松软低渗突出煤层水力冲孔卸压增透研究

张 帅

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

近几十年来，煤炭资源高强度持续开发，浅部资源日益枯竭，逐步转向深部资源开采，开采深度的增加，地应力、地温、煤层瓦斯压力不断增大，煤与瓦斯突出风险不断增强，特别是松软低渗突出煤层，相应的瓦斯治理难度不断增大，制约煤矿安全高效绿色生产[1-7]。水力冲孔卸压增透技术可控性好、强度适中，随着大流量钻冲一体化装置不断成熟完善，对于松软低渗突出煤层，15～30 MPa 水射流足以满足造穴孔径要求，因此，对于松软低渗突出煤层，水力冲孔是一项良好的卸压增透瓦斯治理方法。

国内外学者对水力冲孔卸压增透技术进行了研究。CUI 等[8]考虑围岩应变软化对水力冲孔围岩应力变化的影响，研究了应变软化对不同半径钻孔围岩应力和塑性区的影响规律；LIU 等[9]通过引入贝里马克-Roos 方程和PKN 模型,建立了孔洞形状的BR-PKN 方程，并通过MATLAB 显示了孔洞形态；刘厅等[10]通过构建卸压煤层多场耦合模型建立了冲孔最优出煤量的判定指标体系，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术；牟全斌[11]针对三软煤层，对冲孔设备优选、施工流程、排渣技术、煤水分离技术、护孔及封孔技术等关键环节进行了分析；许彦鹏等[12]研发出钻、冲、护一体化装置，实现了瓦斯抽采顺层钻孔钻进、水力冲孔造穴和不提钻随钻下筛管的一体化施工；任培良等[13]认为冲煤率越高，钻孔间煤体的卸压程度越大，煤体的渗透率越大，抽采后煤层瓦斯含量的降低幅度越大，对冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采效果的影响规律进行了研究。

水力冲孔破碎煤岩卸压增透机制十分复杂，基于前人基础理论和现场试验应用研究，考虑钻孔群一定冲煤量（孔洞半经）条件下，开展了合理钻孔布置间距研究，优化确定合理的钻孔布置参数，对防止间距过小窜孔影响抽采效果、工程量过大大的问题，钻孔间距过大卸压不充分，抽采效果不均匀的问题具有重要意义。

1 工程背景

贵州能发高山矿业有限公司黔西市协和镇高山煤矿（以下简称“高山煤矿”）为生产矿井，位于贵州省毕节市黔西市境内，设计生产能力60 万t/a，服务年限为37.0 a，矿井首采9 号煤层，9 号煤层起伏变化较大，为典型的松软低渗突出煤层，瓦斯含量在13～16 m3/t，瓦斯压力达到1.34 MPa，煤层坚固性系数约0.22 左右，普通钻孔瓦斯治理时间周期长，严重影响正常采掘接替，为高效治理煤巷条带区域瓦斯，拟采用水力冲孔的卸压增透措施。

2 水力冲孔卸压增透机理

煤层段实施水力冲孔过程中，钻孔周围含瓦斯煤体受扰动影响，会经历应力加载、超过屈服极限破坏，破坏煤体失去抵抗能力后随水流沿钻孔排出，在煤层中形成孔洞的过程。穿层钻孔水力冲孔孔洞形态示意图如图1[14]，掏穴扩孔前后钻孔周围煤体应力分布示意图如图2。

图1 穿层钻孔水力冲孔孔洞形态示意图Fig.1 Schematic diagram of hole morphology of hydraulic punching through layer drilling

图2 掏穴扩孔前后钻孔周围煤体应力分布示意图Fig.2 Diagram of coal stress distribution around borehole before and after hole cutting and reaming

水力冲孔结束后，在孔洞周围由近及远依次会形成破碎区域、塑性区和弹性区域。破碎区域为因水射流冲击发生破坏失去抵抗能力未排出钻孔的煤体；塑性区域为因水射流影响应力超过屈服极限后仍具有一定支撑能力的煤体；弹性区域是指具体孔洞较远应力发生变化，但未达到屈服极限或应力未发生变化区域的煤体。

水力冲孔形成的孔洞为周围煤体卸压变形提供空间，煤体卸压变形的同时，煤体结构、孔裂隙张开度发生改变，从而促进孔洞周围煤体瓦斯运移导流通道的数量和畅通性增大，渗透率提高。孔洞周围煤体暴露面积增大，导流通道与负压管路连通数量大幅增加，为周围煤体内部卸压瓦斯解吸和流动创造良好改性条件。

3 水力冲孔煤体卸压量化表征分析

3.1 水力冲孔半径理论计算

经现场巷道掘进现场实践观察，水力冲孔的形态呈现中间大、两端小的腔体。为便于数值计算，简化腔体形态为规则的圆柱体，根据水力冲孔煤屑反渣量等效计算水力冲孔孔洞半径，公式如下：

