地應(yīng)力主導(dǎo)型突出危險(xiǎn)煤巷水力擴(kuò)孔卸壓防突技術(shù)研究

李生舟

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出的防治就是基于其發(fā)生的主導(dǎo)因素，采取針對(duì)性的治理措施[1，2]。上世紀(jì)我國(guó)煤炭開(kāi)采埋深較淺，煤層中的高瓦斯壓力是突出災(zāi)害的主導(dǎo)因素，采用大面積的預(yù)抽煤層瓦斯，將煤層瓦斯壓力下降至一定程度可以有效消除突出危險(xiǎn)。然而，隨著我國(guó)的煤層開(kāi)采深度增加，地應(yīng)力與瓦斯壓力不斷增大，僅依靠傳統(tǒng)的大面積的預(yù)抽煤層瓦斯無(wú)法有效解決大埋深或者高地應(yīng)力煤層的煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)[3-5]。

同時(shí)，隨著近年技術(shù)裝備的發(fā)展，水力擴(kuò)孔等卸壓增透技術(shù)在突出煤層中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，我國(guó)學(xué)者對(duì)水力擴(kuò)孔技術(shù)做了相關(guān)研究。寶坤等[6]對(duì)擴(kuò)孔周?chē)后w的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究，分析了沖煤量對(duì)周?chē)后w應(yīng)力和位移變化的影響；任仲久等[7]采用理論分析、室內(nèi)電鏡測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性驗(yàn)證相結(jié)合的方法研究了水力擴(kuò)孔技術(shù)卸壓增透作用；郝富昌等[8]研究了不同沖煤量鉆孔的抽放半徑，優(yōu)化了水力擴(kuò)孔布孔參數(shù)；李鵬等[9]結(jié)合本煤層水力擴(kuò)孔技術(shù)在紅嶺煤礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，確定了合理的工藝流程和技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行了試驗(yàn)效果考察；杜昌華等[10]研究了水力擴(kuò)孔技術(shù)對(duì)低透松軟煤瓦斯抽采情況的改善效果。

但是，前述研究主要針對(duì)水力擴(kuò)孔的卸壓效果、抽采半徑、鉆孔參數(shù)優(yōu)化等方面，而對(duì)地應(yīng)力主導(dǎo)型松軟突出煤層的卸壓防突和效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及臨界值的研究還有待進(jìn)行深入研究。針對(duì)韓城礦區(qū)3#煤層賦存特點(diǎn)及動(dòng)力災(zāi)害主導(dǎo)因素，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)考察手段對(duì)水力擴(kuò)孔的卸壓防突效果及合理的區(qū)域措施效果評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究，提出了穿層鉆孔水力擴(kuò)孔卸壓防突技術(shù)，并進(jìn)行了成功應(yīng)用，可為類似條件礦井的防突工作提供借鑒。

1 礦井突出特點(diǎn)及防治對(duì)策

1.1 突出特點(diǎn)分析

桑樹(shù)坪煤礦4321工作面開(kāi)采3#煤層(貧瘦煤)，瓦斯含量8～11m3/t，瓦斯壓力0.88MPa。煤層破壞類型為Ⅱ～Ⅴ類，分布無(wú)規(guī)律，主體破壞類型Ⅳ類；厚度變化大，煤厚3～9m，平均厚度5.5m；局部有小斷層、褶曲。從礦區(qū)來(lái)看，3#煤層破壞類型為Ⅴ類、斷層附近區(qū)域、煤層厚度急劇變化帶是發(fā)生突出災(zāi)害的高危險(xiǎn)區(qū)，本次試驗(yàn)工作面在韓城礦區(qū)具有代表性。

分別采集了試驗(yàn)區(qū)斷層構(gòu)造、煤厚急劇變化帶、無(wú)構(gòu)造區(qū)域的煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，具體結(jié)果見(jiàn)表1。斷層附近和煤厚急劇變化帶煤的破壞程度高，破壞類型為Ⅳ、Ⅴ類，其瓦斯放散初速度13～22，堅(jiān)固性系數(shù)0.11～0.18；正常區(qū)域煤的破壞類型一般為Ⅲ、Ⅳ類，瓦斯放散初速度8～12，堅(jiān)固性系數(shù)0.24～0.36，測(cè)得的煤層突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)值相對(duì)更趨于安全。

