0 引言

我国能源结构具有典型的“富煤、贫油、少气”特征[1-4]，很长时间内煤炭仍是我国最重要的能源，其战略地位不可动摇[5-6]。但我国含煤地层在成煤期后往往经历了复杂的地质构造运动，松软低透煤层广泛发育，导致瓦斯抽采困难、煤与瓦斯突出灾害严重[7-9]，严重制约了煤矿的安全高效开采。大量的统计结果表明，掘进工作面是煤与瓦斯突出事故的主要发生场所之一[10-11]，因此，国家矿山安全监察局和相关部门十分重视掘进工作面的瓦斯抽采，要求掘进工作面必须采取有针对性消除突出危险的措施。

当前，国内外常采用深孔爆破[12-13]、水力压裂[14-15]、水力割缝[16-18]和水力造穴[19-20]等增透技术对煤层进行增透，从而实现掘进工作面的瓦斯抽采。其中，深孔爆破、水力压裂和水力割缝技术主要适用于坚硬煤层，并不适用于松软煤层；水力造穴技术以高压水射流为动力，在煤层中冲出大量煤体，可为造穴洞室四周煤体提供较大的卸荷与变形空间，因此煤体的渗透率大幅提高。鉴于此，水力造穴技术，尤其是顺层水力造穴被广泛应用于强化松软低透煤层掘进工作面的瓦斯抽采[19-22]。

然而，当前对顺层水力造穴卸荷增透机制的理解还不够深入，无法确切掌握造穴洞室四周煤体的卸荷损伤增透特征以及造穴参数(造穴半径和造穴长度)对煤体卸荷增透效果的影响，同时对新技术的现场应用考察还不成体系，严重制约了新技术的推广应用。鉴于此，笔者以新景矿3号煤层掘进工作面顺层水力造穴强化瓦斯抽采为工程背景，采用FLAC3D数值模拟软件对造穴煤体的卸荷增透机制进行数值分析，研发了履带式钻冲一体化水力造穴装备，建立了高低浓度瓦斯抽采系统，并对顺层水力造穴技术在掘进工作面瓦斯抽采中的应用情况进行了系统性考察。研究成果有助于深化对顺层水力造穴卸荷增透机制的认识，为解决我国松软低透煤层矿井瓦斯抽采困境具有现实意义。

1 工程地质背景

新景矿井田位于阳泉市西郊，其山西组主采煤层为3号煤层。矿井主要地质构造为由东北向西南倾斜的单斜构造，煤层倾角6°～10°，开采深度400～500 m。含煤地层在成煤作用之后经历了强烈的构造运动，褶皱构造和伴生压扭性断裂构造广泛发育，导致3号煤层松软破碎，瓦斯抽采困难。新景矿3号煤层实测瓦斯数据如图1所示。由图1可以看出，当埋深在400～500 m时，下煤层最大瓦斯压力和最大瓦斯含量分别为1.8 MPa和21 m3/t，而煤层渗透率介于0.005～0.010 mD之间；埋深逐渐增大后，煤层瓦斯压力和含量明显增加，但煤层渗透率却在降低。

目前，新景矿3号煤层掘进工作面常采用普通顺层钻孔瓦斯抽采技术，如图2(a)所示。从图2(a)可知，在每个普通顺层钻孔抽采循环中，最大钻孔间距为2 m，每个抽采循环的钻孔数量和工程量分别高达34个和2 288 m。但由于3号煤层所具有的松软、低渗及高瓦斯特征，普通顺层钻孔的瓦斯抽采效率非常低，且钻孔、缩孔和塌孔现象频发[23]，瓦斯治理困难，煤与瓦斯突出灾害严重。为强化新景矿3号煤层掘进工作面瓦斯抽采，笔者所在团队引入了顺层水力造穴瓦斯抽采技术[24]，如图2(b)所示。此技术是利用顺层钻孔到达掘进工作面的煤层中，同时，将高压水射流作为动力，在煤层中构建出一系列圆柱状的造穴洞室，以实现抽采区域内煤体的高效卸荷损伤，提高煤体的渗透率，从而强化瓦斯抽采。采用新技术之后，每个抽采循环仅需布置9个钻孔，最大钻孔间距扩大到7 m，且钻孔工程量降低为580 m。

