宋建民,邹永洺
(1.山西小回沟煤业有限公司，山西 清徐 030400；
2.中煤科工集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；
3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)
长期以来，煤炭都在我国的能源结构中占有重要地位[1]。煤炭需求的日益增长促使煤炭开采强度和开采深度不断加大。我国煤矿开采深度正以每年10～30 m的速度逐年增加[2-3]，煤层内赋存的瓦斯含量和压力也随着开采深度的增大而增加[4]。据统计，在我国的高瓦斯煤层中，95%以上属于低透气性煤层，普遍存在瓦斯抽采效率低、难度大、成本高等难题，现有的水力造穴、水力冲孔等增透技术能够从一定程度上缓解高瓦斯含量的问题，但这类增透方法需要使用大量的水，易污染巷道。因此，开展更环保的机械造穴增透技术研究，用以预抽煤层瓦斯意义重大[5]。小回沟煤矿开采的煤层属于高瓦斯低透气性煤层，为探究机械造穴增透技术的实际应用效果，本研究在该矿开展了现场试验。
煤层机械造穴增透技术是在井下低压水或低压风的驱动下，通过机械钻具对钻孔周围的煤层进行切割，采用专用设备对钻孔煤层段进行二次造穴扩孔，形成类圆柱形空腔解吸空间，使钻孔周围的煤产生卸压变形。该技术的实质是人为增加煤体的暴露面积，在煤层的钻孔中产生更大范围的卸压运动，创造新裂缝并扩大原有裂缝，充分形成气流通道，增加煤体的卸压范围，从而人为增加和改善钻孔周围煤层的透气性，降低煤层瓦斯压力，提高瓦斯抽采率。
机械造穴增透技术需要在煤层段假设煤层为均质，无蠕变行为，原始岩石应力分布在各个方向压力相等，钻孔段为规则圆[6-7]，钻孔施工后，钻孔周围煤层内部应力重新分布[8-10]，如图1所示。钻孔施工破坏了原钻孔周围煤岩体的应力平衡，重新分布了煤岩体的应力场[11]。根据松动圈理论，围岩在应力状态下破碎变形，形成了一条破碎的圆环带，称为松动圈，瓦斯可在已产生大量裂隙、充分卸压的煤岩体裂隙中流动[12]。煤体的切向和径向应力随着距钻孔中心距离的增加而增大，钻孔周围存在应力集中，降低了煤层的透气性，形成“瓶颈效应”阻碍瓦斯的渗流[13-14]。造穴增加了钻孔内煤体的暴露面积，增大了周围煤体的塑性区半径，增加了钻孔抽采半径，突破了钻孔周围的“瓶颈效应”，从而提高抽采效果[15-16]。
图1 煤体应力分布模型
在上述假设下，在塑性区内可得以下方程式，其中静力平衡条件如式(1)[17]：
(1)
式中：σrp为径向应力，MPa；
σtp为切向应力，MPa；
r指钻孔周围不同深度的煤体位置，m。
Mohr-coulomb屈服条件如式(2)[18]：
(2)
式中：c为岩体的内聚力，MPa；
φ为岩体的内摩擦角，(°)。
边界条件r=a时，则σrp=pi，解上述方程可得到式(3)、式(4)：
(3)
(4)
式中：pi为支护阻力，MPa；
a为巷道半径，m。
假定巷道所在的原始岩石应力场为静水应力场，侧压力系数λ=1。因此，在塑性区、弹性区边界符合应力分布规律σrp+σtp=2p，可得到式(5)：
(5)
式中：p为原岩应力，MPa；
R为塑性区半径，m。
假设破碎带岩体中的应力小于原始岩石中的应力，即σrp (6) 式中：Rs为破碎区半径，m。 小回沟煤矿工作面埋深约500 m，造穴前钻孔半径为0.056 5 m，上覆岩体平均容重γ取2.7×104 N/m3，内聚力c取1 260 Pa，内摩擦角φ取47°，支护阻力取0，煤的坚固性系数为0.36。代入公式计算得出钻孔塑性区半径为0.27 m。造穴后钻孔半径为0.3 m，代入公式计算得出钻孔塑性区半径为1.19 m。 瓦斯在钻孔周围的运动通常被认为是径向不稳定流动的扩散和渗透过程[17]。当抽采时间较长且气体趋于稳定流动时，钻孔抽采总流量Q与钻孔半径R1之间的关系可用式(7)描述： (7) 式中：h为煤层厚度，m； 当钻孔直径由113 mm扩大至600 mm时，理论上瓦斯总流量可以增大1.40倍，但随着钻孔周围的煤体卸压，煤层透气性系数增大，实际瓦斯流量增加幅度大于理论倍数。 