地应力主导型突出危险煤巷水力扩孔卸压防突技术研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202004019 收稿日期 2019-8-17 基金项目 国家重点研发计划资助项目2017YFC0804209 作者简介 李生舟1988, 男, 湖北荆门人, 硕士, 助理研究员, 主要从事煤矿瓦斯灾害防治的研究工作。 E-mail lszaxxl qq. com。 引用格式 李生舟. 地应力主导型突出危险煤巷水力扩孔卸压防突技术研究 [J]. 煤炭工程, 2020, 524 97-102. 地应力主导型突出危险煤巷水力 扩孔卸压防突技术研究 李生舟1,2 1. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室, 重庆 400037; 2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司, 重庆 400037 摘 要 为了防治桑树坪煤矿松软 3煤层地应力主导型突出灾害, 提出了采用水力扩孔卸压增 透技术进行煤巷条带区域防突的防治措施。 采用理论分析、 FLAC3D数值模拟软件获得了扩孔后煤 体破坏形态、 塑性区范围及应力分布规律, 据此确定水力扩孔合理布孔参数。 并提出以残余瓦斯含 量、 扩出煤屑率作为防突效果的双重评价指标, 从而提出穿层钻孔水力扩孔卸压防突技术, 并进行 了现场应用。 应用表明 扩孔后煤层卸压增透及防突效果显著, 瓦斯流量衰减系数降低 6574, 自然瓦斯涌出量提高 23 倍。 残余瓦斯含量的临界值为 8m3/ t, 煤层正常、 异常区域扩出煤屑率的 临界值分别为 3、 5, 可实现煤巷安全高效掘进。 关键词 地应力主导; 水力扩孔; 松软煤层; 掘进防突; 煤层蠕变 中图分类号 TD455. 9 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202004-0097-06 Pressure relief and outburst prevention technology of hydraulic punching in geostress-oriented coal roadway LI Sheng-zhou1,2 1. State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China; 2. CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China Abstract In order to prevent the geostress-oriented disasters in a soft 3 coal seam of Sangshuping Coal Mine, hydraulic punching pressure relief and anti-reflection technology is proposed to prevent the outburst of the coal lane strip. Theoretical analysis and FLAC3D numerical simulation are used to obtain the failure mode, plastic zone range and stress distribution law of the coal after punching.Based on this, the reasonable hole parameters of hydraulic punching are determined.The double uation index for anti-burst effect is proposed