2 顺层水力造穴卸荷增透机制

为确保顺层水力造穴技术的高效应用，就必须深入了解其卸荷增透机制。鉴于此，采用FLAC3D软件对不同造穴参数下四周煤体的卸荷损伤增透特征进行数值分析，从而获得顺层水力造穴的卸荷增透机制。

2.1 几何模型

新景矿3号煤层平均厚度2.3 m，造穴洞室呈圆柱形，平均造穴半径0.5 m，平均造穴长度1.0 m。为简化计算并方便模拟结果的三维显示，基于煤层及圆柱形造穴洞室的对称性，建立简化几何模型如图3所示。模型的尺寸为6.00 m×6.00 m×7.15 m，其中煤层厚度为1.15 m、煤层上方岩层厚度为6.00 m。

为了研究造穴半径和造穴长度的影响，设置了2个模拟组，共9个模拟工况，见表1。

模拟过程中所采用的主要力学和渗透参数取自当前公开发表的文献[24-28]：煤体弹性模量0.40 GPa，岩体弹性模量1.20 GPa，煤体泊松比0.35，岩体泊松比0.32，煤体初始粘聚力0.80 MPa，煤体残余粘聚力0.60 MPa，岩体粘聚力0.90 MPa，裂隙压缩因子0.15 MPa-1，煤体内摩擦角32°，岩体内摩擦角30°，煤层初始孔隙率1.20%，渗透率反弹系数25，煤体的密度1 400 kg/m3，岩体的密度2 500 kg/m3，临界应变软化参数0.004%。

2.2 边界条件

将模型的四周和底部设置成滚轴边界，模型顶部设置成应力边界，对其施加垂向应力12 MPa。此外，煤层初始水平应力同样设置为12 MPa，即原始煤层处于静水压力状态。

2.3 模拟结果

2.3.1 造穴洞室四周煤体卸荷损伤特征

基于上述所示几何模型、边界条件及模拟参数，获得了造穴洞室四周煤体的应力分布特征。水力造穴之后四周煤体的平均主应力分布如图4所示。由图4可知，水力造穴后煤体的初始应力平衡状态被破坏，不仅在造穴周围形成了卸压区，还在卸压区以外形成了应力集中区；同时，煤体的卸压区会随造穴半径和造穴长度的增长而增加。

水力造穴之后，造穴洞室四周煤体同时发生了塑性损伤，如图5所示。由图5可知，水力造穴之后，造穴洞室四周煤体形成圆台型的塑性区；煤层中部的塑性损伤半径略大于煤层顶底板处；同时造穴半径和造穴长度越大，塑性区越大；随着造穴半径从0.1 m增大至0.9 m，煤层顶板处的塑性损伤半径从0 m增加至3.9 m，煤层中部的塑性损伤半径从0.7 m增加至4.4 m。而当造穴长度从0.5 m增大至2.5 m，煤层顶板处的塑性损伤半径从1.5 m增加至3.4 m，煤层中部的塑性损伤半径从2.0 m增加至4.0 m。

2.3.2 造穴洞室四周煤体渗透率演化特征

造穴洞室四周煤体渗透率演化模型公式如式(1)所示：

(1)

式中：k——煤体渗透率，mD；

k0——煤体初始渗透率，mD；

Cf——裂隙压缩因子，MPa-1；

ξ——渗透率反弹系数；

σ——平均主应力，MPa；

γp——应变软化参数，%；

γp*——临界应变软化参数，%。

基于式(1)所示的渗透率模型[29]及上述煤体平均主应力和塑性损伤情况，采用FISH语言进行编程，获得造穴洞室四周煤体的渗透率演化云图，如图6所示，为了便于表征，对图6中的渗透率数据进行了对数处理。由图6可知，造穴完成后，造穴洞室四周煤体的渗透率显著改善，渗透率最大增幅可达445倍。同时，煤体增透范围随造穴半径与造穴长度的增加而增大。这表明，增加造穴半径和造穴长度均可以有效提高单穴的卸荷增透效果。此外，在增透区之外，应力集中现象的存在也导致造穴洞室四周出现了渗透率降低区，其中最小渗透率仅为初始渗透率的76.75%。在实际瓦斯抽采过程中，可增加造穴密度来减弱渗透率降低区对抽采造成的不利影响。