式中：r为孔洞半径；m为水力冲孔钻孔反渣煤屑质量，取20 t；h为钻孔穿煤长度，取4.4 m；ρ为高山煤矿9 号煤层反渣煤屑密度，取1.44 t/m3。

经计算，水力冲孔孔洞半径在1 m 左右，为数值模拟孔洞半径的确定提供了理论依据。

3.2 水力冲孔卸压特征量化分析

以高山煤矿1908 底抽巷穿层钻孔水力冲孔为工程研究背景，采用FLAC3D有限元数值模拟软件，构建不同间距的水力冲孔数值计算模型，对水力冲孔孔洞周围煤体塑性破坏特征、三向应力分布特征进行展现。依据矿井地质条件，分别建立钻孔间距为8、7、6、5 m 的力学研究模型，形成的模型的尺寸（长×宽×高）分别为：16 m×8 m×19 m 、14 m×7 m×19 m、12 m×6 m×19 m、10 m×5 m×19 m，顶部因上覆岩层重力采用均布载荷边界条件，在底部以及四周采用固定约束边界条件，施加的x、y、z方向初始应力分别为9、9、11 MPa。采用Mohr-Coulumb 准则力学模型进行求解，1908 工作面顶底板岩层物理力学参数见表1。

表1 1908 工作面顶底板岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata at the top and bottom of 1908 working face

3.2.1 不同钻孔间距条件下塑性破坏特征演化

水力冲孔力学模型构建完成后进行初始应力场平衡计算，最大不平衡力小于1×10-5视为平衡状态，其后根据钻孔设计间距进行钻孔开挖，后续按照实际计算冲孔半径1 m 进行孔洞开挖，重新平衡后为展示塑性破坏特征，在z方向上，以z=9.5 m 进行切片处理。水力冲孔周围煤体塑性破坏区域量化表征如图3。

图3 水力冲孔周围煤体塑性破坏区域量化表征Fig.3 Plastic failure zone characterization of coal around hydraulic punching

由图3 可以看出，水力冲孔以后孔壁周围煤体发生拉伸剪切破坏，即与理论分析的破碎区域相符，向外延伸煤体发生剪切破坏，即理论分析的塑性破坏区域，该区域超过屈服极限发生破坏，仍具有一定承载能力，继续向外延伸，煤体发生弹性变形，未发生破坏，即弹性变形区域。水力冲孔以后拉伸剪切破坏区域范围约为孔洞周围在1.2～1.5 m 的范围。随着钻孔间距的不断减小，钻孔间周围煤体塑性破坏区域不断接近，直至塑性破坏区域相互贯通。

当钻孔间距为8 m 时，塑性破坏区域向外延伸1.2 m 后基本稳定，当钻孔间距为7 m 时，塑性破坏区域向外延伸1.3 m 后基本稳定，塑性破坏范围变化不大，当钻孔间距为6 m 时，塑性破坏区域范围增大至约1.5 不再向外侧延伸。当钻孔间距减小时，塑性破坏区域范围略微增大，主要是受钻孔间距减小煤体应力叠加， 承受载荷达到极限强度而发生破坏的影响；当钻孔间距5 m 时，塑性破坏区域贯通，中间煤体失去部分承载能力，煤层顶板发生整体变形，顶板压力主要由钻孔群外实体煤来承担，钻孔间煤体发生塑性破坏，煤体间煤体裂隙充分发育，易引起钻孔间窜孔影响瓦斯抽采效果，因此水力冲孔孔洞半径1 m 的条件下， 钻孔间距6 m 时钻孔设计比较合理，孔洞周围煤体塑性破坏区域较大，煤体得到充分卸压又未相互贯通引起窜孔的问题。

3.2.2 不同钻孔间距条件下的应力分布特征演化

为定量分析孔洞周围煤体三向应力分布特征， 数值模拟计算完成以后， 以两孔洞中心连线为煤体三向应力观测线，提取煤体单元三向应力数据。水力冲孔周围煤体三向应力特征曲线如图4。

图4 水力冲孔周围煤体三向应力特征曲线Fig.4 Three-dimensional stress-strain curves of coal body around hydraulic punching

由图4 可知：x方向水平应力不产生应力集中，距离孔洞距离越近，卸压程度越高；y方向水平应力在孔洞周围1.5 m 范围内出现明显的卸压，1.5 m 范围以外区域y方向水平应力变化不大；垂直应力在1.5 m 范围内卸压区域，1.5 m 范围以外压力增高，出现应力集中现象。

