突出煤層螺旋式水力割煤技術(shù)及應(yīng)用

張海慶

（平煤股份公司八礦，河南省平頂山市，467012）

突出煤層螺旋式水力割煤技術(shù)及應(yīng)用

張海慶

（平煤股份公司八礦，河南省平頂山市，467012）

詳細介紹了突出煤層螺旋式水力割煤技術(shù)的工藝流程和煤體消突機理，建立了FLAC3D數(shù)值模型，模擬分析了螺旋狀縫槽周圍煤體應(yīng)力和位移的變化規(guī)律，并進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗。結(jié)果表明：螺旋狀縫槽周圍煤體應(yīng)力大大降低，卸壓效果顯著，卸壓半徑約為3 m；煤體擾動范圍和位移量均顯著增大，徑向有效影響范圍可達4 m。試驗現(xiàn)場螺旋式水力割煤技術(shù)與普通打鉆相比，煤體擾動半徑、擾動體積分別增大4倍、30倍左右；瓦斯?jié)舛?、流量亦大大提高，純流量值增加約4倍，瓦斯抽采效果好，達到煤體消突目的。

突出煤層 螺旋式水力割煤 機理 應(yīng)力 位移 數(shù)值模擬

近幾年，我國煤礦隨著開采深度不斷增加，瓦斯含量和壓力越來越大，地質(zhì)構(gòu)造條件愈加復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害，特別是煤與瓦斯突出事故日趨嚴重。為解決突出煤層瓦斯治理難題，相關(guān)人員提出了深孔松動爆破、水力沖孔、水力壓裂等技術(shù)，有效實現(xiàn)了煤體卸壓增透，提高了瓦斯抽采效果，增強了煤體抗突出能力，從而降低乃至消除了煤體突出危險性。但為保證煤礦安全高效生產(chǎn)，需要不斷研究新的煤體消突措施以適應(yīng)不同的煤層和煤質(zhì)條件，螺旋式水力割煤技術(shù)應(yīng)運而生。本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相互驗證的方式對螺旋式水力割煤技術(shù)進行研究，以期對推動該技術(shù)的普及應(yīng)用有所裨益。

1 突出煤層螺旋式水力割煤技術(shù)

1.1 技術(shù)工藝

螺旋式水力割煤技術(shù)是指利用多條螺旋式軌跡的高壓水射流切割鉆孔周圍煤體，形成多個螺旋狀卸壓縫槽，同時排出大量煤體和瓦斯，打破鉆孔周圍應(yīng)力集中環(huán)，煤體產(chǎn)生卸壓、變形和膨脹，產(chǎn)生許多大大小小的裂縫，煤體透氣性增大，瓦斯抽采效率大大提高，降低甚至消除煤體突出危險性。

在煤層中施工一個鉆孔，退鉆時即實施螺旋式水力割煤，實現(xiàn)打鉆、割煤一體化。3個高壓水射流噴嘴位于鉆頭上，相互之間成120°夾角。鉆頭實物見圖1。鉆機退鉆方式為旋轉(zhuǎn)退出，此時鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊退出，具有軸向速度v和角速度ω，使得3個噴嘴噴出的高壓水射流同時產(chǎn)生兩種位移 （沿鉆桿軸向的向外位移和繞鉆桿軸向的旋轉(zhuǎn)位移），兩者合成后，形成水射流的螺旋式運動軌跡。從而同時存在3個螺旋式水力割煤過程，形成3個螺旋狀卸壓縫槽，只是各個螺旋狀縫槽的起始位置不同。螺旋式水力割煤示意圖見圖2。

1.2 技術(shù)原理

高壓水射流螺旋式切割孔壁周圍煤體，假定此過程遵循動量守恒定律，則煤體破壞程度主要取決于其所承受的水射流動壓值，而動壓值大小又與軸線速度密切相關(guān)。純水射流情況下，螺旋式割煤的高壓水射流是紊動射流，其基本方程是：

x——射流軸線上點與噴嘴的距離，m；

t——時間，s；

f——射流質(zhì)量力，N；

ρ——射流密度，kg／m3；

μn——射流動力粘度，N·s／m2；

u′——射流脈動速度，m／s；

i、j——表示不同的射流點，遵循愛因斯坦求和約定。

紊動射流包括初始段、轉(zhuǎn)折段、基本段、消散段4個階段。各階段剖面上射流速度分布十分相似，射流動量通量不變，射流邊界按線性規(guī)律展開。射流軸線速度衰減規(guī)律如下：

