基于水射流割缝煤层区域动态指标研究_刘俭.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 基于水射流割缝煤层区域动态指标研究 刘俭 1， 2， 3， 姜文忠2， 3， 任仲久2， 3， 刘子文2， 3 （1.煤炭科学研究总院， 北京 100013； 2.煤科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） 摘要 基于水射流割缝煤层增透技术， 分析了割缝后煤体应力分布状态， 计算了割缝钻孔径向 应力和切向应力。在理论分析水射流割缝钻孔影响半径的基础上， 确定基于水射流割缝钻孔布 置的技术工艺。根据现场实测数据， 统计分析了动态指标， 对水射流割缝后煤层瓦斯抽采增透效 果进行了验证。中兴矿现场试验表明 与常规钻孔相比， 采用水射流割缝钻孔瓦斯抽采浓度提高 3.6 倍、 流量提高 2.7 倍、 纯流量提高 9.7 倍； 上覆三采西翼回风巷平均风排瓦斯涌出量最大减少 0.68 m3/min， 降低 26.98； 水射流割缝钻孔段瓦斯含量降低 0.48 m3/t； 抽采半径为 3.0 m 时， 水 射流割缝钻孔段抽采时间 41 d， 相比常规钻孔抽采时间缩短 43 d。 关键词 水射流； 割缝； 动态指标； 钻孔； 瓦斯抽采 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0016-07 Research on Dynamic Index of Coal Seams Area Based on Water Jet Slotting LIU Jian1,2,3, JIANG Wenzhong2,3, REN Zhongjiu2,3, LIU Ziwen2,3 （1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Based on the water jet slotting coal seam permeability increase technology, the stress distribution state of the coal after slotting is analyzed, and the radial and tangential stresses of the slotted borehole are calculated. Based on the theoretical analysis of the influence radius of the water jet slotting, the technical process based on the water jet slotting drilling arrangement is determined. According to the field measured data, the statistical dynamic indicators were analyzed to verify the effect of coal seam gas extraction after water jet slotting. The research shows that compared with the conventional drilling, the gas extraction concentration with water jet slotting drilling is increased by 3.6 times, the flow is increased by 2.7 times, the pure flow is increased by 9.7 times, the average wind discharge of the west wing of the upper third mining is decreased by 0.68 m3/min and reduced by 26.98. The gas content of the water jet slotting drilling section is more reduced by 0.48 m3/t; when the extraction radius is 3.0 m, the extraction time of the water jet slotting drilling section is 41 days. The comparison was shortened by 43 days. Key words water jet; slotting; dynamic index; borehole; gas extraction 随着近些年煤矿开采深度不断延伸，地应力和 瓦斯压力增大， 煤层透气性降低， 高瓦斯、 高压力突 出矿井危险性急剧增大。煤与瓦斯突出是制约煤矿 安全生产的一大障碍， 卸压、 增渗、 促抽是瓦斯治理 关键技术，旨在防治煤与瓦斯突出，其区域措施为 预抽煤层瓦斯和开采保护层[1-4]。