基于应力监测的水力冲孔有效半径测定方法研究*

2021-08-25程子华

铜业工程 2021年3期

关键词：冲孔煤体水力

程子华

（1.河南神火煤电股份有限公司，河南永城 476600；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116）

1 引言

我国部分煤矿具有高瓦斯、低渗透性等特点，导致煤层瓦斯抽采效率低、抽采周期长等问题，严重影响煤矿的安全生产［1-3］。因此通过多种技术方法使得煤层增透，提高瓦斯抽采率，其中水力冲孔是有效的煤层增透技术措施。

水力冲孔是利用高压水射流将钻孔围岩破坏，围岩产生裂隙、缝隙提高煤层的渗透率，并且可使部分吸附瓦斯转变成游离瓦斯，游离瓦斯通过裂隙、裂缝排除。通过以上两方将提高煤层瓦斯抽采效率［4-7］。

而监测水力冲孔有效半径，能检验煤层增透效果。目前学者对有水力冲孔效半径进行了研究。杨帅［8］等建立基于Klinkenberg效应的瓦斯运移气固耦合模型，并利用该模型进行模拟不同出煤量条件下水力冲孔的有效半径；华明国［5］等针对倾斜煤层水力冲孔有效半径进行研究，模拟发现沿煤层倾向方向水力冲孔有效影响半径存在差异，由于煤层倾角较大冲孔影响范围呈椭圆形分布，对沿煤层倾向位于冲孔上部的煤层影响效果比位于冲孔下部大；郝从猛［9］等利用 COMSOL Multiphysics模拟造穴后瓦斯抽采有效半径，计算合适的布孔间距，并在现场实践验证了合理性；陶云奇［10］等通过水力冲孔物理模拟系统研究水力冲孔卸压增透机理以及瓦斯运移规律；夏善奎［11］等对视电阻率法进行反演水力冲孔有效半径的原理进行解释，并在现场验证了该方法的有效性；王峰［12］等采用煤层瓦斯含量法进行现场实验研究水力冲孔有效半径与冲煤量、抽采期的关系，并根据研究总结出中马村矿最佳水力冲煤量和抽采期。

有效半径的研究多为模拟及现场实验，并且现场实验中测量水力冲孔有效半径一般采用煤层瓦斯压力法和煤层瓦斯含量法［13-14］，鲜有采用监测应力变化进行测量有效半径。薛湖煤矿煤层瓦斯含量高、透气性低，采用顺层水力造穴技术进行消突，并采用自主研制应力监测系统对水力造穴周围煤体应力变化进行监测，以此测量造穴有效半径。研究结果对确定水力冲孔有效半径具有一定指导意义，对于其它类似工作面或矿井的瓦斯治理及突出防治也具有参考价值。

2 工作面概况

河南神火集团有限公司薛湖煤矿位于河南省永城市北部，井田地质储量2.021亿t，可采储量8674万t，设计生产能力120万t/年，服务年限51.6年。其主采煤层为二2煤层，该煤层经突出危险性鉴定为突出煤层。

25采区位于薛湖井田东部，走向长度约3070m，倾斜长度约950m，开采标高-760~-600m。25采区所在的二2煤层直接顶板为砂质泥岩或细粒砂岩，直接底板为细粒砂岩和砂质泥岩。采区内煤层厚度为2.4~3.3m，平均厚约2.5m。煤层倾角一般在5~11°，平均9°。煤层平均瓦斯压力为0.99MPa，平均瓦斯含量为8.11m3/t，煤层透气性系数为0.0861m2/（MPa2.d），百米钻孔瓦斯流量衰减系数为1.38d-1，煤层硬度较大，煤层坚固性系数为0.22~0.4059。

项目试验研究地点为25采区25040工作面机巷K2区域，25040工作面位置如图1所示。

图1 25040工作面位置示意图

3 应力监测系统简介及现场测点布置

3.1 应力监测系统

应力监测系统包括应力传感器（含应力感应器、高压油管、三通阀和监测仪）、安装杆、手动注油泵和手持数据采集仪等部件，如图2所示。

图2 应力监测系统示意图

应力传感器（图2中1所示）为应力监测装置的主要部件，通过应力感应弹片（图2中6所示）将煤岩所受应力转换为油压，弹片可以外探或内收；手动注油泵（图2中9所示）将油液经过三通阀（图2中3所示）、高压油管（图2中2所示）给应力感应器施加油压；监测仪（图2中5所示）采集、显示并记录油压值。各部件的实物如图3所示。

图3 应力监测装置实物图

3.2 现场测点布置

水力冲孔施工前，进行应力计的安装工作。在25040机巷中布置一组应力监测孔，用于监测水力冲孔周围煤体的应力变化。水力冲孔与监测孔的位置关系如图4所示，图中A孔为水力冲孔，1、2、3、4号孔为应力监测孔。水力冲孔和应力监测孔的参数如表1所示。

