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第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 张永将，黄振飞， 季 飞基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术煤炭科学技术，， （） ， ， ，，（） 基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术 张永将，，黄振飞，， 季 飞， （中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 ；瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 ） 摘 要随着煤矿开采逐渐向深部延深，高强度开采瓦斯涌出量大，煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相互 耦合态势。 针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题，基于高压水射流割缝卸 压原理，提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。 通过理论分析与数值模拟 方法，分析了超高压水射流割缝破煤机制，研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重 影响。 研究结果表明高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性，减弱了煤体对上覆岩层支承能 力，能有效地缓解割缝区域内应力集中；钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式，由径向流 动改变为径向、轴向复合流动，使煤层瓦斯含量、压力迅速降低，超高压水力割缝技术通过应力卸压及 瓦斯抽采 个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。 经在胡家河矿现场试验，割缝区域内平均 微震事件能量下降 、单位进尺微震能量降低 ，采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下 降 ，瓦斯抽采量提高 倍，表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压，有效 解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险，为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。 关键词煤岩与瓦斯动力灾害；水力割缝；应力卸压；瓦斯压力 中图分类号 文献标志码 文章编号（） ，， ，， ， （ ， ，； ， ，，） 收稿日期；责任编辑曾康生 基金项目中煤科工集团重庆研究院有限公司一般资助项目（，） 作者简介张永将（），男， 安徽宿州人，研究员，博士，中国煤炭科工集团三级首席科学家。 ， ， ， ， ， ， ， ， ； ， ， ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 ， ； ； ； 引 言 高地应力、高瓦斯压力环境下，煤矿瓦斯灾害与 冲击地压灾害日益凸显。 针对冲击地压问题，国内 外学者进行大量研究，先后提出强度理论、刚度 理论和能量理论从不同角度揭示冲击地压发 生机制。 窦林名等提出动静载叠加防冲技术，通 过消除应力集中并释放采掘空间积聚的弹性应变能 实现冲击地压的有效防治。 章梦涛等、陆菜平 等提出强度弱化减冲理论，提出通过技术手段降低 顶底板及煤层强度，弱化煤岩冲击倾向性。 齐庆新 等通过试验分析煤岩体摩擦滑动性及其滑动稳 定性，提出冲击地压是煤岩体结构摩擦滑动失稳的 表现形式，由摩擦突变导致。 