间距为8、7、6 m 时，水力冲孔孔洞周围各自形成各自的垂直应力集中区域，应力曲线为双峰曲线。随着钻孔间距的减小，应力曲线由“双峰曲线”逐渐演化为“单峰曲线”，峰值应力增加。当钻孔间距缩小至5 m 时，两孔洞的应力集中区域出现叠加，变为单峰曲线，峰值应力达到16.2 MPa，钻孔周围煤体趋于一种不稳定状态，孔洞失稳垮塌概率增大，离层裂隙导通容易引起窜孔，从而影响瓦斯治理效果。

3.3 水力冲孔增透量化特征分析

基于多孔介质有效应力原理，大量学者对煤层进行三维条件下应力、孔隙压力与煤层渗透率试验研究，得到三维情况下的体积应力、孔隙压力与渗透率的关系式[15]：

式中：K为水力冲孔后煤体渗透率，10-15m2；K0为初始渗透值，10-15m2； Θ为煤体体积应力；p为瓦斯压力，MPa；b为体积应力系数，取0.155 3；c为孔隙压力系数，取0.198 7[16]；σ1、σ2、σ3为煤体x、y、z方向的三向垂直应力，MPa。

根据范超军等[17]对煤体初始渗透率与埋深之间的关系研究，得出埋深与初始渗透率之间的关系如下：

式中：H为煤层埋深，取600 m。

将图4 中煤体三向应力代入到式（3）中，可以得到水力冲孔后，钻孔间距为8、7、6、5 m 4 种情况下孔洞周围煤体的渗透率变化曲线，水力冲孔周围煤体渗透率表征曲线如图5。

图5 水力冲孔周围煤体渗透率表征曲线Fig.5 Permeability characterization curves of coal body around hydraulic punching

由图5 可知：沿孔洞径向1 m 范围内渗透率在0.07～0.07×10-15m2范 围 内，与 原 始 渗 透率0.014×10-15m2相 比，水 力 冲 孔 后 煤 体 提 高了5～50 倍，其余煤体渗透率变化不大。

4 现场应用效果

为考察水力冲孔卸压增透强化抽采效果，以1908 运输巷条带区域为试验区域，第2 评价单元（180 m 范围）采用常规普通钻孔，第3 评价单（180 m 范围）采用水力冲孔卸压增透措施同时施工，1908 运输巷条带区域钻孔布置如图6。钻孔间距约6 m 左右，控制巷道两帮15 m 的范围。第3 评价单元钻孔施工完成以后，采用水力冲孔设备进行水力冲孔，冲孔压力15～30 MPa，冲孔孔洞半径根据反渣情况控制在1 m 左右。

图6 1908 运输巷条带区域钻孔布置
Fig.6 Drilling arrangement in 1908 transportation lane strip area

第2 评价单元、第3 评价单元均设计钻孔217 个，钻孔施工完成后进行封孔连抽，分别于2023 年1 月8 日、 2023 年1 月10 日施工完成。1908 运输巷条带区域第2 评价单元实际施工钻孔233 个，第3 评价单元实际施工钻孔235 个，分别安装自动计量装置对2 个评价单元瓦斯抽采流量和瓦斯浓度进行监测和现场测定，1908 运输巷条带区域水力冲孔强化抽采效果考察结果如图7。

图7 1908 运输巷条带区域水力冲孔强化抽采效果考察结果Fig.7 Investigation results of enhanced pumping effect of hydraulic punching in the belt area of 1908 transportation lane

由图7 可以看出，第3 评价单元瓦斯抽采纯量在6.20～9.8 m3/min，瓦斯抽采体积分数在34%～57%，与相当条件下第2 评价单元传统普通钻孔相比，普通钻孔瓦斯体积分数、纯量衰减较快，水力冲孔钻孔瓦斯体积分数、纯量比较稳定，平均单孔纯量提高了2～6 倍。

5 结 语

1）松软低渗突出煤层水力冲孔为周围煤体提供卸压空间，煤体原始应力状态重新分布，孔裂隙张开度、导通性大大增加，进而促进周围煤体渗透率的提高。

2）对不同钻孔间距条件下孔洞周围煤体的塑性破坏特征进行了分析。孔洞周围塑性破坏区域向外延伸1.2～1.5 m；随钻孔间距的减小，塑性破坏区域范围变化不大；当钻孔间距5 m 时，孔洞间塑性破坏区域贯通，煤体间煤体裂隙充分发育，易引起钻孔间窜孔影响瓦斯抽采效果。

3）水力冲孔后孔洞间煤体x方向应力明显降低，距离孔洞越近，降低幅度越大；y方向应力影响范围与塑性破坏区域范围相当；垂直应力峰值应力出现了明显的升高，随着钻孔间距的减小，垂直应力曲线由双峰曲线演化为单峰曲线。

4）确定了合理的钻孔间距为6 m。现场实践表明：水力冲孔后，单孔瓦斯抽采流量和体积分数明显提高，支管瓦斯抽采纯量在6.20～9.8 m3/min，瓦斯体积分数在34%～57%，卸压增透效果良好。