基于煤体的渗透率模拟结果，进一步分析了煤体增透体积与造穴参数之间的关系，如图7所示。由图7可知，煤体增透体积与造穴半径及造穴长度之间均满足指数关系。随着造穴半径由0.1 m增大至0.9 m，煤体的增透体积由0.73 m3增加至70.06 m3。同时，随着造穴长度由0.5 m增大至2.5 m，煤体的增透体积由24.74 m3增加至68.07 m3。

3 工程应用

3.1 履带式钻冲一体化水力造穴装备

当前的水力造穴装备缺少灵活机动的高压水产生装置、能够钻冲一体化作业的钻具以及高效的孔口防喷装置，导致水力造穴作业工序繁琐，造穴效率低下，工人劳动强度大，而且安全性较差。鉴于此，笔者所在团队和河南铁福来公司合作研发了履带式钻冲一体化水力造穴装备[24，27]。该装备主要由履带式高压水泵站、履带式全液压旋转钻机、钻冲两用集成钻头、耐高压旋转密封接头、耐高压旋转钻杆、煤-水-气三相分离装置以及孔口防喷装置等组成。履带式钻冲一体化水力造穴装备实物如图8所示。该装备可以在井下巷道内自由行走，完成钻孔钻进及水力造穴一体化作业，且可以实现孔口防喷，大大提高了造穴工作效率及安全性，有效扩展了水力造穴技术的应用前景。

3.2 高低浓度瓦斯抽采系统

在掘进工作面顺层水力造穴瓦斯抽采技术应用过程中，不仅需要对封孔后的瓦斯进行抽采，同时需要对造穴阶段孔口防喷装置内的瓦斯进行抽采。上述2种瓦斯抽采出的浓度具有显著的差异：在造穴阶段，孔口防喷装置密封效果较差，因此该阶段瓦斯抽采浓度普遍较低；而在封孔抽采阶段，钻孔密封效果好，因此该阶段瓦斯抽采浓度普遍较高。鉴于此，在新技术瓦斯抽采过程中，需要构建2套独立的瓦斯抽采系统，即造穴阶段的低浓度瓦斯抽采系统和封孔抽采阶段的高浓度瓦斯抽采系统。高、低浓度瓦斯抽采系统实景如图9所示。高低浓度瓦斯抽采系统的建立，有利于实现不同抽采阶段瓦斯的分级利用。其中，造穴阶段抽出的低浓度瓦斯可进行低浓度瓦斯发电利用，而封孔抽采阶段抽出的高浓度瓦斯可在浓缩后制作液化LNG。

3.3 现场考察

3.3.1 瓦斯抽采数据考察

在新景矿3号煤层南九正巷中对掘进工作面顺层水力造穴技术进行了现场应用。本次试验在3217工作面进风巷各取1个普通顺层钻孔抽采循环和顺层水力造穴抽采循环，对其瓦斯抽采数据进行详细的对比考察。不同抽采循环的钻孔布置情况如图2所示。2个循环的长度均为80 m，在普通顺层钻孔抽采循环中，最大钻孔间距为2 m，钻孔数量和工程量分别为34个和2 288 m；采用顺层水力造穴技术之后，最大钻孔间距增加至7 m，钻孔数量和工程量分别骤降至9个和580 m，每个循环的瓦斯抽采周期由普通顺层钻孔的45 d降低为10 d。

在抽采时间均为10 d的情况下，2个循环内的瓦斯抽采纯量及抽采浓度如图10所示。由图10可知，普通顺层钻孔抽采循环平均抽采浓度为20%左右，平均抽采纯量仅有0.40 m3/min；顺层水力造穴抽采循环，尽管钻孔工程量降低了75%左右，但该循环平均抽采浓度提高了50%左右，平均抽采纯量提高到2.25 m3/min。综上所述，掘进工作面进行顺层水力造穴后，钻孔的瓦斯抽采效率显著提高，钻孔工程量降低了75%左右，平均抽采浓度提高了1.5倍，平均抽采纯量提高了4.6倍。

3.3.2 巷道掘进情况对比

3217工作面进风巷前800 m采用了普通顺层钻孔瓦斯抽采技术，后480 m采用了优化后的顺层水力造穴技术。不同区域掘进之前，钻屑指标K1值和S值的测定结果如图11所示。由图11可以看出，尽管2个区域实测的K1值和S值均已降低到0.5 mL/(g·min0.5)和6.0 kg/m以下，但普通顺层钻孔抽采区域的实测最大K1值和最大S值分别为0.49 mL/(g·min0.5)和5.70 kg/m，逼近临界值；在水力造穴抽采区域，实测最大K1值和S值为0.41 mL/(g·min0.5)和4.7 kg/m，远低于临界值。K1值和S值的测定结果同样表明，采用顺层水力造穴技术后，掘进工作面瓦斯抽采效果明显改善。

