水力冲孔增透关键参数模拟及应用研究
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作者:付京斌
摘 要：本文针对不同煤体强度特征，如何选用冲孔孔径和抽采半径开展了一些研究，确定了水力冲孔治理低透气性煤层瓦斯的技术标准和关键参数，提高了瓦斯治理效果。依据煤体坚固性系数f值，模拟分析了实现目标孔径的水力参数选取标准;依据煤层瓦斯压力和水力冲孔孔径模拟分析了瓦斯抽采半径范围。通过现场应用，验证了模拟结果的可靠性，为水力冲孔增透技术的现场应用提供了支撑，提高了施工效率。
关键词：水力冲孔 高压水射流 关键参数 透气性 抽采半径
为了消除低透气性煤层开采过程中的瓦斯灾害，我国煤炭企业采取了多种技术措施：水力切缝强化抽采技术、深孔控制爆破技术、旋转水力扩孔技术、密集长钻孔技术等[1-6]。上述技术措施能够消除低透气性煤层的瓦斯危害，但是对现场施工工艺要求高，影响部分技术的普遍推广应用。高压水射流冲孔（水力冲孔）促进了瓦斯的有效释放，瓦斯压力大幅度降低，使得气体分子在煤体壁面上的滑流现象减弱，从而使煤体渗透率提高，达到卸压增透、提高抽采半径的目的。
但是针对不同煤体强度特征，如何选用冲孔孔径和抽采半径是钻冲一体化水力冲孔增透装置的现场应用技术关键。因此，论文通过数值模拟和现场测试，确定水力冲孔治理低透气性煤层瓦斯的技术标准和关键参数，提高该装置的适用性。
1 水射流有效冲击速度及冲孔孔径模拟
1.1 水射流破煤原理
高压水射流高速冲击煤体，通过射流的动能的改变使煤体破碎。根据岩石坚固性系数（普氏系数）f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的1/10作为岩石的坚固性系数。得出不同坚固系数，煤体破碎所需的流体射速之间的关系，如图1所示。
1.2 冲孔孔径数值模拟结果分析
数值模拟模型尺寸为2m×0.5m，区域内为空气，在20℃，标准大气压下，其密度为675.845kg/m?，动力粘度为1.81×10-5Pa·s，共划分4664个单元。在空气区域左侧中部为1个射流出口，其密度为1000kg/m?，动力粘度为1.005×10-3Pa·s，选定水射流的出口射速分别设为100～300m/s。
由水射流出口射速可以得出，在不同射速的流体流动状态及流型基本相同。在固定的枪嘴参数下，随着射速的增加，对相同参数煤层作用的有效距离及范围逐渐扩大，钻孔扩大倍数也就越大，水力冲孔的卸压增透效果也随之更加明显。通过不同的射流速度与煤体参数可计算水射流冲孔孔径，如表1所示。
2 水力冲孔影响范围数值模拟
采用COMSOL-Multiphysics模拟软件对不同冲煤量钻孔瓦斯压力随抽采时间的变化情况进行数值模拟，在模拟过程中，依据2#煤层情况进行参数设置[10-11]。
在数值模拟过程中，矿井资料可知原始瓦斯压力在0.8MPa左右，所以当瓦斯压力下降到原始压力70%及其以下的时候所对应的距离可以认为是水力冲孔的影响范围。
通过模拟可以得出结论：在冲孔过程中，原始瓦斯压力在0.8MPa左右时，经一定时间瓦斯抽采后，在距钻孔7m的地方，煤体中的瓦斯压力下降至0.56MPa以下，认为其特定时间的有效抽采半径为7m。
矿井原始瓦斯压力在0.8MPa，所以当瓦斯压力下降到原始压力70%及其以下的时候所对应的距离可以认为是水力冲孔的影响范围。当煤层瓦斯压力越大时，煤层瓦斯有效抽放半径越小;当煤层瓦斯压力一定时，有效抽放半径随水力冲孔孔径增长而增长。不同孔径和瓦斯压力时，瓦斯抽采半径变化规律如表2所示。
3 现场应用
依据峰峰集团羊东矿2#煤瓦斯基础参数包括：煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、煤体坚固性系数，通过数值模拟确定装置的射速，水压、流量和冲孔半径等等。具体参数见表3。
穿层钻孔共布置7个钻孔平行布置。1#孔进行水力冲孔，2#-7#为考察测压孔，与抽采孔的间距在其间距7～12m。根据各测压孔瓦斯压力随抽采时间变化情况，测定钻孔压力变化。
考察孔径的钻孔压力可以得出如下规律：各钻孔瓦斯压力在钻孔开始抽采后，先是呈跳跃式变化，但总体呈下降趋势;观测孔与抽采孔的距离越大，下降至有效抽采线所需抽采时间就越长，超出抽采有效影响范围之外后钻孔瓦斯压力无变化。钻孔有效抽采半径测定结果与数值模拟对比见表4。
因此，依据模拟分析结果，能够指导钻冲一体化水力冲孔装置的参数的选取和瓦斯抽采半径的确定，提高了低透气性煤层瓦斯治理效果，确保矿井安全高效生产。
4 结论
论文通过数值模拟和现场测试，确定了水力冲孔治理低透气性煤層瓦斯的技术标准和关键参数，提高了瓦斯治理效果。论文主要成果：
（1）确定冲孔孔径的参数选取标准，依据煤体坚固性系数f值，可以通过调节出水口水压来实现目标孔径，为现场水力参数调节提供了参考;
（2）确定抽采半径的参数选取标准，依据煤层瓦斯压力，可以通过调节水力冲孔孔径达到目标抽采半径，为水力冲孔防突技术的现场应用提供了支撑，提高了施工效率。
参考文献
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