为了探索机械造穴增透对煤体内瓦斯流动的影响，结合矿井实际情况，建立了长×宽×高为60 m×20 m×8 m的三维几何模型，模拟井下煤层进行机械造穴增透试验。在煤层模型的中心设置一个圆柱体，模拟煤层中的钻孔，圆柱体直径为113 mm，长度为50 m，机械造穴增透区域直径为600 mm，如图2所示。利用上述模型，模拟机械造穴增透后钻孔周围煤体瓦斯压力和渗透率的变化情况。 (a) 普通钻孔瓦斯抽采几何模型 2.2.1瓦斯压力对比分析 图3为普通钻孔和机械造穴钻孔周围的瓦斯压力变化图。由图可知，普通钻孔和机械造穴钻孔的瓦斯压力在0～30 d范围内下降最显著； 2.2.2渗透率变化分析 井下钻孔开展机械造穴增透后，会干扰周围煤层，导致煤层中出现裂缝，进而改变煤体周围的透气性。在初始渗透率不变的情况下，比较普通钻孔和造穴钻孔周围渗透率的变化。选择同一位置的三维剖面，读取剖面上的渗透率变化，结果如图4所示。由图可知，普通钻孔和机械造穴钻孔周围的渗透率变化趋势相同，可以大致分为L1和L2区域。L1区渗透性急剧下降，即渗透性在施工影响下发生变化的区域； (a) 普通钻孔周围瓦斯压力变化 (a) 普通钻孔渗透率变化图 钻孔机械造穴的设备主要为造穴钻具，由刀臂销轴、导水通道、造穴刀臂、喷水孔、钻头、金刚石复合片组成。造穴钻具直径94 mm，钻具通过尾部内螺口与75 mm钻杆相连，钻具含30 cm造穴刀臂，刀臂上设置2个出水孔，刀臂上镶嵌金刚石复合片。钻具头部设置3个出水孔，头部镶嵌金刚石复合片，如图5、图6所示，刀臂通过销轴与钻具相连接[19]。 1—刀臂销轴； 图6 造穴钻具实物图 根据现场实际条件，利用本煤层钻孔作为机械造穴增透试验钻孔，对钻孔的煤层段进行气液驱动机械造穴。造穴过程中，换上造穴钻具，利用钻机将钻具推送到造穴位置。高压水通过钻杆和钻具中的导气通道通入刀臂和钻具头部。在造穴开始期间，通过钻杆高速旋转的离心力及高压水的作用，将造穴刀臂打开，当水和破碎的煤屑从钻孔中返回时，将钻机给进速度调为中速，使钻杆在造穴范围内往复运动，完成造穴钻孔施工。造穴结束后，在造穴段全程下置产气筛管，孔口采用“两堵一注”囊袋式封孔器封孔。 为考察气液驱动机械造穴增透工艺在小回沟煤矿的适用性，并考察瓦斯抽采钻孔增透前后瓦斯抽采效果的变化。本次试验选择在小回沟煤矿2204运输巷，利用ZDY5400L钻机对试验钻孔进行气液驱动机械造穴增透技术试验，主要施工1组口细腔大的大直径洞穴式瓦斯抽采钻孔，施工完成封孔后，观测瓦斯抽采数据。在2204运输巷本煤层钻孔开展试验，选择1组钻孔开展造穴试验，中间钻孔为增透钻孔，两侧为观测钻孔，钻孔如图7布置。钻孔施工参数如表1所示。 图7 机械造穴钻孔布置图 表1 机械造穴钻孔施工基本参数表 使用YZC5型瓦斯抽采管路参数测定仪对造穴试验钻孔及观测钻孔的瓦斯抽采参数进行测定，将测定数据汇总，结果如图8所示。不同钻孔在造穴前后的平均抽采混合流量和平均纯瓦斯流量数据如表2所示。 (a) 混合流量 1)在造穴试验前，各钻孔的瓦斯抽采数据观测时间为4 d，造穴后各钻孔的瓦斯抽采数据观测时间为20 d，造穴前后各钻孔的平均瓦斯抽采体积分数相差不大，因此以瓦斯抽采混合流量和纯流量为指标作为此次试验考察的内容。 2)根据图8和表2可知，造穴增透试验完成后，32#造穴钻孔的瓦斯抽采混合流量和抽采纯流量会突然增大，瓦斯抽采的混合流量和纯流量随着抽采时间的增加逐渐降低到一定数值。32#钻孔在造穴后观测的20 d内，瓦斯抽采的平均混合流量为0.890 m3/min、平均瓦斯纯流量为0.314 m3/min； 表2 机械造穴试验钻孔瓦斯抽采数据对比表 3)距造穴钻孔4 m的31#和33#钻孔的混合流量和纯流量有一定幅度的增加。31#钻孔的平均混合流量是未采用造穴之前的6倍，抽采纯流量是未采用造穴之前的1.39倍。33#钻孔的平均混合流量是未采用造穴之前的8.45倍，平均抽采纯流量是未采用造穴之前的2.19倍。 