针对瓦斯灾害问题我国采取“先抽后采”的基 本原则，理论分析及现场实践均表明保护层开采 是最有效瓦斯治理手段，保护层开采后被保护 层顶底板岩层产生变形卸压，伴随生成的大量裂隙 使被保护层瓦斯抽采效率大幅提高。 在不具备 保护层开采条件地区，区域或局部增透手段也被广 泛研究及推广应用。 在射流冲击及地应力影响下煤 体内部形成大量裂纹，水力割缝技术将高压管路 内压力势能转化为动能，水力压裂技术利用液体 压力在煤层中形成人工裂缝增加煤层渗透率， 深孔聚能爆破产生的爆炸应力波在孔壁生成大量径 向及环向裂隙，相互交织形成裂隙网络增加煤层渗 透率。 新裂纹的形成及次生裂纹的导通使煤层 渗透率得到增加。 上述技术手段均取得一定 效果。 随着开采深度逐渐增加，煤岩动力现象及瓦斯 灾害更趋复杂、致灾共性化，不能用传统煤与瓦斯突 出机理或冲击地压理论进行解释，逐渐呈现相互耦 合态势，相应煤岩与瓦斯动力灾害防治亟需采取采 掘空间地应力及煤层瓦斯压力双重卸压手段进行综 合治理。 针对复合型灾害特点，姜福兴等将灾害发生 前兆进行划分并确定临场预警、中期预警以及远期 预警并构建相应监测指标。 袁亮等提出典型动 力灾害风险判识、监控预警理念以及相应关键技术。 窦林名等建立冲击破坏多参量预警模型，将冲击 危险划分为“无、弱、中等与强” 个等级。 技术层 面，水力割缝技术最早应用于强化煤层瓦斯抽采，其 技术原理为使煤层局部卸压进而增加煤层渗透率。 随着技术进步，射流压力 的水射流割缝设 备能够实现对坚硬煤层的有效切割，超高压水力 割缝由于其技术原理因而被引入复合型灾害防治。 杨增强等提出射流割缝卸压的强弱强治灾机制， 基于煤体强度弱化减冲理论认为射流割缝在煤体内 形成的弱结构区是防止灾害发生关键因素。 张啸 等分析了割缝卸压半径，通过实验室试验了不同 射流参数切割效果；李超等、池明波通过现场 考察，分析割缝煤层的电磁辐射、围岩应力及微震监 测数据，认为割缝使煤层应力重新分布，高应力区向 深部煤岩体转移，毛瑞彪等、尹亮亮通过数 值模拟试验得出切割缝槽改变割缝区域内煤体的应 力状态，相邻未割缝区域应力升高而割缝区域产生 卸压效应。 笔者提出应用超高压水力割缝技术防治煤岩与 瓦斯动力灾害，首先介绍超高压水力割缝技术原理 及割缝装备，然后分析割缝煤体双重卸压特征，最后 在胡家河煤矿进行超高压水力割缝卸压技术现场 应用。 超高压水射流割缝双重卸压机制 超高压水射流割缝技术 技术原理 超高压水射流出口速度较高，射流自割缝器喷 出后有效靶距内自身惯性远大于空气阻力及重力， 因此各截面内射流动量通量守恒为 （） 式中 为水的密度； 为截面法向矢量； 为射流速 度向量； 为截面面积。 根据大量试验数据，射流速度分布存在自模拟 性，即不同断面内无量纲轴向速度分布规律相 同。 即 （） 式中 为射流速度， ；为轴心速度， ； 为 无量纲径向坐标。 水射流半径同射流喷射距离线性相关，因此可 得出射流的轴向速度分布式为 （） 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 张永将等基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术 年第 期 式中为压力，；为喷嘴直径，； 为喷距， ； 为径向与轴心距离，。 由冲量定理，高压射流对煤体的持续冲击力同 煤体的流量、速度相关，射流冲击范围内煤体表面任 一点受到的射流冲击力为 （） 式中为射流冲击压力，； 为射流流量， 。 射流冲击除在表面产生冲击压力以外，由于煤 体内部的裂隙、孔隙等微观结构，射流同时在内部产 生孔隙压力。 即得 （） 式中 为射流冲击下的煤体孔隙压力，；为 初始孔隙压力，； 为射流冲击下的煤体孔隙体 积，；为初始孔隙体积，。 在射流的持续冲击下，煤体裂纹尖端在射流冲 击、孔隙压力作用下产生拉伸破坏，煤体原有裂纹继 续扩展从而使小块煤体从表面整体脱离。 裂纹继续 扩展所需要的最小应力为 （） （） 式中为煤体微裂纹扩展监界应力，；为微 裂纹半径，；为煤体断裂因子。 高压水射流持续冲击下，煤体由于冲击力与孔 隙压力不断从基体中剥蚀，当射流速度衰减至煤体 强度以下时达到最大切割深度，此时冲击力与孔隙 压力不足以使煤体继续剥离，射流切割效果如图 所示。 