式中：up——射流軸線速度，m／s；

u0——噴嘴出口處射流軸線速度，m／s；

c——射流半寬b與軸線距離x的比值系數(shù)；

D——噴嘴直徑，mm。

同時研究發(fā)現(xiàn)，高壓水射流破壞煤體時，其破壞半徑r／x＝0.22，則單位面積煤體上承受的射流作用力ˉF為：

式中：F——射流作用力，N；

α——射流入射角，（°）。

煤體發(fā)生破壞的極限應(yīng)力σ為：

式中：τ——煤體剪切強度，MPa；

c——煤體內(nèi)聚力，MPa；

h——裂紋閉合系數(shù)；

D0——初始損傷量；

φ——煤體摩擦角，（°）；

εp——峰值點應(yīng)變值，無量綱；

ε——拉伸應(yīng)變值；

C1、C2、β——力學(xué)修正系數(shù)。

則當ˉF≥σ時，煤體開始被不斷破壞。

高壓水射流破壞煤體形成螺旋狀卸壓縫槽，打破鉆孔孔壁周圍煤體準平衡狀態(tài)，使其由約束狀態(tài)轉(zhuǎn)變成表面狀態(tài)，此時卸壓區(qū)煤體被粉碎、拋出，發(fā)生小型孔內(nèi)突出。卸壓區(qū)煤體上的應(yīng)力迅速向深部煤體轉(zhuǎn)移，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，當集中應(yīng)力足夠大時，深部煤體發(fā)生變形、屈服、破壞，集中應(yīng)力繼續(xù)向深部傳播，但應(yīng)力集中系數(shù)不斷減小，應(yīng)力不斷重新分布，煤體得以卸壓。煤體應(yīng)力不斷變化過程中，鉆孔孔壁周圍煤體內(nèi)部會產(chǎn)生大量裂隙，游離瓦斯聚集在裂隙內(nèi)部，隨著一層層煤體被粉碎、拋出，新的煤體不斷暴露出來，促使瓦斯迅速沿裂隙尖端擴展，裂隙間相互貫通，新暴露煤體在不斷增大的瓦斯膨脹能和煤、巖體彈性潛能作用下，迅速破碎并被拋出，接著又有更多新的煤體暴露出來，繼而被粉碎、拋出，在煤壁處始終保持著一定的地應(yīng)力梯度和瓦斯壓力梯度，如此反復(fù)下去，煤體擾動范圍越來越大，卸壓煤體越來越多，煤體透氣性亦不斷增大，為后期瓦斯抽采提供有利條件。同時抽排瓦斯造成煤體瓦斯含量逐漸減少、壓力降低，瓦斯?jié)撃芤搽S之降低；煤體堅固性系數(shù)增大，自身抗突出能力增強，最終達到降低乃至消除煤體突出危險性的目的。

2 螺旋式水力割煤應(yīng)力、位移變化規(guī)律數(shù)值分析

由于現(xiàn)場實際條件和測量手段等因素限制，真實測量水力割煤后螺旋縫槽周圍煤體應(yīng)力、位移變化十分困難。下面借助FLAC3D軟件模擬分析應(yīng)力、位移變化情況，以更好地掌握水力割煤消突機制，為使模擬結(jié)果最大限度地接近真實情況，所有模擬參數(shù)均取自試驗礦井，模型材料為煤，密度為1450 kg／m3，體積模量、剪切模量分別為2.08 GPa和0.97 GPa，摩擦角、剪脹角分別為25°和10°，粘聚力1.72 MPa，抗拉強度0.5 MPa。建立一個20 m×30 m×20 m的模型，見圖3。模型在X方向坐標范圍為-10～10 m，Y方向為0～30 m，Z方向為-10～10 m。其中，在Y方向上，0～12 m段為普通鉆孔段 （只打鉆不割煤），12～20 m段為水力割煤段，20～30 m段為原始煤體段。模型共包括47520個單元、48307個節(jié)點。

