薛江達，孫永康，王軍，張庚

（太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引言

瓦斯是威脅煤礦井下安全生產(chǎn)主要的因素之一[1-3]。順層鉆孔是礦井回采工作面的主要瓦斯治理方式，工作面回采前要施工順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，抽采達標(biāo)后才可安排回采作業(yè)[4-5]。采區(qū)內(nèi)單翼布置順序開采的工作面回采過程中，極易在鄰近工作面煤體中形成較高的采動支承應(yīng)力，導(dǎo)致工作面煤體大范圍塑性區(qū)破壞，從而造成鄰近工作面煤體中提前施工的順層鉆孔的封孔段發(fā)生破壞，使得順層鉆孔失效，嚴(yán)重制約了工作面安全高效生產(chǎn)[6-8]。

為提高順層鉆孔的穩(wěn)定性，保證其抽采效果，有學(xué)者對護孔技術(shù)進行了研究。姚向榮等[9]基于注漿固化成孔新理論，對工作面巷道抽采鉆孔圍巖弱結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)進行了有效控制。葉高榜[10]分析了鉆孔坍塌、變形的力學(xué)條件，提出了用于解決松軟煤層鉆孔塌孔的新型內(nèi)支撐護孔管。孟曉紅[11]建立了不同角度鉆孔塌孔的力學(xué)模型，提出了采取小直徑鉆孔、增加鉆孔支護強度等方式提高鉆孔穩(wěn)定性。張金寶[12]開發(fā)了鉆孔內(nèi)水力輸送分組篩管自主對接完孔工藝技術(shù)，實現(xiàn)了鉆孔全孔段篩管護孔。李潤澤等[13]利用大通孔螺旋鉆孔配合可開閉鉆頭對煤層鉆孔進行全程下篩管護孔工藝研究，解決了鉆孔易發(fā)生塌孔的問題。陳超等[14]提出了采用跟管護孔鉆進工藝過高應(yīng)力區(qū)，以達到護壁效果。張鵬等[15]提出了全長篩管護孔技術(shù)，以防止鉆孔漏氣而影響抽采效果。

現(xiàn)階段的研究主要集中在增強鉆孔本身強度，并未針對影響鉆孔穩(wěn)定性的根本性因素提出解決措施。本文以山西和順正邦良順煤業(yè)有限公司（以下簡稱良順煤礦）150205 工作面順層鉆孔受鄰近工作面采動影響為工程背景，通過分析順層鉆孔失穩(wěn)原因，提出了一種水力壓裂弱化頂板護孔技術(shù)。利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方式，研究水力壓裂弱化頂板對順層鉆孔的保護效果。

1 工程背景

良順煤礦井田位于沁水煤田東北部。井田地質(zhì)總體上為單斜構(gòu)造，地層傾角平緩，中部為褶曲構(gòu)造并發(fā)育有8 條正斷層。煤礦主采15 號煤層，且為單翼開采，煤層平均厚度為4.8 m，平均埋深為450 m，工作面基本頂以K2 石灰?guī)r和細(xì)粒砂巖為主，總厚度為12.0 m。工作面地質(zhì)柱狀圖如圖1 所示。

圖1 工作面地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Geological column histogram of the working face

工作面布置如圖2 所示。150203 工作面為回采工作面，臨近150205 工作面為順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯工作面，工作面煤柱寬度為20 m。150205 工作面順層鉆孔孔徑為108 mm，鉆孔間距為2 m，鉆孔長度為80 m。隨著150203 工作面回采，采動支承應(yīng)力沿頂板堅硬巖層傳遞到150205 工作面煤柱和煤體，造成順層鉆孔周圍煤體的塑性區(qū)擴展，影響鉆孔封孔效果，導(dǎo)致其失效或抽采效果降低。

圖2 工作面布置Fig.2 Layout of the working face

2 順層鉆孔失穩(wěn)分析

2.1 順層鉆孔應(yīng)力分布特征

基于巷道圍巖松動圈理論[16-18]，類比分析順層鉆孔在支承應(yīng)力作用下周圍亦存在破碎區(qū)和塑性區(qū)。在理想狀態(tài)下，鉆孔圍巖彈塑性區(qū)分布如圖3所示。其中，σ1為垂直應(yīng)力，MPa；σ2為水平應(yīng)力，MPa；R1為鉆孔半徑，m；R2為破碎區(qū)半徑，m；R3為塑性區(qū)半徑，m。