图 高压射流割缝效果示意 煤层超高压水力割缝装置 超高压水力割缝装置由浅螺旋钻杆、超高压旋 转水尾、高压清水泵、远程操作台、高低压转换割缝 器、超高压软管、金刚石复合片钻头等组成。 割缝装 置具备钻割一体化功能，实现 超高压水力 割缝，能够在坚硬煤体内部切割 缝槽，有 效弱化煤体整体结构、消除局部煤岩体应力集中、增 加煤层渗透率，成套设备如图 所示。 图 超高压水力割缝装置 煤体割缝对地应力卸压原理 采掘空间形成后随着工作面不断推进，采煤工 作面前方产生应力集中，此时工作面近场载荷包括采 动压力产生应力载荷以及煤层瓦斯压力，如图 所示。 图 采煤工作面载荷分布 为消除采掘工作面前方的应力集中现象，可采 用超高压水力割缝技术切割破坏煤岩的完整性，当 大量煤体被射流切割并运移出煤层后，煤层顶板部 分失去支承压力，在矿压作用下产生沉降，此时工作 面受力状态为支架支撑压力 、割缝区支承压力 、以及原始煤岩支承压力 ，如图 所示。 图 割缝区域煤体受力模型 在采煤工作面超前压力前方提前采取割缝卸压 措施，割缝后由于射流冲击大量煤体被切割剥离，顶 板此时沉降量为 ，假设工作面综采支架支撑高度 不变，且忽略未割缝煤体在顶板压力下垂直方向上 微小变形，此时约束条件为 ， ， （） 式中为工作面顶板下沉量，；为未扰动 区域顶板下沉量，；为割缝区域顶板下沉量， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 ；为未扰动区顶板转角，（）。 由上述约束条件，在工作面综采支架、割缝卸压 区、煤体支承区形成的系统中，可得 （） 式中为综采支架支撑力，；为割缝区域煤体 支承压力，；为未割缝区域煤体支承压力，； 为未割缝区域直接顶转矩，； 为割缝区域长 度，； 为顶板压力，； 为直接顶刚度，； 为 钻孔割缝段长度，； 为直接顶高度，。 因此可得出割缝措施后顶板沉降高度 同割 缝区域煤体支承压力 对应关系为 （） 由式（），实施割缝后由于割缝区域沉降，上 覆岩层压力转为主要由未被割缝破坏区域的煤体承 担，并且割缝卸压区沉降高度越大，割缝区域煤体支 承压力越低。 因此超高压水力割缝技术能有效使超 前压力区煤体应力卸压，改善煤体应力状态。 煤体割缝对瓦斯压力卸压原理 高压射流切割煤体同时改变钻孔瓦斯抽采模 式，为瓦斯提供新的渗流路径。 未割缝时，解吸瓦斯 由煤层向钻孔内运移，未割缝钻孔瓦斯抽采符合径 向流动模式，瓦斯抽采流量为 （） 式中为未割缝钻孔单位长度瓦斯涌出量， ； 为钻孔半径，；为煤层半厚度，；为煤层瓦 斯压力，；为钻孔抽采负压，；为未割缝 煤层透气性系数， （）。 钻孔割缝形成新的自由面，使解吸瓦斯既可以 沿钻孔径向流动也可以沿轴向向缝槽内流动，产生 径向流动及轴向流动 种模式，如图 所示。 此时 割缝钻孔瓦斯抽采流量为 （） 式中为割缝钻孔单位长度瓦斯涌出量， ； 为割缝煤层透气性系数， （）；为相邻 缝槽间距，； 为割缝半径，。 图 割缝钻孔瓦斯流动模式 被切割煤体在上覆岩层压力下产生弹塑性变 形，煤层地应力得到释放，煤体渗透率因而同步大幅 增加。 当游离瓦斯不断抽出，煤体原有吸附解吸 平衡被打破，随着瓦斯含量迅速减小，煤层瓦斯压力 大幅降低，在煤岩与瓦斯动力灾害危险区域执行割 缝措施，能有效实现瓦斯压力快速卸压。 煤岩与瓦斯动力灾害致灾动力来源包括由超前压 力、采动压力形成的应力载荷 以及煤层内游离瓦斯 形成的瓦斯压力 。 根据理论分析，复合型灾害发生 临界条件为上述合力超过与临界压力 ， ， （） 式中为煤岩体承受的应力；为煤层瓦斯压力； ，为复合灾害发生临界应力。 超高压水力割缝技术在钻孔附近切割缝槽，一 方面破坏煤体的完整性并削弱煤体的强度，缝槽附 近煤体向着缝槽空间内产生蠕变现象，使得煤体原 始积聚的压力势能转化为弹塑性变形，从而缓解采 掘空间附近的应力集中现象，降低煤层的应力载荷。 