扩大，扩大了抽采影响半径，降低了煤层瓦斯含量和瓦斯压力，达到快速消突的目的。

2 掏穴扩孔现场试验

2.1 试验概况

淮南矿业集团李嘴孜矿A1煤层埋深500 m，厚度为0.7～7.06 m，平均为3.0 m，为结构单一发育较稳定的煤层，顶板为灰色粉砂质泥岩，底板为灰色粉砂岩。煤层瓦斯含量为6.75 m3/t，瓦斯压力为2.0 MPa，透气性系数为0.079 7 m2/MPa2·d，煤体坚固性系数f值为0.67。为考察掏穴扩孔增透技术前后瓦斯抽采影响半径，抽采浓度，抽采纯量的变化趋势，本次试验在-530 mE2A1煤底板巷的同一水平，不同地点选取了两处相距较近的试验点，分别用于瓦斯抽采影响半径，抽采浓度，抽采纯量测定。其中一组为A组，用于非扩孔钻孔瓦斯抽采影响半径测试；另一组为B组，用于掏穴扩孔钻孔瓦斯抽采影响半径测定。

2.2 施工工艺

1) 先使用Φ133 mm钻头穿过A1煤进入底板0.5 m止，准确记录见煤位置。钻孔采用压风排渣钻进。

2) 试验压风压力，保证Φ260 mm掏穴扩孔钻头正常打开，方可正常扩孔钻进。钻进时轻压慢钻，控制给进压力，确保煤屑充分排至孔外，保证钻孔扩孔段施工质量。

3) 每次钻进1～2 m，必须用瓦斯便携仪检查孔口风排瓦斯浓度；扩孔钻头至A1煤止煤位置时，保持孔内压风，待孔内煤屑排净后方可起钻。

4) 撤钻前先停止旋转，关闭压风，待双翼钻头复位后，方可缓慢撤钻。

3 掏穴扩孔钻孔抽采效果考察

3.1 抽采影响半径测定

掏穴扩孔钻孔布置如图1所示，抽采影响半径测定钻孔施工顺序为：1#、2#、3#、4#、5#、6#、抽采孔。抽采孔应在各压力观测孔压力观测值稳定后再施工。其中抽采孔孔径260 mm，孔深26 m，方位角34°，倾角32°。未扩孔钻孔布置如图2所示，其中抽采孔孔径113 mm，孔深24 m，方位角34°，倾角35°。抽采孔施工完毕后，立即进行合茬抽采，通过在线监测，得到各测压孔连续30 d的测压数据，对数据处理结果如图3～图4所示。

由图3可知，在抽采30 d内，4#孔瓦斯压力下降明显，由1.7 MPa下降为1.22 MPa，压力下降了28.2%；3#孔瓦斯压力由1.2MPa降为1.1MPa，压力波动了8.3%；5#孔瓦斯压力由2.1 MPa下降为1.86 MPa，压力降低了11.4%。其余钻孔的瓦斯压力无明显变化。因此，有效抽采一个月测得煤层瓦斯抽采影响半径介于3.5 m和4 m之间。

由图4可知，在抽采30 d内，1#、2#孔瓦斯压力明显变化，其中，1#孔瓦斯压力由1.05 MPa变为0.82 MPa压力下降了21.9%；2#孔瓦斯压力由1.05 MPa变为0.86MPa，压力下降了17%。故连续有效抽采30 d测得煤层瓦斯抽采影响半径介于2.5～3.5 m之间。

通过对掏穴扩孔观测孔和未扩孔观测孔瓦斯压力变化趋势的分析中得出如下结论：依据瓦斯压降法，李嘴孜煤矿A1煤层在抽采负压25 kPa条件下，，连续抽采30 d，测得掏穴扩孔钻孔抽采影响半径较未扩孔钻孔抽采影响半径提高了1.3倍左右。

