基于钻孔应力分析的水力割缝增透技术研究

吴小娃

（山西大平煤业有限公司，山西 长治 046200）

0 引言

在我国煤炭开采过程中，煤与瓦斯突出问题依然严峻[1]。目前，应用广泛的区域性防突措施有保护层开采和煤层瓦斯预抽采[2]。随着开采深度的增加和煤层赋存条件的限制，越来越多的煤层不具备保护层开采条件，区域性的防突措施更多地采用本煤层的瓦斯预抽采。我国阳泉矿区可采煤层多以煤质松软、透气性差、瓦斯含量高等为主要特征，常规的钻孔瓦斯抽采效率低下、抽采效果差。密集瓦斯抽放钻孔虽具有较好的抽采效果，但其施工工程量大、工期紧张、经济效益低，且易出现串孔、卡钻，甚至引起突出。

水力割缝作为一种煤层增透措施，其以高压水为动力，对钻孔周围煤体进行切割、剥离，在钻孔煤体中形成自由空间，煤体在地应力及孔边集中应力作用下向自由空间移动过程中产生大量裂隙，为瓦斯流动提供新通道，大幅提高煤层瓦斯抽采效率。

本文通过弹塑性力学知识，分析瓦斯抽放钻孔周围煤体应力分布情况，揭示影响瓦斯抽放效果的关键因素，提出水力割缝技术设计原则，并在阳泉某矿进行现场试验。

1 瓦斯抽放钻孔“瓶塞”效应分析

假设瓦斯抽放钻孔周围的煤体为均质体、具有各向同性，钻孔形成后，引起孔边煤体应力的重新分布，如图1所示。钻孔周围煤体随着应力的增大，其中的原生裂隙发生不同程度的闭合，阻断了钻孔周围煤体瓦斯向自由空间渗透的通道，直接影响了煤体瓦斯预抽效果，大大降低了瓦斯抽放量，形成了瓦斯抽放钻孔的“瓶塞”效应。特别是当地应力较大时，孔边应力集中程度更大，煤体中的原生裂隙完全闭合，瓦斯抽放钻孔的“瓶塞”效应更加显著。

图1 瓦斯抽放钻孔受力示意图

以往多采取增大钻孔直径，提高钻孔中瓦斯排出面积的方法来提高单孔抽采效率，但钻孔直径的增大会引起应力集中区域面积更大，“瓶塞”效应进一步增大。因此，仅通过增大钻孔直径的方法来提高单孔瓦斯抽采效率是不可行的。“瓶塞”效应根源在于孔边应力集中造成煤体原生裂隙闭合、致密性增强，应采取有效措施为煤体提供变形空间，避免应力集中作用下煤体中裂隙发生闭合，从而打破瓦斯抽放钻孔的“瓶塞”效应[3]。

图2 钻孔“瓶塞”效应示意图

2 水力割缝增透机制

水力割缝措施是以高压力水流为动力，利用高压水的水楔和冲击作用，实现对煤体切削、冲刷、剥离，在预定位置形成具有一定深度和厚度的扁平缝槽[4]。采取水力割缝措施，在图2中的应力增高区域割出一定厚度的缝槽，部分煤体随高压水排出，缝槽形成后，破坏了钻孔周围煤体原有的应力状态，在应力重新分布过程中，缝槽周围的煤体会逐渐向缝槽空间运移并形成大量裂隙，从而打破了“瓶塞”效应，增大了煤层的透气性，为瓦斯流动提供了新的通道，大大提高煤体瓦斯的抽采效率。

3 工程应用

3.1 工作面概况

井下工程应用在阳泉某矿，该矿设计年生产能力120万t，目前主采3#煤层，埋深253～711m，煤层显微煤岩类型以微镜煤、微镜惰煤为主，有少量微半丝煤，所测3#煤层瓦斯含量在4.44～8.14m3/t之间，最大煤层原始瓦斯含量值为8.14m3/t，甲烷成分在69.09～98.28%之间。经鉴定该矿井瓦斯等级为“高瓦斯矿井”。