图 复合型灾害发生机制 另一方面切割缝槽形成瓦斯运移通道，改善钻 孔瓦斯抽采模式，煤体变形卸压增加煤层渗透率，煤 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 张永将等基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术 年第 期 层瓦斯的快速抽采打破原有吸附平衡，迅速降低煤 层的瓦斯压力，从地应力及瓦斯压力两个方面实现 煤层双重卸压，从而实现对煤岩与瓦斯动力灾害的 有效防治，如图 所示。 图 复合型灾害治理效果示意 割缝卸压效应的分析 割缝煤层内应力卸压效果的模拟 通过受力分析初步得出，超高压水力割缝技术 能实现煤层内卸压，利用 软件对采煤工作面 在射流割缝后应力演化过程进一步分析。 割缝煤体应力卸压模型 割缝钻孔围岩应力场模拟采用 模型，模型网格从上到下为顶板岩层、煤层和底板岩 层，模型尺寸 ，网格数量 。 参数质量分数 、体积模量 、剪 切模量 、黏聚力 、内摩擦角 、 抗拉强度 、最大主应力 。 图 采面割缝模型 割缝煤体应力卸压特征 割缝后煤体内最大主应力、塑性区分布如图 图 ，射流切割形成缝槽破坏煤体内部应力平 衡，产生局部卸压现象，缝槽附近产生一定程度的拉 伸应力区，近缝槽处以拉伸破坏为主，远离缝槽处以 剪切破坏为主，上覆岩层的压力势能以弹塑性应变 的形式得到释放，从而改善工作面煤层的应力环境， 降低煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。 图 割缝煤体最大主应力云图 图 割缝煤体最大主应力 模拟完成后提取割缝煤体最大主应力分析，当割 缝间距为 时，割缝影响范围内最大主应力降低 至 ，并且割缝后应力卸压范围及塑性破坏区相互贯 通，但是增加割缝措施执行期间埋钻风险，同时易导 致钻孔后期塌孔。 当割缝间距为 时，煤体塑性 破坏区面积有所减小利于钻孔维护，同时割缝影响范 围内最大主应力降低至 ，煤体卸压率 。 当割缝间距为 时，相邻切割缝槽间存在未充分 卸压区域，因从应力角度割缝间距应为 。 图 割缝煤体塑性区分布云图 割缝后瓦斯压力卸压的模拟分析 割缝煤体瓦斯渗流模型 基于双重孔隙介质假设建立气固耦合模型， 模型尺寸 ，基质孔隙率 、裂隙 孔隙率 、极限吸附体变形量 、绝对渗透率 、煤基质弹性模量 、煤骨架体积 模量 。 钻孔位于中心，割缝宽度 。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 割缝煤体瓦斯压力卸压特征 钻孔割缝后煤层瓦斯流动模式发生明显变化， 由割缝前径向流动转变为向钻孔的径向流动以及向 缝槽的水平流动结合的复合流动如图 所示。 图 割缝钻孔瓦斯流动方向 割缝钻孔附近煤体瓦斯压力迅速降低，割缝影 响范围以外，钻孔抽采对瓦斯压力下降幅度影响明 显衰减。 同应力卸压特征类似，切割缝槽间煤体瓦 斯压力卸压速度最快，随着切割缝槽间距增大，煤体 瓦斯压力逐渐增加。 不同割缝间距下瓦斯压力分布如图 所示，割 缝间距为 时，割缝钻孔抽采 后煤层瓦斯 压力大部分降低至 ，割缝间距 时，部分 卸压区域重合；割缝间距 时存在未充分卸压区 域，因此由瓦斯治理角度考虑，煤层超高压水力割缝 间距应为 。 图 不同割缝间距钻孔抽采 瓦斯压力云图 水力化防治措施现场应用 试验地点概况 水力割缝卸压试验地点为胡家河煤矿 综采工作面，煤层平均厚度 。 煤层底板埋深 ，密度为 ，普氏系数 。 试验煤层动态破坏时间 、冲击能量指数 、弹性能指数 、单轴抗压强度 ，工 作面冲击地压危险性评估具有动力灾害发生危险。 工作面采用综合机械化放顶煤开采，开采高度 ，放顶高度 ，日产量 ，煤层瓦斯 压力 ，瓦斯含量平均 ，瓦斯流量 衰减系数 ，开采瓦斯涌出量按式（）计 算。 即 （） 式中为工作面相对瓦斯涌出量， ；为围岩 瓦斯涌出系数；为丢煤瓦斯涌出系数；为准备巷 道预排影响系数；为分层开采瓦斯涌出系数；为 煤层原始瓦斯含量， ；为残存瓦斯含量， 。 由式（） 计算得工作面相对瓦斯涌出量为 ，绝对瓦斯涌出量为 ，因此依 靠通风措施无法解决综采工作面高强度开采时的瓦 斯治理问题。 割缝区域地应力卸压试验 割缝卸压试验设计 ）试验钻孔设计。 