including residual gas content and coal expansion rate, and the hydraulic reaming pressure relief technology of the through-hole drilling is constructed and applied in the field. The application shows that after the hole expansion, the coal seam pressure relief and anti-burst effect are significant, the gas flow attenuation coefficient is reduced by 65 74, and the natural gas emission is increased by 2 3 times.When the critical value of residual gas content is 8m3/ t, the critical value of coal expansion rate in normal and abnormal areas of coal seam is 3 and 5 respectively, the coal roadway is safely and efficiently excavated. Keywords geostress-oriented; hydraulic punching; soft coal seam; outburst prevention in excavation; coal seam creep 煤与瓦斯突出的防治就是基于其发生的主导因 素, 采取针对性的治理措施[1,2]。 上世纪我国煤炭开 采埋深较浅, 煤层中的高瓦斯压力是突出灾害的主 导因素, 采用大面积的预抽煤层瓦斯, 将煤层瓦斯 79 第52卷第4期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 4 万方数据 压力下降至一定程度可以有效消除突出危险。 然而, 随着我国的煤层开采深度增加, 地应力与瓦斯压力 不断增大, 仅依靠传统的大面积的预抽煤层瓦斯无 法有效解决大埋深或者高地应力煤层的煤与瓦斯动 力灾害危险[3-5]。 同时, 随着近年技术装备的发展, 水力扩孔等 卸压增透技术在突出煤层中的应用越来越普遍, 我 国学者对水力扩孔技术做了相关研究。 宝坤等[6]对 扩孔周围煤体的应力场、 位移场分布规律进行研究, 分析了冲煤量对周围煤体应力和位移变化的影响; 任仲久等[7]采用理论分析、 室内电镜测试和现场工 业性验证相结合的方法研究了水力扩孔技术卸压增 透作用; 郝富昌等[8]研究了不同冲煤量钻孔的抽放 半径, 优化了水力扩孔布孔参数; 李鹏等[9]结合本 煤层水力扩孔技术在红岭煤矿的现场应用, 确定了 合理的工艺流程和技术参数, 进行了试验效果考察; 杜昌华等[10]研究了水力扩孔技术对低透松软煤瓦斯 抽采情况的改善效果。 但是, 前述研究主要针对水力扩孔的卸压效果、 抽采半径、 钻孔参数优化等方面, 而对地应力主导 型松软突出煤层的卸压防突和效果评价指标及临界 值的研究还有待进行深入研究。 针对韩城矿区 3煤 层赋存特点及动力灾害主导因素, 采用理论分析、 数值模拟及现场考察手段对水力扩孔的卸压防突效 果及合理的区域措施效果评价指标进行了研究, 提 出了穿层钻孔水力扩孔卸压防突技术, 并进行了成 功应用, 可为类似条件矿井的防突工作提供借鉴。 1 矿井突出特点及防治对策 1. 1 突出特点分析 桑树坪煤矿 4321 工作面开采 3煤层贫瘦煤, 瓦斯含量 811m3/ t, 瓦斯压力 0. 88MPa。 煤层破坏 类型为ⅡⅤ类, 分布无规律, 主体破坏类型Ⅳ类; 厚度变化大, 煤厚 39m, 平均厚度 5. 