穿层水力冲孔布置方式对煤层卸压效果影响研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：作者简介：栗海滔（），男，河南辉县人，工程师，硕士，年毕业于太原理工大学，从事煤矿“一通三防”及瓦斯治理工作，现任晋能控股装备制造集团长平公司通风副总工程师。引用格式：栗海滔 穿层水力冲孔布置方式对煤层卸压效果影响研究 能源与环保，（）：，（）：，穿层水力冲孔布置方式对煤层卸压效果影响研究栗海滔（山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 ）摘要：穿层钻孔水力冲孔技术因其优异的卸压增透效果，广泛应用于松软煤层的瓦斯强化抽采。依据长平煤矿 号煤层现场实测数据，使用 软件建立了 号煤层数值模拟初始模型，设置孔径 ，冲孔角度分别为 、的 个穿层水力冲孔钻孔，分析了不同冲孔水压下 种不同多孔布孔方式下的卸压效果。模拟结果表明，在冲孔压力 下的 布孔方式卸压效果优、工程量适中且未在冲孔区域留置卸压空白区域，可以在保证煤层卸压增透效果的前提下控制冲孔成本，为最佳选择。关键词：穿层钻孔；水力冲孔；卸压增透；多孔布置中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；对于低透气性煤层的高瓦斯矿井和突出矿井来说，单纯进行瓦斯预抽面临着钻孔瓦斯流量小、瓦斯浓度较低、抽采达标时间长等问题 。水力冲孔技术因其具有布置简单、无尘、安全性更高的特性，现已广泛应用于各煤矿的瓦斯强化抽采 。水力冲孔技术是通过对已成型的瓦斯抽采钻孔运用高压水冲刷其孔壁，使钻孔周围煤体破碎后与其赋存的瓦斯一起随水流从钻孔冲出并形成孔洞空间和大量裂隙，增加了瓦斯运移的通道，提高了煤层的透气性，缩短了瓦斯预抽达标时间，成为应用较为广泛的煤层瓦斯增透技术。穿层瓦斯预抽钻孔有易排渣、易封孔、易抽采、安全性高等优势。同时采取水力冲孔技术可以解决矿井实际生产中所面临的区域性瓦斯治理难题 ，多孔布置也会较为明显地提升煤层卸压效果 。与传统的水力冲孔相比，穿层水力冲孔多孔布置在有效卸压增透的基础上，更易消除卸压空白带，具有良好的工程应用以及推广价值。但由于对穿层水力冲孔多孔布置方式对煤层的卸压效应研究不深，造成了卸压效果较难提升、工程时间成本较难控制等问题。年第 期能源与环保第 卷本文以长平煤矿 号煤层岩石力学参数、瓦斯参数测试结果为基础建立 号煤层初始模型，运用 数值模拟方法，研究确定了 种穿层水力冲孔多孔布置下的合理冲孔水压，对比了 种多孔布置方式下的煤层卸压范围，确定了卸压效果好、成本低、工程量小的穿层水力冲孔多孔布置方式。矿井概况长平煤矿井田共含 层全区可采或局部可采煤层，自上而下为山西组的 号、号煤层和太原组的号、号煤层。其中，号煤层厚度 ，平均厚 。该煤层含泥岩、炭质泥岩夹矸 层，结构简单较简单。煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩，次为粉砂岩，局部为中、细粒砂岩或粉砂岩。底板为黑色泥岩、砂质泥岩、深灰色粉砂岩。该煤层瓦斯基础参数显示，实测煤层瓦斯相对压力 ，原始瓦斯含量 ，透气性系数 （），坚固性系数为 。长平煤矿瓦斯赋存受地质条件影响较大，其中四、五盘区向斜轴部及其附近区域，瓦斯含量增高，最大达到 。采用后退式采煤法，放顶煤回采，全部垮落法控制顶板。长平煤矿水力冲孔系统由履带式清水泵站、高压软管、合金钻头、型大功率定向钻机、防喷装置和沉淀池等部分组成。穿层钻孔施工时，采用轨迹测量装置防止钻孔串孔事故发生。冲孔过程额定流量 保证排渣顺畅，缓解憋孔现象。长平煤矿 号煤层 工作面煤及其邻近岩层地质和物理力学参数见表 。表 号煤层及其顶底板岩层的主要岩石力学参数 岩性厚度 抗压强度 抗拉强度 内摩擦角（）弹性模量 黏聚力系数泊松比细砂岩、砂质泥岩 粉砂岩 泥岩 号煤 粉砂岩、砂质泥岩 细砂岩 号煤层数值模拟初始模型建立针对水力冲孔破煤涉及的复杂流固耦合的非线性问题，使用 软件进行数值模拟，确定水力冲孔措施的冲孔水压、钻孔角度、冲孔孔洞直径等参数。