超前工作面 地 质条件稳定区域作为试验地点，在巷道两帮分别向 采煤工作面方向及煤柱方向施工超前卸压钻孔。 钻 孔深度 、倾角 、孔间距 ，回采侧、煤柱侧 各布置 个割缝卸压钻孔，如图 所示。 图 割缝卸压试验钻孔示意 ）割缝工艺。 试验钻孔割缝间距 ，由孔底 开始切割，至孔口距离 位置，割缝压力 、割缝时间 。 区域监测系统布置 工作面采用微震、地音监测系统进行割 缝卸压措施效果评价，微震系统布置 个微震探头 和 个拾震器，地音系统布置 个地音探头，传感器 安设位置如图 所示。 割缝卸压试验微震考察 ）考察指标。 采煤工作面采用综合机械 化放顶煤开采，回采过程中顶板活动剧烈，因此通过 对比割缝前后能量为 以上微震事件以考察割 缝卸压对综采放顶煤工作面超前支护段卸压效果。 ）效果考察。 根据试验期间微震系统监测数 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 张永将等基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术 年第 期 图 监测传感器安装位置 据，试验对比区域平均微震事件能量 、单位 进尺微震事件能量 ；割缝措施执行区域平 均微 震 事 件 能 量 ， 单 位 进 尺 微 震 能 量 ，分别下降 、，如图 所示。 图 割缝卸压效果的微震评估 地音系统监测数据考察 ）考察指标。 综放工作面割缝卸压试验效果 地音数据考察采用趋势评估法，通过归一化处理 评估采掘空间危险状态，采掘工作面危险程度 为 ， （） （） 式中 为偏差持续小时数； 为地音能量偏 差值。 ）效果考察。 通过考察试验区域以及对比区 域地音数据，由地音趋势法评估工作面需采取措施 次数、存在危险次数均得到显著降低，地音趋势法评 估矿压显现强烈次数下降 、存在危险次数下降 ，如图 所示。 图 割缝卸压效果的地音评估 割缝区域瓦斯治理效果 试验钻孔设计 试验钻孔设计 组、每组 个，孔间距 ，组 间距 ，孔深 、倾角 。 一组执行割缝 措施，由孔底每 切割一刀，至距煤壁 ，对比 组不割缝。 割缝钻孔外 间距施工 个测量钻 孔，用于测量割缝后 、 时的煤层瓦斯压力，测 压钻孔长度 、倾角 ，如图 所示。 图 割缝增透试验钻孔示意 割缝抽采效果 ）瓦斯抽采。 割缝钻孔及对比钻孔单孔平均 瓦斯抽采纯量累计如图 所示。 采用超高压水力 割缝钻孔组、常规非割缝钻孔组单孔瓦斯抽采量分 图 割缝孔及对比孔瓦斯抽采纯量 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 别为 、 ，割缝钻孔单孔平均抽采量提 升为常规非割缝钻孔单孔抽采量的 倍。 ）瓦斯压力。 试验前测量区域内原始瓦斯压 力 ，割缝抽采 后测量试验区域内瓦斯 压力 ，割缝 后测量试验区域内瓦斯压 力读数 。 ）瓦斯含量。 试验前割缝区域内原始瓦斯含量 ，割缝 后实测瓦斯含量 ，且工作 面试验区域回采过程中未发生瓦斯超限现象。 结 论 ）通过材料力学理论建立了割缝区域煤体受 力模型，获得顶板沉降高度与煤体支承压力对应关 系，工作面超前应力集中区向深部转移；割缝后煤体 产生弹塑性变形，渗透率提高，呈现出径向轴向复 合流动规律，煤层瓦斯含量、瓦斯压力快速降低；水 力割缝可实现煤层应力、瓦斯双重卸压，降低煤岩动 力灾害发生风险。 ）利用 、 软件模拟了割缝缝槽 间距 、、 时应力、瓦斯压力双重卸压效应，缝槽 合理间距为 ，最大主应力降低至 、煤体 塑性区面积较小利于钻孔维护，抽采 后缝槽间 煤体瓦斯压力降至 以下。 ）胡家河矿 工作面应用水力割缝技术后 试验区平均微震事件能量下降 、单位进尺微震能 量降低 ，采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次 数下降 ，瓦斯抽采量提高 倍；应用表明割缝 卸压技术能有效治理工作面煤岩与瓦斯动力灾害，丰 富了深部煤矿高强度开采灾害治理技术手段。 参考文献（） 齐庆新，窦林名 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