圖3 鉆孔圍巖彈塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of borehole surrounding rock elastoplastic zones

根據(jù)彈性力學(xué)模型可知[19-21]，鉆孔位于圍巖彈性范圍的非均勻引力場中，巷道圍巖處于彈性狀態(tài)，可得

2.2 鉆孔失穩(wěn)破壞影響因素

1）順層鉆孔施工完成后，鉆孔形狀固定，孔壁穩(wěn)定。由于煤體中支承應(yīng)力的影響，鉆孔孔壁煤體發(fā)生蠕變，隨著抽采時間延長，孔壁煤體較軟處會形成坍塌而完全阻塞瓦斯的流動通道。

2）順層鉆孔施工完成后，鉆孔周圍的應(yīng)力場趨于穩(wěn)定，且鉆孔未發(fā)生破壞。當(dāng)鉆孔周圍煤體受擾動或采動影響時，會發(fā)生支承應(yīng)力的重新分布，并產(chǎn)生較高的支承應(yīng)力峰值，造成煤體塑性區(qū)擴展，使順層鉆孔封孔區(qū)發(fā)生破壞，影響鉆孔抽采效果。

3 水力壓裂弱化頂板護孔技術(shù)數(shù)值模擬

3.1 水力壓裂弱化頂板護孔原理分析

水力壓裂可降低堅硬基本頂?shù)膹姸?，?yōu)化基本頂?shù)臄嗔盐恢?，減小作用在鄰近工作面煤體上的采動支承應(yīng)力峰值，切斷應(yīng)力傳播路徑。作用在順層鉆孔周圍煤體中的應(yīng)力峰值降低后，可有效防止鉆孔周圍煤體發(fā)生較大范圍的塑性破壞而導(dǎo)致鉆孔封孔段失效而漏氣。

順層鉆孔全孔段下置篩管，保證煤體與鉆孔之間存在氣體流通的通道，水力壓裂弱化頂板護孔技術(shù)可很好地保護鉆孔封孔段的密封性，從而保證順層鉆孔的抽采效果。

3.2 模型建立及參數(shù)設(shè)定

根據(jù)礦井地質(zhì)柱狀圖及巖石力學(xué)試驗結(jié)果，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock formation

從工程實際角度出發(fā)，確定數(shù)值模型尺寸為150 m×150 m×37.1 m（長×寬×高），共有400 000 個單元和417 231 個節(jié)點，選用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，數(shù)值模型如圖4 所示。圖中沿煤層走向為x軸，沿煤層傾向為y軸，垂直于煤層方向為z軸。

圖4 數(shù)值模型Fig.4 Numerical model

150205 工作面埋深為450 m，計算上覆巖層荷載，施加的垂直應(yīng)力約為10 MPa。根據(jù)良順煤礦的地質(zhì)資料，側(cè)壓系數(shù)取1.2。模型邊界設(shè)置為不透水邊界。限制模型向四周變形移動，即將模型的前后左右及底面的位移、速度限制為零，將模型的上邊界作為自由邊界。

設(shè)置x=15～18 m，y=0～150 m，z=7～10 m 處為150205 回風(fēng)巷，x=38～138 m，y=10～50 m，z=7～10 m處為回采范圍，并預(yù)留20 m 寬煤柱?？紤]到工程實際情況，水力壓裂鉆孔布置在150205 回風(fēng)巷兩側(cè)y=20～60 m，z=10 m 處，沿y軸方向每10 m 設(shè)置1 個水力壓裂鉆孔，并在臨近150203 運輸巷相同位置布置水力壓裂鉆孔。水力壓裂鉆孔穿過K2 石灰?guī)r，鉆孔角度為75°，鉆孔孔徑為75 mm。注水壓力為20～27 MPa，每個鉆孔壓裂4 次，每個壓裂段都在關(guān)鍵層中，每個壓裂段壓裂時間為30 min。