5m; 局部有 小断层、 褶曲。 从矿区来看, 3煤层破坏类型为Ⅴ 类、 断层附近区域、 煤层厚度急剧变化带是发生突 出灾害的高危险区, 本次试验工作面在韩城矿区具 有代表性。 分别采集了试验区断层构造、 煤厚急剧变化带、 无构造区域的煤样进行实验室分析, 具体结果见表 1。 断层附近和煤厚急剧变化带煤的破坏程度高, 破 坏类型为Ⅳ、 Ⅴ类, 其瓦斯放散初速度 1322, 坚 固性系数 0. 110. 18; 正常区域煤的破坏类型一般 为Ⅲ、 Ⅳ类, 瓦斯放散初速度 8 12, 坚固性系数 0. 240. 36, 测得的煤层突出危险性的指标值相对 更趋于安全。 表 1 煤样瓦斯放散初速度 ΔP 及坚固性系数 f 取样地点 煤的破 坏类型 坚固性 系数 f 放散初 速度 ΔP 构造 4321 运输巷底板巷 1钻场Ⅳ0. 248无 4321 回风巷距切眼 350mⅢ0. 369无 4321 回风巷距上部开口300m 处Ⅲ0. 3312无 4321 运输巷距开口 222. 5m 处Ⅴ0. 1122断层 4321 运输巷掘进面距切眼 50mⅣ0. 1813 煤厚急剧 变化带 从测定的煤层突出危险性指标看, 构造区域煤 层破碎、 松软抵抗突出能力弱, 且瓦斯放散能力更 强, 和矿井历史上突出主要发生在构造区域、 煤厚 剧烈变化区相吻合。 韩城矿区本身水平构造应力发 育, 加之采掘过程中采动应力、 构造应力集中, 预 抽煤层残余瓦斯含量至 67m3/ t 后, 依然发生过以 地应力为主导的动力灾害。 2015 年 7 月 6 日, 桑树 坪煤矿南一采区 3314 下联巷工作面穿层钻孔预抽煤 层残余瓦斯含量至 6. 7m3/ t, 效果检验无异常瓦斯动 力现象, 但掘进过程中依然发生了地应力主导延期 煤体突然压出事故。 1. 2 突出灾害防治对策 我国相关法规已经明确了具有突出危险煤层的 两个 “四位一体” 综合防突措施, 对于无保护层开 采条件的, 顺层或者穿层钻孔预抽煤层瓦斯是最基 本的措施之一, 但是对于韩城片区地应力主导型突 出, 仅依靠预抽瓦斯无法有效的消除突出危险, 还 应采取技术措施卸除煤层中的应力, 采掘过程中减 少应力集中程度, 从而减轻采掘过程中的来压诱发 突出危险, 即从煤层瓦斯和应力两方面防治煤与瓦 斯突出动力灾害。 2 水力扩孔卸压抽采效果考察分析 煤层卸压措施主要有保护层开采、 超高压水力 割缝、 水力扩孔、 水力压裂、 深孔欲裂爆破等, 桑 树坪煤矿煤层松软, 试验区域不具备保护层开采条 件, 考虑到不同技术的特点及适用性, 选择水力扩 89 研究探讨 煤 炭 工 程 2020 年第 4 期 万方数据 孔技术卸压消突。 通过理论分析结合后期现场观测, 分析了水力扩孔钻孔内部破坏形态及卸压机理; 通 过数值模拟分析了水力扩孔钻孔卸压范围, 最后现 场试验水力扩孔卸压增透及防突效果。 2. 1 松软煤层扩孔卸压机理分析 利用高压水射流切割钻孔煤壁, 以扩大钻孔直 径, 增加卸压范围, 扩孔后钻孔孔壁破坏形态总体 可分成两类 ①煤层破坏类型为Ⅲ、 Ⅳ时, 煤体具 有一定抗破坏能力, 表现为垮落堆积, 在顶板区域 形成漏斗状空间, 煤体暴露面积增加, 煤壁集中应 力峰值向孔壁深处转移, 同时形成一定的塑性区, 峰值亦相对降低, 如图 1a所示; ②煤层破坏类型 为 V 类 时, 煤 体 似 土 质 呈 粘 块 状, 具 有 蠕 变 性[11,12], 且煤体抗破坏能力差, 孔壁四周煤体主要 表现为挤压碎胀, 将整个扩孔空间被松散煤体充填, 形成较大范围的松散区, 如图 1b所示, 破碎充填 区范围较垮落充填大, 应力集中峰值位置向煤层更 深部转移, 且应力变化更为平缓[13-15]。 图 1 不同破坏类型软煤扩孔后钻孔内部破坏形态 分析时仅考虑钻孔垂直煤层情况下的孔壁周围 煤体破坏规律, 钻孔一般有一定的倾角, 具有一定 倾角的钻孔影响范围较垂直钻孔大。 