圖3 數(shù)值模型示意圖、

2.1 應(yīng)力變化規(guī)律

圖4 鉆孔周圍煤體三向應(yīng)力分布圖

模型開挖平衡后，在普通鉆孔段Y＝5 m處的剖面內(nèi)，沿X方向取出鉆孔周圍各監(jiān)測點的X、Y、Z三向應(yīng)力值，可繪出普通鉆孔周圍煤體三向應(yīng)力分布圖，見圖4（a）。同理，由水力割煤段Y＝16.5 m處剖面內(nèi)，X方向的各監(jiān)測應(yīng)力值，可得水力割煤鉆孔周圍煤體三向應(yīng)力分布圖，見圖4（b）。由 （a）可知，普通鉆孔段，煤體卸壓半徑約為0.75 m，即X坐標值為-0.75～0.75 m時，三向應(yīng)力顯著降低，均小于初始應(yīng)力15 MPa，僅剩殘余應(yīng)力，煤體充分卸壓。同時煤體內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，為瓦斯解析、流動提供通道，煤體透氣性顯著增大；當X坐標值為-4～-0.75 m和0.75～4 m時，主要為應(yīng)力集中段，Z向應(yīng)力明顯大于初始應(yīng)力，煤體被不斷壓縮，出現(xiàn)阻礙瓦斯流動的瓶頸效應(yīng)，煤體透氣性較低，而X向和Y向水平應(yīng)力沒有明顯集中現(xiàn)象；當X軸坐標值為-10～-4 m和4～10 m時，打鉆未對該段煤體產(chǎn)生影響，煤體處于原始應(yīng)力狀態(tài)，X向和Y向水平應(yīng)力值為初始應(yīng)力15 MPa，Z向垂直應(yīng)力絕對值大于初始應(yīng)力，但主要是由煤體自重應(yīng)力造成的，故煤體未得到卸壓，透氣性不高。由圖4（b）可知，水力割煤段螺旋縫槽周圍也出現(xiàn)卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，但三向應(yīng)力均大大降低，煤體卸壓效果十分顯著，卸壓半徑約為3 m，分別為普通鉆孔半徑和卸壓半徑的10倍和4倍。同樣的X坐標處，水力割煤段煤體三向應(yīng)力值均比普通鉆孔段小，故螺旋式水力割煤技術(shù)卸壓效果顯著。

2.2 位移變化規(guī)律

圖5和圖6分別為模型開挖平衡后Y＝5 m和Y＝16.5 m處剖面上煤體徑向位移等值線圖，兩剖面分別位于普通鉆孔段和水力割煤段，可以看出，越靠近孔洞中心，位移量越大，等值線越密集，位移梯度較大，而距孔洞中心較遠處，位移接近于0，等值線十分稀疏。圖5中煤體徑向位移變化范圍是0.002～0.018 m，且等值線稀疏，尤其是距孔洞中心較遠處。圖6中最大位移約為0.1 m，最小位移0.02 m，等值線相對密集。故水力割煤段較普通鉆孔段，前者煤體最大徑向位移是后者的5.55倍，最小位移約為后者的10倍，同時，前者位移梯度比后者大，說明煤體擾動較劇烈。分

圖5 Y＝5 m處剖面徑向位移等值線圖

別導(dǎo)出過點 （0，16，0）、 （0，5，0），平行于X軸的直線上各點位移數(shù)據(jù)作出煤體位移量與距X軸距離的關(guān)系曲線，見圖7。從圖7可以看出，鉆孔半徑為0.1 m時，水力割煤段徑向有效影響范圍可以達到4 m，遠大于普通鉆孔段的0.78 m。根據(jù)如上分析，螺旋式水力割煤可顯著擴大煤體擾動范圍，增大煤體位移量，使大范圍煤體劇烈膨脹、擴容，煤體卸壓增透效果好，達到消突目的。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

平煤八礦己15-14140采面位于己四下延采區(qū)西翼，煤厚3.4～3.85 m，平均3.6 m，在構(gòu)造區(qū)域有變薄情況，煤層傾角17～28°，平均22°，呈西緩東陡趨勢，煤層瓦斯壓力2.0 MPa左右。螺旋式水力割煤試驗于2012年6月10日-7月5日在己15-14140機巷掘進工作面進行，試驗鉆孔布置情況如圖8所示，其中2＃、3＃為水力割煤鉆孔，4＃、5＃為普通鉆孔。