我国煤矿地质构造 复杂， 目前国内突出煤层矿井中， 仅有 1/3 具备开采 保护层的条件[5]。针对高瓦斯低透气性松软突出煤 层这一复杂条件，采用水射流割缝煤层，有效扩大 煤层瓦斯抽采影响半径，缩短抽采时间，增加钻孔 瓦斯抽采纯量， 从而提高煤层瓦斯抽采率[6-9]。卢义 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.004 刘俭， 姜文忠， 任仲久， 等.基于水射流割缝煤层区域动态指标研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 16-22. LIU Jian, JIANG Wenzhong, REN Zhongjiu, et al. Research on Dynamic Index of Coal Seams Area Based on Water Jet Slotting ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 16-22.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金 - 面上资助项目 （51774182） ； 中国 煤炭科工集团科技创新创业资助项目 （2018MS014） ； 国家科技重 大专项资助项目 （2016ZX05045006004） 16 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 玉[10-11]等基于动量守恒定律得出射流作用于煤体的 应力分布状态，研究了射流冲击破碎煤体时射流速 度分布，得出在射流冲击煤体的最大深度和钻孔切 缝后影响半径； 李晓红[12]， 张英华[13]等基于高压水射 流冲击破碎煤岩特性，运用理论分析和数值模拟验 证了高压脉冲水射流有效提高松软煤层透气性和瓦 斯抽采率； 程玉刚[14]等采用 RFPA3D- Flow 流固耦合 建立了孔隙压力梯度场下的导向压裂数值模型， 并 验证了导向压裂起裂压力计算模型的正确性以及导 向压裂裂缝控制方法的可行性；沈春明 [15] 等采用 FLAC 软件模拟高压水射流割缝煤体后卸压影响范 围及煤体透气性的变化规律，证明了割缝后煤体周 围会产生卸压，且割缝卸压后透气性增大。但均未 能针对高瓦斯低透气性松软突出煤层做出明确区域 危险动态指标研究。为此基于水射流割缝突出煤 层，确定水射流割缝煤层技术工艺。通过现场钻孔 试验，分析钻孔抽采后各项指标，对煤层瓦斯抽采 效果考察有一定现实指导意义。 1水射流割缝钻孔的力学机理 1.1水射流割缝钻孔的空间几何形态 水射流割缝钻孔扩大原有孔径后，煤体孔隙空 间结构发生变化，此时在水力冲击作用下煤体钻孔 边缘由里向外形成类似柱状形裂隙条带，钻孔扩孔 后剖面如图 1。割缝钻孔裂缝的延伸方向受垂直应 力、 水平应力的大小和割缝煤体塑性区大小有关。 1.2塑性区分布理论计算 割缝煤层钻孔后， 煤体周围原岩应力重新分布， 钻孔附近由内向外形成破碎区、 塑性区、 弹性区 3 个 不同应力区。弹性区和破碎区分别为水射流割缝钻 孔作用力下 2 个极端状态， 不做研究。而塑性区， 介 于前两者应力区之间，煤体受水力冲击保持压缩变 形的状态， 裂隙发育较好， 有裂隙面生成[16-19]。 假设钻孔围岩各个方向弹性性质相同， 不考虑 构造带。因此钻孔周围壁受力为最小水平主应力和 最大水平主应力[20]， 钻孔围岩应力分布如图 2。 图 2 中， a 为钻孔半径， m； Rp为钻孔围岩塑性 半径， m； p 为垂直应力， MPa； λp 为水平应力， MPa； λ 为侧压系数， 0≤λ≤1。 1.2.1钻孔围岩变形和应力 当 ra， σrpi时， 岩体平衡微分方程[21]为 dσr dr ＋ σr－σθ r ＝0（1 ） 式中 pi为围压， MPa； σr为钻孔的径向应力， MPa； σθ为钻孔的切向应力， MPa； r 为钻孔中心至围 岩应力区半径， m。 几何方程为 εr＝ du dr ， εθ＝ u r （2 ） 式中 εr为钻孔的径向应变，无量纲； εθ为钻孔 的切向应变， 无量纲； u 为主应力， MPa。 1.2.2钻孔围岩弹性解析 钻孔围岩在均匀受拉应力场和非均匀左右受 拉、 上下受压应力场下应力分解示意图如图 3。 钻孔围岩在均匀应力场条件下，受拉应力处于 图 1钻孔扩孔后剖面示意图 Fig.1Profile diagram after drilling and reaming 图 2钻孔围岩应力分布 Fig.2Stress distribution of borehole surrounding rock 图 3应力分解示意图 Fig.3Stress decomposition diagram 17 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 弹性状态， 依据弹性力学理论可得 p1- λ1 2 p， p2 1-λ 2 p（3） σr-p11- R 2 p r2 （）σR R 2 p r2 σθ-p11 R 2 p r2 （）-σR R 2 p r2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （4） 式中 p1为钻孔在均匀应力场下拉应力， MPa； p2 为非均匀应力场下压应力， MPa； σR为弹性区和塑性 区交界面处的应力， MPa。 