采用spss22.0進行數(shù)據(jù)處理?？ǚ接靡詸z驗計數(shù)資料，t值用以檢驗計量資料，以P＜0.05具有統(tǒng)計學(xué)意義。

3.3 水力壓裂弱化頂板前后煤體破壞規(guī)律分析

當(dāng)煤層上部賦存堅硬頂板時，鄰近工作面回采會在鉆孔附近的煤體形成應(yīng)力集中區(qū)域，如圖5 所示。

圖5 鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布云圖Fig.5 Cloud map of coal stress distribution around borehole

水力壓裂弱化頂板前，鄰近工作面回采40 m 過程中，鉆孔周圍煤體垂直應(yīng)力演化規(guī)律如圖6 所示。可看出鄰近工作面回采至10 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值為15.6 MPa，此時鉆孔周圍煤體受采動支承應(yīng)力影響較小；回采至20 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值為18.1 MPa，采動支承應(yīng)力對鉆孔周圍煤體的影響逐漸變大；回采至30 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值為21.2 MPa，此時采動支承應(yīng)力對鉆孔周圍煤體的影響達到最大；回采至40 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值減小，為17.3 MPa。

圖6 水力壓裂弱化頂板前煤體垂直應(yīng)力演化規(guī)律Fig.6 Evolution law of vertical stress of coal before hydraulic fracturing weakening roof

水力壓裂弱化頂板后，鄰近工作面回采40 m 過程中，鉆孔周圍煤體垂直應(yīng)力演化規(guī)律如圖7 所示?？煽闯鲟徑ぷ髅婊夭芍?0，20，30，40 m 時，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值分別為8.6，8.9，9.0，9.1 MPa。水力壓裂弱化頂板后，鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值降低了57.1%，能夠很好地避免鉆孔周圍煤體的塑性區(qū)擴展，保證鉆孔的封孔和抽采效果。

圖7 水力壓裂弱化頂板后煤體垂直應(yīng)力演化規(guī)律Fig.7 Evolution law of vertical stress of coal after hydraulic fracturing weakening roof

鉆孔周圍煤體受采動支承應(yīng)力影響時，會在煤體中造成塑性區(qū)擴展，如圖8 所示。可看出鄰近工作面回采后，由于鉆孔周圍煤體受較高采動支承應(yīng)力的影響，煤體發(fā)生塑性破壞的范圍較大，塑性區(qū)范圍約為19 m；采用水力壓裂弱化頂板后，作用在鉆孔周圍煤體的采動支承應(yīng)力峰值大大降低，煤體發(fā)生塑性破壞的范圍減小，塑性區(qū)范圍約為11 m，塑性區(qū)范圍減小了42.1%。

圖8 水力壓裂弱化頂板前后回采40 m 時煤體塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone distribution of coal when mining 40 m before and after hydraulic fracturing weakening roof

4 水力壓裂弱化頂板護孔技術(shù)現(xiàn)場實測

為改善150205 回風(fēng)巷內(nèi)順層鉆孔周圍煤體的應(yīng)力環(huán)境，使鉆孔能夠更好地發(fā)揮預(yù)抽作用，降低煤層瓦斯含量，在150205 回風(fēng)巷距切眼350～550 m區(qū)域?qū)嵤┧毫讶趸敯遄o孔技術(shù)。根據(jù)取芯樣本，水力壓裂弱化的目標(biāo)巖層是由7 m 厚石灰?guī)r和5 m 厚細(xì)粒砂巖組成的基本頂。

水力壓裂弱化頂板施工如圖9 所示。具體實施方案：在150203 運輸巷向煤柱幫施工水力壓裂鉆孔，在150205 回風(fēng)巷兩側(cè)施工水力壓裂鉆孔；鉆孔設(shè)計深度為32 m，傾角為75°，孔徑為75 mm，間距為10 m；每個鉆孔采取后退式水力壓裂方式，每后退2.5 m 壓裂1 次，單孔壓裂4 次，每個鉆孔壓裂時間為30 min，注水壓力為20～27 MPa。