从后期煤巷掘 进现场揭露扩孔钻孔内部情况分析, 煤层破坏类型 为 V 类时, 钻孔揭露位置未见明显孔洞, 这是由于 煤体垮落及蠕变致使扩煤空间被充填, 但煤体并未 恢复至原煤状态, 多为松散煤体; 煤层破坏类型为 III、 IV 类时, 煤孔段上部钻孔与顶板相交位置任 然存在空洞, 煤孔段下部被松散煤体充填。 2. 2 扩孔后塑性破坏区及应力分布数值模拟 采用 FLAC3D数值模拟软件模拟了扩孔钻孔终孔 间距6m 三花状布置情况下扩孔钻孔周围塑性破坏区 域的分布形态及煤体卸压情况。 模型长宽为 20m20m, 分为三层 顶层为岩层 高 2. 5m; 中间层为煤层, 高 5. 0m; 底层为岩层, 高 2. 5m。 扩孔钻孔方向垂直于煤层, 模拟煤层埋深 为 560m。 按照煤体扩出煤屑率 3估算, 扩孔钻孔 等效孔径约为 0. 8m, 具体煤岩体力学参数见表 2, 钻孔周围塑性破坏区域的分布形态如图 2 所示, 煤 体第三主应力压应力分布情况如图 3 所示。 表 2 煤岩力学参数表 类别 弹性 模量 / GPa 剪切 模量 / GPa 抗压 强度 / MPa 内摩 擦角 / 黏聚力 / MPa 煤层0. 650. 350. 33260. 39 岩层4. 353. 354. 90435. 15 图 2 扩孔钻孔周边塑性破坏区大小及分布 图 3 煤体最小主应力分布云图 由图 2 可知, 采用水力扩孔措施后, 钻孔周边 塑性破坏区半径约 2. 2m, 终孔间距 6m 的情况下, 两孔中间尚未发生塑性破坏区域宽度仅 1. 6m。 发生 塑性破坏区域裂隙发育, 渗透率增大, 有利于瓦斯 抽采。 截取模型中部垂直剖面, 对比了煤体原始状态、 未扩孔及扩孔后三种状态下, 煤体中的第三主应力 99 2020 年第 4 期 煤 炭 工 程 研究探讨 万方数据 穿层 孔钻 分布如图 3 所示, 钻孔扩孔后, 孔洞周围煤层应力 重新分布, 孔洞附近煤体的应力降低, 形成卸压区, 从图 3 中可以看到, 卸压区域宽度约 3. 2m, 随着应 力向深部转移, 在卸压区之外形成一定范围应力集 中区, 在钻孔间距6m 的情况下, 相邻两个钻孔形成 的应力集中区域未叠加, 避免了煤体中形成过高的 应力集中区域。 实际松软煤体有蠕变性质, 在后期瓦斯抽采过 程中, 随着时间延长孔洞周边煤体会向自由空间变 形, 卸压效果比模拟的效果更好。 2. 3 扩孔后卸压增透效果考察 在 4321 运输巷正下方约 20m 的底板中布置一条 底板瓦斯抽采巷, 每间隔 50m 布置一个钻场。 基于 前述理论分析和数值模拟研究, 在钻场中施工终孔 间距 6m6m 三花布置上向穿层水力扩孔钻孔对煤巷 条带进行卸压和抽采, 底板巷及穿层钻孔布置方式 如图 4 所示。 图 4 底板巷穿层水力扩孔钻孔布置示意图 在试验初期分别试验对比了普通穿层钻孔和穿 层扩孔钻孔抽采效果差异, 对两种钻孔初始瓦斯涌 出量及钻孔流量衰减系数进行测定, 钻孔瓦斯涌出 速度及衰减系数对比结果如图 5 所示。 3煤层普通穿层钻孔瓦斯流量衰减系数为 0. 05300. 0740d -1 , 属于较难抽采煤层, 扩孔钻孔 瓦斯流量衰减系数为 0. 01400. 0260d -1 , 卸压增透 后煤层变为可以抽采煤层, 瓦斯流量衰减系数降低 65 74; 普通穿层钻孔自然瓦斯涌出流量为 6. 818211. 5000L/ min, 采用水力扩孔措施后提高 至 17. 307723. 2143L/ min, 钻孔自然瓦斯涌出量提 高 23 倍, 煤层的可抽性得到明显改善。 2. 4 水力扩孔措施瓦斯抽采效果考察 以 1214钻场穿层钻孔控制区域的评价单元 为例, 瓦斯抽采监测曲线如图 6 所示, 瓦斯抽采浓 图 5 钻孔瓦斯涌出速度及衰减系数对比图 度平均 24, 单孔平均抽采流量 0. 033m3/ min; 而 矿井普通穿层钻孔预抽浓度一般仅 10左右, 单孔 平均抽采流量平均 0. 