3.2 瓦斯抽采纯量与瓦斯浓度测定

根据大量的实验和数据收集统计，得出掏穴扩孔钻孔与非扩孔钻孔抽采浓度与抽采纯量对比(见图5～图6)。

由图5可知，掏穴扩孔钻孔的平均瓦斯浓度为24.87%，未扩孔的平均瓦斯浓度为13.27%。在观测的30d内，掏穴扩孔钻孔的平均瓦斯浓度是未扩孔的平均抽采浓度的1.9倍。

由图6可知，掏穴扩孔钻孔的平均抽采纯量为0.82 m3/min，未扩孔的平均抽采纯量为0.35 m3/min。在观测的30 d内，掏穴扩孔钻孔的平均抽采纯量是未扩孔的平均抽采纯度的2.3倍。

4 数值模拟

采用RFPA2D-Flow(岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析系统)模拟软件模拟掏穴之后煤体的破裂过程。其基本思想是：通过考虑细观单元力学参数的非均匀性，模拟煤岩宏观变形、破坏的非线性行为；通过考虑材料破坏后单元弱化描述基元的损伤，模拟材料的非连续和不可逆行为[8-9]。

4.1 建立计算模型

根据李嘴孜矿A1煤层的基础参数的测定结果，构建力学模型。模型尺寸为24m×10m，划分为240×100个单元。模型分为上、中、下三层，中间一层为A1煤层，厚度设为3 m，煤层中央为260 mm抽采钻孔(见图7)。煤层中瓦斯压力设为2 MPa，四周边界为不透气岩层，即瓦斯流量为0，力学及渗流参数如表1所示。

根据上覆岩层实际情况，模型的加载条件设置为X方向上加载5 MPa，Y方向上加载12 MPa，求解类型为二维平面应力，加载总步数为15步，代表掏穴扩孔后钻孔合茬抽采30 d，显示步中步。

表1 煤岩层力学及渗流参数

4.2 模拟结果及分析

掏穴抽采后煤体破裂过程如图8所示。在RFPA2D-Flow软件数值模拟结果中，通过各个单元的灰度来表示其所受应力的大小，图形中越灰暗的地方表示应力越小，越明亮的地方表示应力越大(见图8a)。同时，根据计算结果，绘出模型孔洞水平中线上的剪应力、最大主应力和最小主应力分布，据此分析掏穴扩孔的影响范围。

从图8c和图8d中可以看出，在地应力和瓦斯压力的作用下，扩孔钻孔会打破煤层中原有的稳定状态，导致孔洞周围的应力重新分布，产生应力集中，当其超过煤体的破坏强度时，煤体开始破裂，产生裂隙。图8b清楚地展示了钻孔右下角的煤体开始破裂。从图8g和图8h中可以发现，由于煤体的破坏，导致集中应力向远处转移，裂隙将进一步发育、贯通，渐渐地在钻孔周围形成一定范围的裂隙带，该处煤体应力降低。从图8e和图8f中可以发现，在裂隙发育的前端会出现一条明亮带，在这条明亮带上，应力较高，是煤层的应力集中区。但是在明亮带之间的区域，应力明显释放，瓦斯压力降低，是为钻孔的卸压范围。因此，掏穴扩孔的影响范围的大小主要取决于裂隙的发育深度。最终，在合茬抽采30d后，在钻孔周围形成了大约4.0 m的卸压范围，与现场考察结果基本一致，这也验证了本次数值模拟的准确性。

为了进一步分析扩孔钻孔对煤层透气性系数提高的效果，模拟了未扩孔钻孔在相同条件下的裂隙发育过程，并对模拟结果进行对比(见图9)。在卸压范围内，分别取出抽采孔同一水平线上的多个质点为研究对象，坐标从(80，50)到(160，50)均匀取出20个质点，绘出20个质点的透气性系数，并与煤体原始透气性系数相比较(见图10)。

从图10可以看到，采用扩孔工艺后煤层的透气性明显提高，扩孔后煤层的透气性系数最高可达0.36 m2/(MPa2·d)，透气性系数平均增长8.6倍左右，由于煤体的非均匀性，离钻孔越近，透气性增加越大。