在非均匀左右受拉、 上下受压应力场下， 根据弹 性力学理论得 σr-p21-4 R 2 p r2 3 R 4 p r4 （）cos2θ σθp213 R 4 p r4 （）cos2θ τrθp212 R 2 p r2 -3 R 4 p r4 （）sin2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ θ （5） 式中 τrθ为等径向剪应力， MPa； θ 为方位角，（ ） 。 将 2 种应力场叠加，即可得到钻孔在非均匀应 力场下弹性区的围岩应力场 σr-p11- R 2 p r2 （）σR R 2 p r2 -p21-4 R 2 p r2 3 R 4 p r4 （）cos2θ σθ-p11 R 2 p r2 （）-σR R 2 p r2 p213 R 4 p r4 （）cos2θ τrθp212 R 2 p r2 -3 R 4 p r4 （）sin2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ θ （6 ） 在弹性区和塑性区交界面处， 当 rRp时， 由式 （1） ～式 （6） 可计算出钻孔的径向应力和切向应力 σrσR σr-2p1－σR＋2p2cos2 ｛ θ （7） 2水射流割缝煤层技术工艺 2.1钻孔布置工艺 水射流割缝煤层产生的裂隙带延伸方向与割缝 煤体塑性区大小有关。现假设裂隙带的延伸方向和 水力冲击下煤体起裂延伸角度一致。利用控制钻孔 形成的卸压圈和割缝钻孔形成的层理弱面控制割缝 裂隙的延伸方向，形成连续塑性区，将预置割缝钻 孔与控制钻孔之间的煤体定向压穿[22-23]。 试验期间， 设计 4 组试验钻孔。 每组试验钻孔共 10 个，包括 1 个割缝孔、 2 个压裂孔和 7 个控制孔， 钻孔半径 3 m， 倾角为 30～42， 钻孔布置如图 4。 2.2钻孔见煤点间距 根据 防治煤与瓦斯突出规定 中区域防突措施 规定，布置顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区域煤层 瓦斯需覆盖整个开采区域。因此，应该考察水射流 钻孔和常规钻孔影响半径，保证各控制钻孔与水射 流钻孔见煤点间距应小于水射流钻孔影响半径、 常 规钻孔抽采影响半径之和， 不留空白带[24]。 钻孔布置 平面图与剖面图如图 5。 2.3钻孔倾角 煤屑从孔底离开在回返水流的携带下，沿着孔 壁与水射流钻杆间的环形空间排出孔外。这一过程 实际上是煤屑在紊流中的射流运输过程。基于到钻 孔壁粗糙、 煤屑大小不均匀， 同时考虑到煤屑形状、 干扰作用、壁面效应等煤屑在紊流流态下会发生沉 降。因此， 钻孔倾角应为仰角且不小于 0。 3现场试验 选取山西汾西中兴矿三采西翼运输巷距巷道口 1 000 m 处进行水射流割缝煤层钻孔施工。三采西 翼运输巷位于三采区西翼抽瓦斯巷，北面为三采西 翼回风巷 （未掘） ， 南面为三采西翼轨道巷 （停掘） ， 巷中煤柱设计 40 m， 东面为风井， 西面为三采西翼 运输巷延伸方向。施工巷道为服务三采区西翼而布 置的开拓大巷， 设计将向西掘进， 施工至井田西部边 界， 沿 K3 砂质泥岩底部岩层掘进， 本岩层位于山西 组下部， 2煤下 10 m 左右，煤层原始瓦斯含量为 5.23 m3/t， 煤厚 0.7～6.4 m， 本岩层为灰色砂质泥岩， 含植物碎屑化石， 半坚硬。岩层比较稳定， 倾角为 0～ 8， 平均倾角 5。现场钻孔施工参数见表 1。 3.1抽采浓度和抽采流量效果分析 4 组试验孔和常规孔施工完成后，连接抽采管 并对抽采效果进行了考察。测定人员记录了从 7 月 18 日至 9 月 17 日的 4 组试验孔 1-1～1-10、 2-1～ 2-10、 3-1～3-10、 4-1～4-10与 1 组常规孔 5-1～ 5-40数据。 试验钻孔与常规钻孔对比如图 6。从图 6 数据 图 4钻孔布置示意图 Fig.4Schematic diagram of drilling arrangement 18 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 5钻孔布置图 Fig.5Layout of drill hole 分析可知采用水射流割缝煤层钻孔的瓦斯抽采浓 度为 21.50～70.10， 平均为 50.71； 瓦斯抽采流 量为 0.012～0.052 m3/min， 平均为 0.030 m3/min。 作为 对比的常规孔瓦斯抽采浓度为 6.1～44.1，平均 为 14.1；瓦斯抽采流量为 0.007～0.019 m3/min， 平 均为 0.011 m3/min。即采用水射流割缝的钻孔瓦斯 抽采浓度是常规钻孔的 3.6 倍，瓦斯抽采流量是常 规钻孔的 2.7 倍；瓦斯抽采纯流量是常规钻孔的平 均 9.7 倍。 3.2回风流瓦斯涌出考察 对三采西翼运输巷的上覆三采西翼回风巷进行 瓦斯涌出量考察，观测施工水射流割缝段巷道及未 进行试验段的巷道回风流瓦斯浓度和风量。 