4)距造穴钻孔8 m的33#和34#钻孔的瓦斯抽采混合流量和抽采纯流量没有明显的变化。结合各钻孔与造穴钻孔的布置位置来判断，造穴增透影响到31#和33#钻孔，造穴增透试验的作用范围半径为4 m，作用范围为8 m。 由此可见，随着造穴增透的开展，煤层透气性系数随煤体破碎程度的增大而增大，实际瓦斯流量增大幅度大于理论倍数，2204运输巷采用造穴增透瓦斯抽采效果明显提高。 利用YZC5型瓦斯抽采管路参数测定仪和光学瓦斯测定仪对机械造穴试验钻孔及观测钻孔进行瓦斯抽采参数测定，将测定数据汇总如图9和表3所示。 (a) 9#钻孔机械造穴前后瓦斯抽采纯流量变化 表3 机械造穴钻孔在机械造穴前后钻孔瓦斯抽采量变化 根据表3可知，机械造穴增透试验完成后，9#造穴钻孔平均瓦斯抽采混合流量提高了10.95倍，平均瓦斯抽采纯流量提高了17.77倍； 由此可见，随着机械造穴增透的开展，2#煤体随瓦斯抽采发生收缩变形，煤层透气性系数增大，实际瓦斯流量增大幅度大于理论计算倍数，表明采用机械造穴增透技术抽采瓦斯时，抽采效果明显提高。 研究采用理论分析及数值模拟的方法分析了机械造穴增透试验机理，分析了经造穴后钻孔周围瓦斯压力及周围煤体渗透率的变化规律。研制了机械造穴钻具，并在小回沟矿2#煤层开展机械造穴实验。 1)根据机械造穴增透后的瓦斯抽采效果分析发现，机械造穴增透试验钻孔的作用范围半径为4 m，作用范围为8 m。机械造穴钻孔平均瓦斯抽采混合流量提高了10.25～11.83倍，平均瓦斯抽采纯流量提高了14.44～19.46倍，表明机械造穴对2#煤层瓦斯抽采具有强化作用。 2)根据现场工业性试验及瓦斯抽采效果，在采用机械造穴增透后，对瓦斯抽采有一定的促进作用，提高了本煤层瓦斯抽采率，并且机械造穴增透采用静压水进行施工，安全系数较高，机械造穴煤层增透技术可推广使用。
λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)；
p0为煤层原始瓦斯压力，MPa；
α为瓦斯含量系数，m3/(m3·MPa1/2)；
t为抽采时间，s。2.1 几何模型的建立
2.2 COMSOL数值模拟结果分析
30 d后，瓦斯压力下降趋势逐渐趋于稳定，受影响区域稳定增加。机械造穴钻孔周围的瓦斯压力下降幅度明显高于普通钻孔。在相同初始瓦斯压力下，第30 d时普通钻孔中瓦斯的有效影响范围仅为1 m左右，机械造穴钻孔中瓦斯的有效影响范围约为1.5 m；
第60 d时普通钻孔中瓦斯的有效影响范围仅为1.3 m左右，机械造穴钻孔中瓦斯的有效影响范围约为1.7 m；
第90 d时普通钻孔中瓦斯的有效影响范围仅为1.7 m左右，机械造穴钻孔中瓦斯的有效影响范围约为2.2 m；
到第120 d，普通钻孔的有效影响范围仅为1.8 m左右，而造穴后的有效影响范围达到2.5 m。由此可以看出，造穴后瓦斯压力变化的有效影响面积显著增加。
L2区域为平坦区域，渗透率为常数。初始渗透率为1.8×10-17m2，造穴钻孔附近的渗透率一度达到2.7×10-14m2，比原始渗透率高1 500倍，影响范围达0.12 m。然而，普通钻孔附近的最大渗透率仅为1.5×10-16m2，仅增加了8.3倍，影响范围达到0.09 m。机械造孔对钻孔周围的渗透率有显著影响，影响范围略大于普通钻孔的影响范围。
3.1 机械造穴设备研制
2—导水通道；
3—造穴刀臂；
4—喷水孔；
5—钻头；
6—金刚石复合片
3.2 机械造穴增透钻孔施工
3.3 机械造穴钻孔影响半径分析
与造穴前瓦斯抽采数据相比，造穴后瓦斯抽采的平均混合流量是造穴前的11.86倍，平均抽采纯流量是造穴前的5.41倍。
3.4 机械造穴钻孔瓦斯抽采效果分析
32#造穴钻孔平均瓦斯抽采混合流量提高了11.83倍，平均瓦斯抽采纯流量提高了19.46倍；
91#造穴钻孔平均瓦斯抽采混合流量提高了11.82倍，平均瓦斯抽采纯流量提高了14.44倍；
146#造穴钻孔平均瓦斯抽采混合流量提高了10.26倍，平均瓦斯抽采纯流量提高了17.03倍。