煤巷穿层钻孔割缝组合强化增透技术的应用.pdf

第 ４２ 卷第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ５ ２０１４ 年５ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ ２０１４ 煤巷穿层钻孔割缝组合强化增透技术的应用 张 震１ꎬ２ꎬ林柏泉１ꎬ２ꎬ邹全乐１ꎬ２ １􀆱 中国矿业大学 安全工程学院ꎬ江苏 徐州 ２２１００８ꎻ２􀆱 煤炭资源与安全开采国家重点实验室ꎬ江苏 徐州 ２２１００８ 摘 要针对普通穿层钻孔条带布置掩护煤巷掘进增透效果差、卸压不充分的问题ꎬ提出了穿层钻孔 割缝组合强化增透技术ꎬ研究了其增透机制ꎬ并进行了现场应用ꎮ 研究结果表明ꎬ穿层割缝钻孔和普 通穿层钻孔的卸压带相互贯通形成整体卸压ꎬ显著降低控制区域内煤体应力ꎬ强化增透效果更为明 显ꎮ 现场试验结果表明ꎬ采用该技术措施后ꎬ抽采平均纯瓦斯流量提高了 ３􀆱 ４２ 倍ꎬ瓦斯涌出初速度平 均降低了 ２７􀆱 ０％、钻屑量平均降低了 ３􀆱 ２％ꎬ未出现超标现象ꎬ达到了消突的目的ꎮ 关键词割缝ꎻ穿层钻孔ꎻ瓦斯预抽ꎻ增透ꎻ消突 中图分类号ＴＤ７１３ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０５－００５１－０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｌｏｔｔｉｎｇ Ｃｒｏｓｓ Ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｃｒｏｓｓ Ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｄｒｉｆｔ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎ１ꎬ２ꎬＬＩＮ Ｂａｉ￣ｑｕａｎ１ꎬ２ꎬＺＯＵ Ｑｕａｎ￣ｌｅ１ꎬ２ １.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ ２２１００８ꎬＣｈｉｎａꎻ ２.Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ ＭｉｎｉｎｇꎬＸｕｚｈｏｕ ２２１００８ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ａ ｐｏｏｒ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏａｌ ｄｒｉｆｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃｒｏｓｓ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒｉｐ ｌａｙｏｕｔꎬｔｈｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｌｏｔｔｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃｒｏｓｓ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ.Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｓｉｔｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣ ｇｙ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ.Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ ｚｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｔｔｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃｒｏｓｓ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｍｕｔｕａｌｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｈａｖｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｉｎｇꎬａｎｄ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ.Ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｔｒｉａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｐｐｌｉｅｄꎬｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｐｕｒｅ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ３􀆱 ４２ ｔｉｍｅｓꎬｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ２７􀆱 ０％ꎬｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｃｕｔｔｉｎｇｓ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ３􀆱 ２％ꎬｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｎｏ ｏｖｅｒｌｉｍｉｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｗａｓ ｒｅａｃｈｅｄ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｌｏｔｔｉｎｇꎻｃｒｏｓｓ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅꎻｇａｓ ｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅꎻｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔꎻｏｕｔｂｕｒｓｔ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ 收稿日期２０１４－０２－２５ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０５.０１４ 基金项目国家重点基础研究发展计划９７３ 计划资助项目２０１１ＣＢ２０１２０５ꎻ“十二五”国家科技支撑计划课题资助项目２０１２ＢＡＫ０４Ｂ０７ꎻ国家 自然科学基金资助项目５１０７４１６１ 作者简介张 震１９８８ꎬ男ꎬ山东滕州人ꎬ硕士研究生ꎮ Ｔｅｌ１５１６２１２０３２３ꎬＥ－ｍａｉｌｃｕｍｔ＿ｚｈａｎｇｚｈｅｎ＠ １２６􀆱 ｃｏｍ 引用格式张 震ꎬ林柏泉ꎬ邹全乐.煤巷穿层钻孔割缝组合强化增透技术的应用[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２５５１－５４. ＺＨＡＮＧ ＺｈｅｎꎬＬＩＮ Ｂａｉ￣ｑｕａｎꎬＺＯＵ Ｑｕａｎ￣ｌｅ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｌｏｔｔｉｎｇ Ｃｒｏｓｓ Ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｃｒｏｓｓ Ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｄｒｉｆｔ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２５５１－５４. ０ 引 言 我国绝大多数煤层属于高瓦斯低透气性煤层ꎬ 瓦斯抽采量小、抽采率很低ꎬ而且随着煤层开采深度 的增加ꎬ地应力增大ꎬ煤层渗透率随之减小ꎬ煤层的 瓦斯抽采更趋困难[１－２]ꎮ 煤层渗透率平均只有 １􀆱 １９７ ４ １０－１８１􀆱 １５９ ６ １０－１４ｍ２ꎮ 煤层透气性低 导致我国高瓦斯突出矿井煤层钻孔影响范围有限ꎬ 卸压程度不高ꎬ瓦斯抽采效果普遍较差ꎬ消突周期 