回风巷瓦斯涌出量测定表见表 2。从表 2 可以 观测出， 7 月 05 日至 8 月 15 日， 掘进迎头在常规钻 孔段，平均风排瓦斯涌出量为 2.34～2.57 m3/min； 8 月 16 日至 9 月 25 日，掘进迎头在水射流割缝钻孔 段，平均风排瓦斯涌出量为 1.84～2.08 m3/min； 9 月 26 日至 10 月 25 日， 掘进迎头通过水射流割缝钻孔 段， 平均风排瓦斯涌出量为 2.21～2.52 m3/min。由此 19 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 可得水射流割缝煤层钻孔作业后，上覆三采西翼回 风巷平均风排瓦斯涌出量最大减少 0.68 m3/min， 降 低 26.98。 3.3瓦斯含量和抽采半径考察 通过现场井下取样， 进行实验室斯含量分析， 得 到的瓦斯含量对比结果见表 3。测得 2煤层通过水 射流割缝抽采后，相比常规抽采段瓦斯含量降低了 0.48 m3/t。 实测得的 2煤层原始瓦斯含量为 8.53 m3/t， 2 煤的视密度为 1.37 t/m3，有效钻孔长度为 50 m， 抽 采率按 30计算， 可得 Rc≤ Qc LρWπη■ （8） 式中 Qc为一定长度钻孔有效半径范围内煤体 瓦斯储量， m3； ρ 为煤的密度， t/m3； Rc为有效抽采半 径， m； L 为有效钻孔长度， m。η 为抽采率， 无量纲。 可得出预抽 10、 30、 60、 90、 120 d 的有效抽采半 径， 抽采时间与有效抽采半径关系表见表 4。 2煤层钻孔直径 φ94 mm，抽采半径为 3.0 m 时， 抽采时间 84 d。 将观测数据中的抽放时间 t 与抽 放半径 Rc进行分析， 其符合指数关系式。抽采时间 与有效抽采半径关系图如图 7，其曲线拟合公式 Rc0.489t0.487 1。水射流割缝段抽采半径为 3.0 m 时， 图 6试验钻孔与常规钻孔对比 Fig.6Comparison between test drilling and conventional drilling 表 1钻孔施工参数 Table 1Drilling construction parameters 钻孔 编号 开孔 高度 /m 钻孔 倾角 / （ ） 方位 角 / （ ） 2煤底 板岩孔 长度/m 2煤 煤孔 长度/m 过 2 煤岩孔 长度/m 总钻孔 长度/m 钻孔 施工 方式 1-11.93002716245压裂 1-21.93402313238控制 1-31.93802310235控制 1-41.9460246232控制 1-51.94203619257割缝/压裂 1-61.93003115248控制 1-71.93402417243控制 1-81.93802410236控制 1-91.9460157224压裂 1-101.94203317252控制 2-11.93002011233压裂 2-21.93401910231控制 2-31.93802218242控制 2-41.94602210234控制 2-51.94203015247割缝/压裂 2-61.93002317242控制 2-71.93402016238控制 2-81.93802820250控制 2-91.9460119222压裂 2-101.94203011243控制 3-11.92401512229压裂 3-21.93402313238控制 3-31.93802919250控制 3-41.9460258235控制 3-51.94202712241割缝/压裂 3-61.93003511248控制 3-71.93402915246控制 3-81.93802415241控制 3-91.9460146222压裂 3-101.94202518245控制 4-11.93001915236压裂 4-21.9340269237控制 4-31.93802414240控制 4-41.94603511248控制 4-51.94203113246割缝/压裂 4-61.93002015237控制 4-71.93401914235控制 4-81.93802321246控制 4-91.9460126220压裂 4-101.94203015247控制 20 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 抽采时间/d10306090120 抽采半径/m1.52.63.64.45.0 测定地点 原煤瓦 斯含量 / （m3 t-1） 抽采后 瓦斯含量 / （m3 t-1） 瓦斯含量 降低量 / （m3 t-1） 对比效果 降低量 / （m3 t-1） 常规抽采段8.486.412.07 0.48 水射流割缝段8.485.932.55 表 3瓦斯含量对比结果表 Table 3Comparison of gas content 表 2三采西翼回风巷瓦斯涌出量测定表 Table 2Measurement table of gas emission in return air passage 抽采时间为 41 d， 相比常规钻孔抽采时间缩短 43 d。 