圖8 螺旋式水力割煤試驗

（1）使用煤氣表對4個試驗鉆孔進行為期13 d的瓦斯?jié)舛取⒘髁靠疾?，每天測量一次，結(jié)果見圖9。圖9（a）中各瓦斯?jié)舛葹?＃、3?；?＃、5＃鉆孔的日平均濃度，圖9（b）和圖9（c）中流量、純流量值均為兩鉆孔流量、純流量之和?？梢钥闯觯?＃、5＃普通鉆孔的瓦斯?jié)舛染递^低，6月25號以后一直在25%以下，說明有效抽采時間較短，而螺旋式水力割煤鉆孔濃度均值仍維持在56%左右，抽采期間，水力割煤鉆孔瓦斯?jié)舛染当容^穩(wěn)定。同時螺旋式水力割煤鉆孔瓦斯流量值在1.3 m3／min左右，普通鉆孔僅為0.7 m3／min，前者是后者的1.86倍。由圖9（c）和圖9（d）可知，水力割煤后，瓦斯純流量值增加約4倍。說明螺旋式水力割煤技術(shù)可以顯著增大擾動煤體范圍，形成一個縱橫交錯的裂隙網(wǎng)，為瓦斯運移提供通道，因此瓦斯?jié)舛群土髁慷急绕胀赘?，且各試驗參?shù)衰減速度較慢，有效提高瓦斯抽采效率。

圖9 試驗參數(shù)對比圖

（2）鉆孔出煤量是考察螺旋式水力割煤效果的重要參數(shù)，收集鉆孔參數(shù)、普通鉆孔和水力割煤鉆孔出煤量，利用數(shù)學(xué)反演法可以推算出煤體擾動半徑和體積等，結(jié)果見圖10?？梢钥闯?，與普通打鉆相比，螺旋式水力割煤后，煤體擾動半徑、擾動體積分別增大4倍、30倍左右，暴露面積增大4倍左右。螺旋狀縫槽大大提高了單孔直接影響范圍，在周圍應(yīng)力場、瓦斯流動場的作用下，煤體不斷流變，卸壓范圍不斷擴大，促進裂隙發(fā)育，瓦斯抽采效果好。

圖10 煤體影響范圍對比圖

4 結(jié)論

（1）螺旋式水力割煤過程中，當單位面積煤體上的射流作用力大于等于煤體發(fā)生破壞的極限應(yīng)力值時（ˉF≥σ），煤體開始被不斷破壞。

（2）數(shù)值模擬分析表明：采用螺旋式水力割煤技術(shù)，煤體卸壓半徑為3 m左右，徑向有效影響范圍可達4 m，煤體擾動范圍和位移量均明顯增大，卸壓增透效果顯著，達到消突目的。

（3）現(xiàn)場試驗表明：螺旋式水力割煤技術(shù)較普通打鉆，煤體擾動半徑、擾動體積分別增大4倍、30倍左右，暴露面積增大4倍左右，煤體擾動范圍顯著增加；瓦斯?jié)舛?、流量亦大大提高，純流量值增加約4倍，瓦斯抽采效果好。

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Screw-type hydraulic coal cutting technique and its application to outburst coal seam

Zhang Haiqing
（No.8 Coal Mine of Pingdingshan Shares，Pingdingshan，Henan 467012，China）

The process flow of screw-type hydraulic coal cutting for outburst coal seams and the mechanism of outburst control were introduced in detail.The FLAC3Dnumerical model was set up and the variation laws of the stress and displacement of coal seam surrounding the heliciform slot were simulated.The simulation results showed that the stress of coal seam surrounding the heliciform slot was greatly decreased，with the pressure relief diameter of about 3m.The disturbance scope and the displacement of coal seam were all increased，with the effective radial influencing distance up to 4m.The industrial test showed that the disturbance radius of coal seam and the disturbance volume were increased 4 and 30 times，respectively，with the comparison of the ordinary drilling technique.The gas concentration and flow rate were also enhanced.The flow rate increased 4 times，suggesting good gas drainage effect to achieve outburst control.

outburst coal seam，screw-type hydraulic coal cutting，mechanism，stress，displacement，numerical simulation

TD 713.33

A

張海慶 （1971-），男，河南林縣人，高級工程師，碩士，現(xiàn)任平煤股份公司八礦總工程師。

（責(zé)任編輯 張艷華）