图4 测点布置图

表1 水力冲孔和应力监测孔钻孔参数

4 数据分析

4.1 应力监测数据

应力监测系统安装完成后，各孔初始应力数值见表2。

表2 应力监测系统初始应力数值

由于2#孔仪器出现漏油，导致2#孔无数据。由表2可知，有效孔的平均初始应力值为19.23MPa，其中1#钻孔初始应力值最大，为20.28MPa，应力值最小为3#钻孔的18.33MPa。由于测点距工作面较远，且测点附近未受到其他作业活动的影响，因此所测得的应力值接近原岩应力值。由测得数据可知25040机巷煤层原岩应力值较大，应力值约为19MPa。结合25040工作面开采深度以及现场钻孔施工过程中出现吸钻、卡钻现象，表明应力监测系统测量的准确性，可准确反映出钻孔周围应力变化特征。

4.2 水力冲孔周围煤层应力演化规律

（1）水力冲孔过程应力演化。水力冲孔期间，三个有效监测点中仅有离冲孔最近的1#应力监测系统数值发生较大变化，距冲孔较远距离的应力监测系统数值无明显变化。水力冲孔过程中，1#应力监测系统的数据变化如图5所示。

图5 水力冲孔期间1#传感器应力变化值

在水力冲孔期间，距离孔穴较近的1#监测孔应力数值先保持稳定后小幅上升最后下降，但变化幅度不大。此时处在水力冲孔前期，高压水尚未充分进入钻孔周围煤体，导致煤体破坏范围未达到1#孔附近，并且煤体遭到破坏后原岩应力场调整需要时间，故监测应力数值保持稳定；随着水力冲孔作用的进行，钻孔周围煤体受高压水射流的影响产生破裂，并在钻孔周围缓慢形成卸压区、应力集中区和原始应力区，并且三区的位置随冲孔作用的进行不断向外迁移。在此过程中1#测点在一定时间内将处于应力集中区内，因此1#测点的应力会出现短暂而轻微的上升；随着水力冲孔作业的进行，高压水射流将钻孔周围煤体破坏，产生裂隙、裂缝，改变煤体的结构，使原岩应力场发生改变，并且引起应力集中区迁移，此过程中1#测点所在位置由应力集中区过度至应力卸压区，故1#测点应力值不断下降。

（2）水力冲孔后煤层应力变化规律。水力冲孔完成后，1#、3#和4#应力监测系统的应力变化如图6所示。当水力冲孔施工完成后，水力冲孔导致钻孔周围煤层应力场重新分布，由近及远形成应力三区，而1#孔距水力冲孔较近处于卸压区内，故应力值急剧下降，第9天后，1#测点围岩应力调整完成，此后应力值保持平稳。

图6 水力冲孔后应力监测数据变化

当水力冲孔完成后第7天时，3#测孔开始出现应力升高现象，当应力峰值升高至22.5MPa后，应力值开始出现跌落，这一现象是由于水力冲孔导致的煤体应力场变化，应力三区向外迁移的结果。

4#监测孔在第15天出现应力攀升，表明此时的应力集中区迁移至4#监测孔位置。

表3 水力冲孔前后监测孔应力值

水力冲孔完成后，随时间推移应力场逐渐稳定，1#测点稳定应力值为6.08MPa，3#测点稳定应力值为13.18MPa，4#测点应力值持续上升，并最终稳定在26.31MPa左右。1#、3#孔应力值相比于水力冲孔前的三个监测点所测得煤层原始应力值出现下降，应力值分别跌落70%和28%，而4#孔应力值相比于水力冲孔前应力值升高38.4%。根据应力监测结果，水力冲孔施工后，钻孔周围煤体应力三区呈现逐渐向深部转移的趋势。通过对煤体应力监测数据分析，水力冲孔有效半径约为2.4m。

4.3 单孔线造穴瓦斯含量考察

在25040机巷单孔线造穴试验完成后，为验证采用应力监测法推算出的有效半径的可靠性，在该区域进行残余瓦斯含量和瓦斯压力测定，取样钻孔位置如图7所示，在3个测点考察煤层原始瓦斯含量和瓦斯压力，所测数据如表4所示。

图7 取样钻孔布置图

表4 水力冲孔A孔造穴前后瓦斯含量和瓦斯压力对比

图8 水力冲孔前后瓦斯参数对比

由上可知25040工作面机巷线煤层原始瓦斯含量为7.6m3/t，计算煤层瓦斯压力为0.49MPa。在进行水力冲孔并瓦斯抽采30 d后，对煤层残余瓦斯含量和瓦斯压力进行测定。距A孔1.2m处的测量点a的残余瓦斯含量为3.1m3/t，计算瓦斯压力为0.16MPa，此时相比于水力冲孔前瓦斯含量降低59%，瓦斯压力下降了67%。距A孔2m处的测量点b的残余瓦斯含量为5.4m3/t，计算瓦斯压力为0.31MPa，相比于水力冲孔前瓦斯含量下降和瓦斯压力值分别下降29%、37%。而距离A孔2.8m处的取样钻孔c的残余瓦斯含量和瓦斯压力相比于水力冲孔前无变化。

水力冲孔钻孔抽采30 d后a、b两考察孔的瓦斯含量和瓦斯压力出现明显下降。而距离A孔2.8m处的测量点c的残余瓦斯含量和瓦斯压力没有明显下降。经残余瓦斯含量法及瓦斯压力法测定，25040机巷水力冲孔的卸压增透有效半径约为2.4m。此数值与采用应力监测法测得有效半径相同，故应力监测法测得有效半径值准确。