长ꎬ严重影响采掘接替[３－５]ꎬ因此ꎬ必须采取增透措 施来提高煤层的透气性ꎬ对于单一煤层常需要采用 层内强化增透措施ꎮ 水力割缝技术是高瓦斯低透气 性单一煤层卸压增透、防治突出的有效措施之 一[６－８]ꎮ 但全部布置穿层割缝钻孔的钻孔设计通常 会出现由于高压射流的扰动而强喷孔的现象[９]ꎬ而 普通穿层钻孔和穿层割缝钻孔组合布置的钻孔设计 能充分实现普通穿层钻孔的预先卸压和穿层割缝钻 孔的强化激励作用ꎬ因此ꎬ穿层钻孔割缝组合强化增 １５ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 透技术得到了广泛应用ꎮ 笔者对普通穿层钻孔与穿 层割缝钻孔组合布置增透机制进行了探讨ꎬ并将其 应用于煤巷条带消突的实践中ꎮ １ 穿层钻孔割缝组合强化增透机制分析 １􀆱 １ 穿层穿层割缝钻孔卸压增透机理 钻孔开挖后ꎬ钻孔附近的煤体应力重新分布ꎬ出 现明显的应力集中现象ꎬ形成应力集中环ꎮ 当应力 集中达到一定程度时ꎬ会严重阻碍瓦斯向钻孔渗透ꎬ 形成“瓶颈效应” [１０－１２]ꎬ直接降低了瓦斯抽采效果ꎮ 穿层水力割缝技术是利用高压射流冲击破坏孔 内煤体ꎬ打破钻孔的“瓶塞效应”ꎬ通过水力割缝释 放煤层的有效应力ꎬ使部分煤层在割缝后发生垮落ꎬ 应力重新分布ꎬ煤层内的裂缝和裂隙的数量、长度和 张开度均得到增加ꎬ增大了煤层内裂缝、裂隙和孔隙 的连通面积ꎬ从而增大了低渗透煤层的渗透性ꎬ起到 了很好的卸压增透效果ꎬ从而提高了瓦斯抽采效果ꎮ １􀆱 ２ 穿层钻孔割缝组合强化增透机制 穿层穿层割缝钻孔能明显改善钻孔周围的应力 分布ꎬ增加单孔的影响范围ꎮ 但是单个穿层穿层割 缝钻孔周围仍然存在应力集中ꎬ而且会出现全部穿 层穿层割缝钻孔布置时的强喷孔现象ꎬ需要通过多 个钻孔协同卸压ꎬ以在确保安全的前提下ꎬ实现区域 整体卸压ꎮ 因此ꎬ可以选择穿层割缝钻孔与普通穿 层钻孔的组合布置实现煤层的安全高效卸压ꎮ 为了研究穿层割缝钻孔与普通穿层钻孔组合布 置对煤体周围应力分布的影响ꎬ运用 ＦＬＡＣ３Ｄ建立组 合布置卸压数值模型进行数值分析ꎮ 模型采用的煤 层物理力学特性参数均取自试验矿井ꎬ密度 １ ４５０ ｋｇ/ ｍ３ꎬ体积模量和剪切模量分别为 ２􀆱 ０８、０􀆱 ９７ ＧＰａꎬ内摩擦角 ２５ꎬ黏聚力 １􀆱 ７２ ＭＰａꎬ剪胀角 １０ꎬ 抗拉强度 ０􀆱 ５ ＭＰａꎮ 模型尺寸为 ２０ ｍ１６ ｍ２０ ｍꎮ 设定 Ｘ 为竖直方向ꎬＺ 为水平方向ꎮ 先开挖普通穿 层钻孔ꎬ再在预设位置开挖割缝钻孔ꎬ形成互相交叉 的钻孔割缝方式ꎮ 模型边界条件上部采用面载荷 图 １ 穿层割缝钻孔组合布置截面应力分布 １５ ＭＰａꎬ其余采用滚支边界ꎮ 图 １ 反映了穿层割缝 钻孔与普通穿层钻孔组合布置时的煤体内部应力分 布情况ꎮ 从图 １ 可以看出ꎬ在 Ｚ 方向及 Ｘ 方向上ꎬ 通过穿层钻孔割缝组合布置ꎬ穿层割缝钻孔与普通 穿层钻孔之间互相影响ꎬ整个控制区域内应力明显 降低ꎬ卸压带互相贯通ꎬ卸压范围和卸压程度都远大 于单一割缝孔ꎮ 图 ２ 反映了煤样在加卸载时ꎬ有效应力与渗透 率的关系[１３－１５]ꎮ 从图 ２ 可以看出ꎬ煤层渗透率对有 效应力具有较强的敏感性ꎮ 当煤体孔隙压力不变 时ꎬ随着承载压应力的降低ꎬ煤体渗透率先缓慢增 加ꎬ达到临界值时ꎬ骤然增加ꎮ 因此ꎬ穿层割缝钻孔 与普通穿层钻孔的组合布置能够更大限度降低煤体 承载的压应力ꎬ起到更好的强化增透效果ꎮ 煤层渗 透率的提高为瓦斯释放和流动提供了有利条件ꎮ 通 过抽采ꎬ煤层瓦斯含量降低ꎬ从而消除了对煤与瓦斯 突出起着关键作用的因素ꎮ 图 ２ 加卸载时有效应力与渗透率的关系 ２ 现场应用 试验地点选择平顶山首山一矿己１６－１７煤层底板 抽采巷岩巷ꎮ １１０６１ 采煤工作面可采走向长 １ ３１４ ｍꎬ采长 １８０ ｍꎬ运输巷标高－５８８􀆱 ８－６５９􀆱 １ ｍꎬ煤厚平均 ３􀆱 ７ ｍꎬ煤层倾角较稳定ꎬ一般在 ８ １３ꎻ煤层瓦斯含量为 １７􀆱 ５１９􀆱 ５ ｍ３/ ｔꎬ煤层瓦斯压 力为 ２􀆱 ３３􀆱 ６ ＭＰａꎬ煤的普氏系数为 ０􀆱 １７０􀆱 ２２ꎬ工 作面具有严重的煤与瓦斯突出危险性ꎮ 采用底板抽 采岩巷上行网格式穿层钻孔抽采瓦斯方法ꎬ１１０６１ 底板岩巷至煤层底板垂距为 １０ ｍ图 ３ꎮ １、３、５、７、９、１１ 为普通穿层钻孔编号ꎻ ２、４、６、８、１０、１２ 