该矿一采区311306回采工作面，该工作面东西两侧分别为井田境界保护煤柱、大巷保护煤柱，北临311305回采工作面采空区。311306地面标高+900～+930m，工作面标高 +561～+578m，工作面埋深335～365m，工作面老顶岩层为细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩，厚度为10.3m；直接顶岩层为泥岩和砂质泥岩厚度为2.7m。

3.2 瓦斯抽放钻孔布置

工作面煤层的瓦斯采用钻孔抽放，分为两个阶段：未卸压抽放（预抽）和边采边抽。利用工作面进风与回风顺槽平行于煤层施工瓦斯抽放钻孔，在工作面回采前可以作为预抽钻孔对煤层瓦斯进行预抽，同时该预抽钻孔随着回采工作面的推进，对工作面前方煤体产生的卸压区作为边采边抽钻孔，对卸压煤层进行瓦斯抽放，从而提高瓦斯抽放量，减少煤层开采过程中的瓦斯涌出，钻孔布置如图3所示。

图3 311306工作面本煤层预抽钻孔布置图

根据该矿历史抽采经验，单孔有效抽采半径为2.5m，由于采用水力割缝，设计巷道两帮钻孔间距4m，孔深100m，为工作面长度的一半，钻孔直径为89mm，采用聚氨酯封孔。图3中红色钻孔为割缝钻孔，将该工作面地质钻孔提供的煤岩体力学参数代入割缝深度预测模型[5]进行计算，得出80MPa高压水的割缝深度为1.203m。水力割缝钻孔施工完毕后立即进行高压水切割，每5m切割一次，水压80MPa。

3.3 割缝后抽采效果分析

（1）割缝对钻孔周围煤体的扰动情况。水力割缝通过高压水将钻孔周围煤体剥离并排出，这相当于开采一层极薄煤层，为附近煤岩蠕变运移提供自由空间，使得煤体内部裂隙进一步发育、贯通从而提高煤层渗透率，提升煤体钻孔瓦斯抽采效果。如表 1 统计所示，3#、7#、11#、15#、21# 割缝钻孔出煤量共计12.0t，单孔出煤量平均为2.4t，最大出煤量大于3.0t，割缝后钻孔周围煤体在周围应力场、瓦斯流动场的作用下发生流变，扩大了煤体的破碎区、卸压影响区范围，促使煤体裂隙发育，大大提高了单孔的有效抽采半径。

表1 割缝施工现场记录表

（2）割缝对钻孔瓦斯抽采量的影响。水力割缝完成后随机选取5个割缝钻孔和5个正常抽采钻孔，对比单孔瓦斯抽采量的情况，统计结果见表2。

由抽采量统计可知，割缝钻孔的日瓦斯抽采量远大于未割缝的钻孔；10天内未割缝钻孔的平均日瓦斯抽采量为16.88L·min-1，割缝后的为45.42L·min-1，是未割缝钻孔的2.69倍。由以上10个测点瓦斯抽采量数据分析可知，水力割缝能够有效打破钻孔周围的“瓶塞”效益，使煤体产生流变作用，增大钻孔周围煤体的透气性，为煤体瓦斯流向钻孔自由空间提供新的通道，提高煤层瓦斯抽采效率。

绘制钻孔瓦斯累积抽采量，如图4所示，钻孔采用水力割缝增透后，煤体内部瓦斯运移通道明显增加、大大提高了煤体透气性，提高了瓦斯抽采量。

4 结论

1）钻孔周围煤体在应力集中作用下，原生裂隙发生闭合形成致密的煤岩体，阻断了钻孔周围煤体瓦斯向自由空间渗透的通道，形成了瓦斯抽放钻孔的“瓶塞”效应，严重影响煤体瓦斯的抽采效果。

2）水力割缝措施是以高压力水流为动力，实现对煤体切削、冲刷、剥离，在预定位置形成具有一定深度的扁平缝槽，破坏了钻孔周围煤体原有的应力状态，在应力重新分布过程中，缝槽周围的煤体会逐渐向缝槽空间运移并形成大量裂隙，从而打破了“瓶塞”效应，为瓦斯流动提供了新的通道，通过现场工程应用证明，水力割缝可以大大提高煤体瓦斯的抽采效率。