圖9 水力壓裂弱化頂板施工Fig.9 Construction of hydraulic fracturing weakening roof

150205 回風(fēng)巷內(nèi)順層鉆孔長度為60 m，鉆孔孔徑為108 mm，封孔管徑為63 mm，封孔深度為18 m。在受采動影響的150205 回風(fēng)巷進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域選取3 組順層鉆孔，編號分別為1-1，1-2，1-3，與切眼的距離分別為400，450，500 m，每組各有8 個鉆孔；在受采動影響的150205 回風(fēng)巷未進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域選取3 組順層鉆孔，編號分別為2-1，2-2，2-3，與切眼的距離分別為100，150，200 m，每組各有8 個鉆孔。每組順層鉆孔中布置匯流管、放水器和計量裝置，通過測定順層鉆孔中瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)、瓦斯抽采流量和CO 體積分?jǐn)?shù)來分析水力壓裂弱化頂板護孔效果。

各組鉆孔的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)如圖10 所示?？煽闯鍪懿蓜佑绊懙?50205 回風(fēng)巷進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最大值達18.2%，平均值為14.1%；未進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最大值為9.3%，平均值為3.6%，且有鉆孔出現(xiàn)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)接近0 的情況。

圖10 瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.10 Variation curve of gas extraction volume fraction

各組鉆孔的瓦斯抽采混合流量如圖11 所示?？煽闯鍪懿蓜佑绊懙?50205 回風(fēng)巷進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔瓦斯抽采混合流量平均值為0.464 m3/min；未進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔瓦斯抽采混合流量平均值為1.28 m3/min，這是由于未進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的鉆孔封孔段出現(xiàn)漏氣的情況。各組鉆孔的CO 體積分?jǐn)?shù)如圖12 所示?？煽闯鍪懿蓜佑绊懙?50205 回風(fēng)巷進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔CO 體積分?jǐn)?shù)最大值為8×10-6；未進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的3 組鉆孔的CO 體積分?jǐn)?shù)最大值為44×10-6，平均值為38×10-6，這是由于未進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域出現(xiàn)順層鉆孔與巷道通過煤壁裂隙貫通的情況，造成鉆孔內(nèi)煤體氧化產(chǎn)生較多的CO。

圖11 瓦斯抽采混合流量變化曲線Fig.11 Variation curve of mixed flow rate of gas extraction

圖12 CO 體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.12 Variation curve of CO volume fraction

在實施水力壓裂弱化頂板護孔技術(shù)后，鉆孔瓦斯抽采濃度明顯提高，瓦斯抽采混合流量大幅降低，鉆孔內(nèi)煤體基本不會出現(xiàn)氧化反應(yīng)而產(chǎn)生CO，提高了鉆孔抽采效果，保證了鉆孔抽采安全。

5 結(jié)論

1）水力壓裂弱化頂板護孔技術(shù)一方面降低了采動支承應(yīng)力的峰值，另一方面阻斷了高支承應(yīng)力向順層鉆孔周圍煤體的傳遞。數(shù)值模擬結(jié)果表明，順層鉆孔周圍煤體的垂直應(yīng)力峰值由21.2 MPa 降低為9.1 MPa，降低了57.1%。

2）水力壓裂弱化頂板護孔技術(shù)可減小臨近巷道煤壁塑性區(qū)范圍，避免順層鉆孔封孔段全區(qū)域的塑性破壞。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著鉆孔周圍煤體支承應(yīng)力峰值降低，煤體塑性區(qū)范圍由19 m 減小為11 m，減小了42.1%。

3）在150203 運輸巷與150205 回風(fēng)巷實施水力壓裂弱化頂板護孔技術(shù)后，鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均值由3.6%提高到14.1%，提高了74.5%；瓦斯抽采混合流量平均值由1.28 m3/min 降低為0.464 m3/min，降低了63.8%；未進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域的順層鉆孔中出現(xiàn)較高的CO 體積分?jǐn)?shù)，平均值為38×10-6，而進行水力壓裂弱化頂板區(qū)域只有少數(shù)鉆孔出現(xiàn)CO。