为穿层割缝钻孔编号 图 ３ 穿层钻孔割缝组合布置示意 ２􀆱 １ 穿层割缝钻孔有效影响半径分析 本次试验采用钻孔瓦斯流量法测定穿层割缝钻 ２５ 张 震等煤巷穿层钻孔割缝组合强化增透技术的应用２０１４ 年第 ５ 期 孔的有效影响半径ꎮ 在抽采巷朝己１６－１７煤层方向以 ３０倾角打钻孔ꎬ共施工了 ７ 个钻孔图 ４ꎮ 图 ４ 穿层割缝钻孔有效影响半径测定方案中 考察钻孔布置示意 图 ５ 各考察钻孔瓦斯流量变化曲线 施工后及时对考察钻孔进行封孔ꎬ割缝钻孔施 工完成后在进行割缝前 ３０ ｍｉｎ 测量一次钻孔瓦斯 流量ꎬ原始瓦斯流量测试结束后马上进行水力割缝ꎬ 割缝从 １１３５ 开始共持续 ２ ｈꎬ出煤量达到 ３􀆱 ５ ｔꎬ完 成水力割缝后马上对考察钻孔进行间隔 ３０ ｍｉｎ 一 次的瓦斯流量测试ꎬ测试不少于 ５ 次ꎮ 各考察钻孔 的瓦斯流量的变化曲线如图 ５ 所示ꎬ由图 ５ 可知ꎬ割 缝后流量增大超过 １０％的钻孔有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 号考察钻孔ꎬ流量分别增大 ６５％、３４％、１５％、２１％、 ６４％ꎬⅥ号考察钻孔流量变化很小ꎬ可以认为穿层割 缝钻孔有效影响半径可以达到 ５ ｍꎮ ２􀆱 ２ 穿层割缝钻孔施工 采用普通穿层钻孔和穿层割缝钻孔组合强化预 抽的设计方式ꎬ即穿层割缝钻孔与普通穿层钻孔呈 列间隔布置ꎬ每列 ５ 个孔ꎮ 对穿层割缝钻孔进行割 缝ꎬ割缝压力 ８１０ ＭＰａꎬ流量 １２ ｍ３/ ｈꎬ单孔割缝时 间控制在 ２ ｈ 左右ꎬ穿层割缝钻孔参数见表 １ꎮ 表 １ 穿层割缝钻孔参数 钻孔编号 水平角/ 仰角/ 孔深/ ｍ岩孔深/ ｍ 出煤量/ ｔ ２０ ＋５０ ２４􀆱 ８１５􀆱 ６４􀆱 ５ ４０ ＋６６ １９􀆱 ５１２􀆱 ４３􀆱 ５ ６０ ＋９０ １６􀆱 １１０􀆱 ２３􀆱 ０ ８０ ＋６３ １６􀆱 ３１０􀆱 ３３􀆱 ０ １００ ＋４２ １９􀆱 ５１２􀆱 ２３􀆱 ５ ２􀆱 ３ 瓦斯抽采效果分析 首山一矿己１６－１７煤层 １１０６１ 运输巷抽采巷实施 割缝措施前后ꎬ将穿层割缝钻孔与普通穿层钻孔并 入管网进行混合预抽ꎮ 从 ２０１２ 年 １１ 月 １１ 日起每 天对钻孔的抽采流量及浓度进行测量ꎬ实施组合预 抽措施的稳定抽采瓦斯体积分数可达 ８３％ꎬ未实施 组合预抽措施的稳定抽采瓦斯体积分数为 ３２％ꎬ实 施组合预抽措施后抽采瓦斯体积分数提高了 ２􀆱 ５９ 倍ꎮ 实施组合预抽措施的稳定抽采瓦斯纯流量最高 可达７１２ Ｌ/ ｍｉｎꎬ未实施组合预抽措施的稳定抽采纯 流量最高为２０８ Ｌ/ ｍｉｎꎬ实施组合预抽措施后平均纯 流量提高了 ３􀆱 ４２ 倍ꎮ ２􀆱 ４ １１０６１ 运输巷防突预测指标结果分析 采取普通穿层钻孔及穿层割缝钻孔组合强化预 抽局部防突措施前后ꎬ掘进期间工作面预测指标对 比分析如图 ６ 所示ꎮ 巷道前 １００ ｍ 没有采用组合强 化预抽技术ꎬ效检指标钻孔瓦斯涌出初速度 ｑ 平均 值为 ０􀆱 ７４ Ｌ/ ｍｉｎ、钻屑量 Ｓ 平均值为 ３􀆱 ０８６ ｋｇ/ ｍꎬ 而 １００ ｍ 之后开始大量采用普通穿层钻孔与穿层割 缝钻孔组合强化预抽技术校检指标钻孔 ｑ 平均值为 ０􀆱 ５４ Ｌ/ ｍｉｎ、Ｓ 平均值为 ２􀆱 ９８６ ｋｇ/ ｍꎬｑ 平均降低了 ２７％、Ｓ 平均降低了 ３􀆱 ２％ꎮ ３５ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 图 ６ 采取组合预抽措施前后掘进工作面预测指标对比 ３ 结 语 穿层割缝钻孔和普通穿层钻孔采用交叉组合布 置时ꎬ卸压带会相互贯通ꎬ形成整体卸压ꎬ显著降低 控制区域内的煤体应力ꎬ强化增透效果更为明显ꎮ 现场工业性试验表明采用普通穿层钻孔与穿层割 缝钻孔组合强化增透措施后ꎬ平均纯瓦斯流量提高 了 ３􀆱 ４２ 倍ꎮ １１０６ 运输巷防突预测指标 Ｓ 值和 ｑ 值 未出现超标现象ꎬ达到了消突的目的ꎮ 参考文献 [１] 林柏泉ꎬ高亚斌ꎬ沈春明.基于高压射流割缝技术的单一低透煤 层瓦斯治理[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１９５３－５７. 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