根据表 中的 号煤层及其顶底板的主要岩石力学参数，确定 号煤层及其顶底板岩层初始模型，如图 所示。模型尺寸为 ，巷道尺寸为 。模型底部施加竖直方向的位移和转角约束，模型水平方向施加水平方向的位移和转角约束。在模型顶部施加 垂直荷载，在模型四周施加 水平荷载。计算模型采用摩尔库仑本构模型，本组算例的模型参数设置：个穿层钻孔冲孔角度分别为 、，并依次编号为 号，冲孔孔洞直径 。分别模拟冲孔压力、条件下，种不同穿层水力冲孔多孔布置方式的煤层卸压范围，研究最符合工程实际及应用效益的穿层水力冲孔钻孔布置方式。图 号煤层及其顶底板岩层初始模型 不同布孔方式下卸压效果分析 五孔卸压效应分析分别考察了 个穿层钻孔布置方法下，孔径 在 、冲孔水压下的卸压范围发展情况，如图 所示。对比图 可知，随着冲孔压力的增加，卸压范围逐渐发展，但发展趋势逐渐减缓。冲孔压力达到 后，该布孔方式的卸压区域将冲孔范围贯穿覆盖，保证了瓦斯抽采的效果；冲孔压力设置为 年第 期栗海滔：穿层水力冲孔布置方式对煤层卸压效果影响研究第 卷时，该布孔方式下冲孔区域存在煤层卸压“空白区”，卸压区域无法贯穿，该区域内煤层应力未被充分卸压，长时间瓦斯抽采后，瓦斯抽采效果将下降。对于 个穿层钻孔布置方式而言，冲孔水压即可使冲孔区域卸压范围贯通，虽降低了冲孔压力要求，但使工程量大量增加。实际现场施工过程中，个穿层钻孔不能同时实施水力冲孔措施，冲孔选择需进一步优化，选择更优的冲孔组合方式，在减少冲孔工作量的同时保证卸压范围，以达到最大最优的经济效益及抽采效果。图 个穿层钻孔不同冲孔压力下的卸压范围 钻孔卸压效应分析分别考察了 穿层钻孔布置方法下，孔径 在 、冲孔水压下的卸压范围发展情况，如图 所示。图 穿层钻孔不同冲孔压力下的卸压范围 由图 可知，冲孔压力的增加，使 钻孔冲孔方式的卸压范围逐渐发展的同时，发展趋势也逐渐变缓。在此冲孔钻孔布置方式下，种冲孔压力设置均无法使水力冲孔卸压区域贯穿，仅在 冲 年第 期能源与环保第 卷孔压力下，钻孔的卸压范围接近贯穿煤层，卸压“空白区”的存在使得瓦斯抽采不到位，瓦斯治理效果难以保证。水力冲孔现场应用时，需考虑漏水、变径、弯曲压折等局部阻力原因及冲孔设备限制，实际泵压设置远大于冲孔压力，单纯通过增大冲孔压力改善增透效果难度较大，故须探索更为合适的冲孔钻孔布置方式。钻孔卸压效果分析分别考察了 穿层钻孔布置方法下，孔径 在 、冲孔水压下的卸压范围发展情况，如图 所示。图 穿层钻孔不同冲孔压力下的卸压范围 由图 可知，随冲孔压力增加，钻孔布置卸压效果有所提升，当增加至 后，个钻孔的卸压区域发生贯通，但从 增加值 ，卸压区域增加较小。三种布孔方式卸压效果综合分析为定量分析不同冲孔压力下 种不同钻孔布置方式的卸压效果，以煤层卸压范围评价卸压效果。种不同钻孔布置方式下的卸压范围如图 所示。图 不同钻孔布置方式下的卸压范围 由图 可知，随着冲孔压力的增大，种钻孔布置方式的卸压范围呈现较为类似趋势，逐渐发展的同时发展也逐渐变缓。五孔布置因冲孔工程量最大卸压范围贯穿冲孔位置，卸压效果最好，卸压面积大于其他 种冲孔钻孔布置方式，冲孔压力每提升 卸压面积分别增加 、；由于冲孔钻孔数量较少且冲孔位置存在较大卸压空白区域，穿层钻孔布置方式卸压面积较小，冲孔压力每提升 卸压面积分别增加 、；穿层钻孔布置方式于冲孔压力 时卸压范围贯穿冲孔位置，卸压效果接近五孔布置效果，且远大于 孔布置，冲孔压力每提升 卸压面积分别增加 、。依据分析可知，冲孔水压从 提高至 ，卸压曲线已经趋于稳定，曲线的斜率没有随冲孔水压的增大出现剧烈变化，此时单一增加冲孔水压已很难大幅提升卸压效果。种布孔方式卸压区面积增加均不明显，故最终建议设置 为合理的冲孔水压。为考察冲孔后卸压情况，对冲孔压力 下 布孔方式下的 个钻孔进行应力分析。