020m3/ min, 因此采用水射流 扩孔后的瓦斯抽采浓度及抽采量都显著提高。 通过水力扩孔排出大量煤屑, 增大了煤层内部 自由空间, 卸除煤层中的部分应力, 降低了突出的 煤体弹性能, 增透作用进一步提高瓦斯抽采效果, 对控制桑树坪煤矿松软 3煤层地应力主导型突出效 果显著。 图 6 扩孔钻孔预抽煤层瓦斯监测数据曲线 3 水力扩孔卸压防突效果评价 桑树坪煤矿 3煤层为地应力主导型突出, 区域 措施效果评价单纯采用残余瓦斯含量作为评价指标 难以真实评价区域突出危险性, 因此效果检验指标 即要反映煤层瓦斯抽采情况又要反映煤层应力卸除 效果。 结合水力扩孔技术的特点, 区域措施效果评 价采用扩出煤屑率即扩出煤屑量在措施控制区域煤 体总量所占比例结合残余瓦斯含量的方法。 4321 工作面运输巷采用水力扩孔技术措施进行 001 研究探讨 煤 炭 工 程 2020 年第 4 期 万方数据 区域消突, 要求每个钻场扩出煤屑率不低于 3, 残 余瓦斯含量降低至 8m3/ t 以下。 现场 731钻场控 制区域统计实际扩出煤屑率在 3. 2 6. 4, 区域 措施效果检验实测煤层残余瓦斯含量 5. 787. 12m3/ t, 各个评价单元扩出煤屑率、 残余瓦斯含量结果及 构造情况如图 7 所示。 邻近 4321 工作面的 4317 工作面在无保护层开 采情况下, 采用顺层钻孔预抽煤巷条带进行区域防 突, 在效检残余瓦斯含量小于 8m3/ t 的情况下, 依 然多次发生异常瓦斯动力现象, 月进尺仅 2030m, 且难以确保安全掘进。 桑树坪煤矿采用钻屑瓦斯解吸指标法进行工作面 预测。 钻屑量 S 的临界值 6kg/ m, 钻屑瓦斯解吸指标 Δh2的临界值 200Pa。 4321 运输巷各评价单元在扩出 煤屑率介于 35时, 掘进过程中未出现过异常瓦 斯动力现象, 仅在 16和 23钻场钻孔控制区域, 由于 遇到断层构造, 在断层构造附近出现过表征地应力大 小的钻屑量 S 指标超限现象。 当评价单元内整体扩出 煤屑率大于 5时, 15、 19及 2425钻场钻孔控制 区域内虽然掘进也遇到了断层构造、 煤厚变化剧烈区 域, 但未发生过区域验证指标超限现象, 掘进区域验 证指标测定数据分布如图 8 所示。 图 7 扩出煤屑率及残余瓦斯含量测定结果图 图 8 掘进区域验证指标测定数据分布图 在以后的水力扩孔卸压抽采煤巷条带瓦斯技术 推广应用时, 可以根据探查的煤层及构造分布情况, 提前对煤巷条带划分正、 异常赋存区域, 正常赋存 条件区域扩出煤屑率不低于 3, 异常赋存条件区域 扩出煤屑率不低于 5。 4321 运输巷的现场应用情况表明, 高压水射流 水力扩孔技术措施可解决桑树坪煤矿地应力主导型 松软突出厚煤层煤巷掘进防突问题, 能够实现安全 高效掘进, 同时由于采取区域强化卸压抽采措施, 相对普通穿层钻孔而言, 可减少钻孔工程量, 降低 成本。 4 结 论 1 采用底板巷穿层钻孔结合水力扩孔技术, 能 够降低煤层应力, 增大内部暴露面积, 可有效的增 加松软突出厚煤层煤层的透气性, 提高抽采效果, 有效防治地应力主导型突出灾害。 2 对于桑树坪煤矿3煤层地应力主导型突出危 险灾害, 采用扩出煤屑率结合残余瓦斯含量的区域 措施效果评价方法更适应煤层瓦斯灾害特点。 3 煤层赋存条件不同, 效果评价指标临界值不 同。 残余瓦斯含量的临界值为 8m3/ t, 煤层正常、 异 常赋存区域扩出煤屑率的临界值分别为 3、 5, 101 2020 年第 4 期 煤 炭 工 程 研究探讨 万方数据 可实现煤巷安全高效掘进。 参考文献 [1] 周世宁, 林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术 [M]. 北京 科学出版社, 2007. 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