4 结论

(1)水力造穴后，造穴洞室四周煤体的渗透率显著改善，渗透率最大增幅可达445倍。同时，造穴半径越大，造穴长度越长，煤层卸荷增透范围越广，煤体卸荷增透效果越好。当造穴半径由0.1 m增大至0.9 m，煤体的增透体积由0.73 m3增加至70.06 m3。当造穴长度由0.5 m增大至2.5 m，煤体的增透体积由24.74 m3增加至68.07 m3。

(2)鉴于当前水力造穴装备的缺陷，研发了履带式钻冲一体化水力造穴装备，大大方便了水力造穴作业；同时，考虑到造穴阶段及封孔抽采阶段瓦斯抽采浓度相差较大，提出了建立高低浓度瓦斯抽采系统的理念，实现了抽采瓦斯的分级利用。

(3)掘进工作面采用顺层水力造穴技术之后，瓦斯抽采效果显著改善：在钻孔数量与钻孔工程量分别降低73.5%与75.0%的条件下，掘进工作面平均瓦斯抽采纯量和平均瓦斯抽采浓度分别提高了4.6倍和1.5倍，瓦斯抽采达标周期由45 d左右降低到10 d，同时巷道掘进过程中，钻屑指标K1值和S值也显著降低。

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The mechanism of stress-unloading and permeability-increasing by hydraulic cavitation along seam and its application in gas drainage of driving face

WANG Suifang1, ZHANG Hao1,2, WANG Wei3, YUAN Danping1, YAN Xiaoyu1,LV Wenbo1, GUO Junwei1

(1. College of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China;2. Jinneng Holding Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037037, China;3. Shanxi Anbiao Inspection and Certification Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030000, China)

Abstract Taking the gas drainage enhanced by hydraulic cavitation along seam in driving face of No.3 coal seam of Xinjing Mine as engineering background, the mechanism of stress-unloading and permeability-increasing by hydraulic cavitation along seam was analyzed numerically by FLAC3D numerical simulation software. The crawler drilling-flushing integrated hydraulic cavitation equipment was developed, the high and low concentration gas drainage system was established, and the application of the technology of hydraulic cavitation along seam in gas drainage process of drving face was systematically investigated. The numerical analysis results show that the permeability of coal body around the cavern is significantly improved after using the new technology; the larger the radius of the cavern, the longer the length of the cavern, and the better the effect of unloading permeability region of coal body. The field application shows that after using the new technology, the gas drainage effect of the driving face is significantly improved, the amount of drilling engineering is reduced by 75.0%, the average gas drainage purity and average gas drainage concentration are increased by 4.6 times and 1.5 times, respectively, and the measured K1 value and S value in the process of roadway driving are significantly reduced.

Keywords coal and gas outburst; soft and low-permeability coal seam; hydraulic cavitation; numerical analysis; stress-unloading damage

中图分类号 TD713.34

文献标志码 A

引用格式：王穗芳,张浩,王伟,等.顺层水力造穴卸荷增透机制及在掘进工作面瓦斯抽采中的应用[J].中国煤炭,2023,49(6)∶26-36. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.06.005

WANG Suifang, ZHANG Hao, WANG Wei, et al. The mechanism of stress-unloading and permeability-in-creasing by hydraulic cavitation along seam and its application in gas drainage of driving face[J]. China Coal,2023,49(6): 26-36.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.06.005

基金项目：国家自然科学基金资助项目(52104210)，山西省应用基础研究计划资助项目(20210302124350，202103021223116)，中国博士后科学基金资助项目(2022M710595)

作者简介：王穗芳(1999-)，女，重庆潼南人，硕士研究生，主要研究方向为矿井瓦斯防治。E-mail：qwangsuifang@163.com

通讯作者：张浩(1990-)，男，河南洛阳人，博士，讲师，主要研究方向为矿井瓦斯防治。E-mail：haozhang@cumt.edu.cn

(责任编辑 张艳华)