提取 年第 期栗海滔：穿层水力冲孔布置方式对煤层卸压效果影响研究第 卷冲孔卸压后模型沿冲孔轴向不同距离的单元信息与冲孔前相同位置作对比，以冲孔顶部为零点沿轴向每隔 记录一次，得到冲孔前后竖直和水平应力卸压曲线，如图 所示。图 卸压前后冲孔前方应力分布 从图 可以看出，在卸压前后，冲孔后前方的应力高峰区向前推移距离基本为 左右。冲孔垂直应力峰值由 降低到 ，垂直卸压率 ；水平应力峰值由 降低到 ，水平卸压率 。冲孔垂直应力峰值由 降低到 ，垂直卸压率 ；水平应力峰值由 降低到 ，水平卸压率 。冲孔垂直应力峰值由 降低到 ，垂直卸压率 ；水平应力峰值 降低到 ，水平卸压率 。以“最后卸压优先”原则 ，应考虑将水平应力作为卸压判定标准主应力。由分析可知，应用水力冲孔技术后，钻孔的水平卸压率处于 左右，卸压效果明显，可以支持长期的高纯量、高浓度的瓦斯抽采。结合工程实际及模拟分析，在冲孔压力 下的 布孔方式卸压效果优、工程量适中且未在冲孔区域留置卸压空白区域，可以在保证煤层卸压增透效果的前提下控制冲孔成本，为最佳选择。结论（）以长平煤矿为例，对比了 种多孔布置方式下的煤层卸压范围。五孔布置卸压面积大于其他 种冲孔钻孔布置方式，穿层钻孔布置方式卸压面积较小，穿层钻孔布置方式接近五孔布置效果。（）为考察冲孔后卸压情况，对冲孔压力 时 布孔方式下的 个钻孔进行应力分析，钻孔水平卸压率约 ，卸压效果明显。（）结合工程实际及模拟分析，在冲孔压力 下的 布孔方式卸压效果优、工程量适中且未在冲孔区域留置卸压空白区域，既保证煤层卸压增透效果又控制了冲孔成本，为最佳选择。参考文献（）：苏现波，宋金星，郭红玉，等 煤矿瓦斯抽采增产机制及关键技术 煤炭科学技术，（）：，（）：程远平，付建华，俞启香 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 采矿与安全工程学报，（）：，（）：崔鹏飞，陈向军，李新建，等 成庄矿 工作面瓦斯治理技术研究 煤炭技术，（）：，（）：陈向军，杜云飞，李立杨 煤体水力化措施综合消突作用研究 煤炭科学技术，（）：，（）：何俊，郝云飞 时空效应下水力冲孔有效影响半径研究 煤炭技术，（）：，（）：刘晓，荆天祥，宣德全，等 水力冲孔孔洞形态特征及瓦斯抽采参数优化 煤矿安全，（）：，（）：（下转第 页）年第 期吴祖成，等：滑坡稳定性评价及其防治技术研究第 卷 ，（）：徐小乐，马乐民，赵晨凯，等 青海省某滑坡稳定性研究及防治建议 施工技术，（）：，（）：张一豪，许珂，郑思苗，等 不同坡面形态滑坡的稳定性分析 能源与环保，（）：，（）：李琦，李瑞 土岩滑坡变形成因及地质灾害预测方法研究 能源与环保，（）：，（）：刘磊，殷坤龙，徐勇，等 考虑降雨及库水位变动的区域滑坡灾害稳定性评价研究 岩石力学与工程学报，（）：，（）：丁爱红，韩辉，邵亚凯 滑坡地质灾害稳定性及治理方案研究 能源与环保，（）：，（）：刘筑萦 风化岩节理边坡顺层滑坡稳定性分析 能源与环保，（）：，（）：陈恕，上官子恒，宋少坡，等 引江济淮膨胀土边坡强度特性和稳定性研究 能源与环保，（）：，（）：何军，郭雄斌 岩土工程中基坑边坡滑坡风险预测及加固研究 能源与环保，（）：，（）：张晨阳，张明，张泰丽，等 侵入岩脉风化壳对中林村残积土滑坡渗流场和稳定性的影响 岩土力学，（）：，（）：，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）卢义玉，黄杉，葛兆龙，等 我国煤矿水射流卸压增透技术进展与战略思考 煤炭学报，（）：，（）：华帅，田坤云 基于动力学原理的水力冲孔合理布置间距的选取及其工程实践 矿冶，（）：，（）：牟全斌“三软”煤层穿层水力冲孔增透技术研究 矿业研究与开发，（）：，（）：张福旺，秦汝祥，杨应迪 密集水力冲孔增透抽采瓦斯试验研究 煤炭科学技术，（）：，（）：陶云奇，张超林，许江，等 水力冲孔卸压增透物理模拟试验及效果评价 重庆大学学报，（）：，（）：