从上述分析中可以看出，本次数值模拟反映出掏穴扩孔后周围煤体破裂过程及应力变化趋势，揭示了掏穴扩孔增透技术可以增加周围煤体的透气性系数。

5 结论

1) 通过理论分析和现场试验，掏穴扩孔增透技术提高了瓦斯抽采效果，扩孔之后卸压范围增大，煤层透气性增大。

2) 通过对李嘴孜矿A1煤层进行掏穴扩孔试验发现：扩孔孔径为260 mm抽采孔的抽采影响半径是未扩孔的抽采孔的抽采影响半径的1.3倍左右；掏穴扩孔钻孔的平均瓦斯浓度是未扩孔的平均抽采浓度的1.9倍；掏穴扩孔钻孔的平均抽采纯量是未扩孔的平均抽采纯度的2.3倍。

3) 通过对掏穴后煤体的变化过程进行数值模拟发现，钻孔煤层段经过掏穴扩孔后，周围煤体发生较强的应力集中现象，导致煤体破碎，透气性显著增大，从而提高了钻孔瓦斯抽采效果，降低了煤层瓦斯含量和瓦斯压力，这与理论分析及现场实测具有良好的一致性。

4) 穿层钻孔煤层段掏穴扩孔增透技术具有操作简单，提高抽采效果显著等特点，为高突出煤层预抽消突技术提供了一种行之有效的方法。

[1] 国家安全生产监督管理总局. 防治煤与瓦斯突出规定读本[M]. 北京：煤炭工业出版社，2009：56-68.

[2] 袁亮. 高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术[J]. 煤炭学报，2006(2)：174-178.

[3] 蔡如法，童校长. 穿层钻孔掏穴增透强化抽采瓦斯技术研究[J]. 安徽建筑工业学院学报：自然科学版，2011(4)：47-50.

[4] 林伯泉，崔恒信. 矿井瓦斯防治理论与技术[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2010：103.

[5] 于不凡，王佑安. 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]. 北京：煤炭工业出版社，2000：208-221.

[6] 周世宁，林伯全. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M]. 北京：煤炭工业出版社，1999：182-191.

[7] 程昊，高娜娜. 掏穴钻孔在煤层消突中的应用[J]. 煤炭技术，2012(1)：121-123.

[8] 杨天鸿，唐春安，徐涛. 岩石破裂过程的渗流特性：理论、模型与应用[M]. 北京：科学出版社，2004：62-63.

[9] 唐春安. 岩石破裂过程中的灾变[M]. 北京：煤炭工业出版社，1993：10-14.

(责任编辑：何学华，吴晓红)

Research on Enhanced Permeability Technology by Enlarging Diameter of Cross-seam Boreholes in Coal Seam Section

NI Lian-qin, WANG Bai-shun

(School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

In order to improve the effect of gas drainage in coal seam of low permeability, a permeability improvement technology by enlarging diameter of boreholes was proposed. Taking A1coal seam of Liyi Coal Mine as the research object, by field test and analysis, the size of the radius of influence for gas drainage, concentration and volume of gas drained before and after boreholes being enlarged were investigated. By using numerical simulation software RFPA2D-Flow, the process of crack starting and extension of coal seam before and after boreholes being enlarged was simulated, and the influence of borehole enlargement on permeability of the coal seam was analyzes. The results showed that by enlarged borehole the wall surface area of boreholes increases, and fractures in coal seam around boreholes increase, thus the stress in the coal body around the boreholes was released. The gas drainage radius after borehole being enlarged increased by 1.3 times, concentration of gas drained increased by 1.9 times and the volume of gas by 2.3 times. The technology improves gas drainage effect, and fast eliminates outburst of coal and gas.

permeability improvement; gas drainage; numerical simulation

2015-04-07

倪廉钦(1991-)，男，安徽利辛人，在读硕士，研究方向：矿井瓦斯瓦斯灾害防治理论与技术。

TD712.62

A

1672-1098(2015)03-0077-06