4结论 1） 实施水射流割缝作业钻孔的瓦斯抽采浓度 21.50～70.10，平均为 50.71；瓦斯抽采流量 0.012～0.052 m3/min， 平均为 0.030 m3/min， 分别为常 规钻孔的 3.6 倍和 2.7 倍；平均瓦斯抽采纯流量是 常规钻孔的 9.7 倍。 2） 在 2煤层中布置的三采西翼回风巷， 水射流 割缝抽采段较常规抽采段，平均风排瓦斯涌出量最 大减少 0.68 m3/min， 降低 26.98。 3） 相比常规抽采段， 2煤层通过水射流割缝钻 孔抽采后， 瓦斯含量降低了 0.48 m3/t。 4） 水射流割缝钻孔段满足有效抽采半径公式 Rc0.489t0.487 1， 在抽采半径为 3.0 m 时， 抽采时间为 41 d， 与常规孔抽采半径相同的前提下， 可以缩短抽 采时间 43 d。 参考文献 ［1］ 刘志伟.低渗煤层水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 2019， 15 （7） 75-80. ［2］ 孙庆刚.中国煤矿瓦斯灾害现状与防治对策研究 ［J］ . 中国煤炭， 2014， 40 （3） 116-119. ［3］ 程远平， 俞启香.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发 展 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2007， 24 （4） 383-390. ［4］ 蓝航， 陈东科， 毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害 防治分析 ［J］ .煤炭科学技术， 2016， 44 （1） 39-46. ［5］ 葛兆龙， 梅绪东， 贾亚杰， 等.水射流割缝钻孔抽采影 响半径研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2014， 31 （4） 657-664. ［6］ 双海清， 王红胜， 李树刚， 等.覆岩采动卸压瓦斯高位 钻孔抽采技术 ［J］ .西安科技大学学报， 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51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 S-W 水力压裂强化增透试验研究 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （7） 1757-1764. ［8］ 吴拥政， 康红普.煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及 试验 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （5） 1130-1137. ［9］ 康红普， 冯彦军.定向水力压裂工作面煤体应力监测 及其演化规律 ［J］ .煤炭学报， 2012， 37 （12） 4-10. ［10］ 卢义玉， 刘勇， 夏彬伟， 等.石门揭煤钻孔布置优化分 析及应用 ［J］ .煤炭学报， 2011， 36 （2） 109-113. ［11］ 卢义玉， 贾亚杰， 葛兆龙， 等.割缝后煤层瓦斯的流- 固耦合模型及应用 ［J］ .中国矿业大学学报， 2014， 43 （1） 23-29. ［12］ 李晓红， 卢义玉， 赵瑜， 等.高压脉冲水射流提高松软 煤层透气性的研究 ［J］ .煤炭学报， 2008， 33 （12） 1386-1390. ［13］ 张英华， 倪文， 尹根成， 等.穿层孔水压爆破法提高煤 层透气性的研究 ［J］ .煤炭学报， 2004， 29 （3） 298. ［14］ 程玉刚， 卢义玉， 葛兆龙， 等.孔隙水压力梯度对煤层 导向压裂控制影响 ［J］ .东北大学学报 （自然科学版） ， 2017， 38 （7） 1043-1048. ［15］ 沈春明， 林柏泉， 吴海进.高压水射流割缝及其对煤 体透气性的影响 ［J］ .煤炭学报， 2011， 36 （12） 2058. ［16］ 林柏泉， 杨威， 吴海进， 等.影响割缝钻孔卸压效果因 素的数值分析 ［J］ .中国矿业大学学报， 2010， 39 （2） 153-157. ［17］ 郝富昌， 支光辉， 孙丽娟.考虑流变特性的抽放钻孔 应力分布和移动变形规律研究 ［J］ .采矿与安全工程 学报， 2013， 30 （3） 449-455. ［18］ 黄飞， 卢义玉， 李树清， 等.水射流冲击速度对砂岩破 坏模式的影响研究 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2016， 35 （11） 2259-2265. ［19］ 王耀锋.三维旋转水射流与水力压裂联作增透技术 研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2015. 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