表1 煤樣瓦斯放散初速度ΔP及堅(jiān)固性系數(shù)f

從測(cè)定的煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)看，構(gòu)造區(qū)域煤層破碎、松軟抵抗突出能力弱，且瓦斯放散能力更強(qiáng)，和礦井歷史上突出主要發(fā)生在構(gòu)造區(qū)域、煤厚劇烈變化區(qū)相吻合。韓城礦區(qū)本身水平構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育，加之采掘過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力集中，預(yù)抽煤層殘余瓦斯含量至6～7m3/t后，依然發(fā)生過(guò)以地應(yīng)力為主導(dǎo)的動(dòng)力災(zāi)害。2015年7月6日，桑樹(shù)坪煤礦南一采區(qū)3314下聯(lián)巷工作面穿層鉆孔預(yù)抽煤層殘余瓦斯含量至6.7m3/t，效果檢驗(yàn)無(wú)異常瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，但掘進(jìn)過(guò)程中依然發(fā)生了地應(yīng)力主導(dǎo)延期煤體突然壓出事故。

1.2 突出災(zāi)害防治對(duì)策

我國(guó)相關(guān)法規(guī)已經(jīng)明確了具有突出危險(xiǎn)煤層的兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施，對(duì)于無(wú)保護(hù)層開(kāi)采條件的，順層或者穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是最基本的措施之一，但是對(duì)于韓城片區(qū)地應(yīng)力主導(dǎo)型突出，僅依靠預(yù)抽瓦斯無(wú)法有效的消除突出危險(xiǎn)，還應(yīng)采取技術(shù)措施卸除煤層中的應(yīng)力，采掘過(guò)程中減少應(yīng)力集中程度，從而減輕采掘過(guò)程中的來(lái)壓誘發(fā)突出危險(xiǎn)，即從煤層瓦斯和應(yīng)力兩方面防治煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害。

2 水力擴(kuò)孔卸壓抽采效果考察分析

煤層卸壓措施主要有保護(hù)層開(kāi)采、超高壓水力割縫、水力擴(kuò)孔、水力壓裂、深孔欲裂爆破等，桑樹(shù)坪煤礦煤層松軟，試驗(yàn)區(qū)域不具備保護(hù)層開(kāi)采條件，考慮到不同技術(shù)的特點(diǎn)及適用性，選擇水力擴(kuò)孔技術(shù)卸壓消突。通過(guò)理論分析結(jié)合后期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，分析了水力擴(kuò)孔鉆孔內(nèi)部破壞形態(tài)及卸壓機(jī)理；通過(guò)數(shù)值模擬分析了水力擴(kuò)孔鉆孔卸壓范圍，最后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)水力擴(kuò)孔卸壓增透及防突效果。

2.1 松軟煤層擴(kuò)孔卸壓機(jī)理分析

利用高壓水射流切割鉆孔煤壁，以擴(kuò)大鉆孔直徑，增加卸壓范圍，擴(kuò)孔后鉆孔孔壁破壞形態(tài)總體可分成兩類：①煤層破壞類型為Ⅲ、Ⅳ時(shí)，煤體具有一定抗破壞能力，表現(xiàn)為垮落堆積，在頂板區(qū)域形成漏斗狀空間，煤體暴露面積增加，煤壁集中應(yīng)力峰值向孔壁深處轉(zhuǎn)移，同時(shí)形成一定的塑性區(qū)，峰值亦相對(duì)降低，如圖1(a)所示；②煤層破壞類型為V類時(shí)，煤體似土質(zhì)呈粘塊狀，具有蠕變性[11，12]，且煤體抗破壞能力差，孔壁四周煤體主要表現(xiàn)為擠壓碎脹，將整個(gè)擴(kuò)孔空間被松散煤體充填，形成較大范圍的松散區(qū)，如圖1(b)所示，破碎充填區(qū)范圍較垮落充填大，應(yīng)力集中峰值位置向煤層更深部轉(zhuǎn)移，且應(yīng)力變化更為平緩[13-15]。

圖1 不同破壞類型軟煤擴(kuò)孔后鉆孔內(nèi)部破壞形態(tài)

分析時(shí)僅考慮鉆孔垂直煤層情況下的孔壁周?chē)后w破壞規(guī)律，鉆孔一般有一定的傾角，具有一定傾角的鉆孔影響范圍較垂直鉆孔大。從后期煤巷掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)揭露擴(kuò)孔鉆孔內(nèi)部情況分析，煤層破壞類型為V類時(shí)，鉆孔揭露位置未見(jiàn)明顯孔洞，這是由于煤體垮落及蠕變致使擴(kuò)煤空間被充填，但煤體并未恢復(fù)至原煤狀態(tài)，多為松散煤體；煤層破壞類型為III、IV類時(shí)，煤孔段上部(鉆孔與頂板相交位置)任然存在空洞，煤孔段下部被松散煤體充填。

2.2 擴(kuò)孔后塑性破壞區(qū)及應(yīng)力分布數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了擴(kuò)孔鉆孔終孔間距6m三花狀布置情況下擴(kuò)孔鉆孔周?chē)苄云茐膮^(qū)域的分布形態(tài)及煤體卸壓情況。

模型長(zhǎng)寬為20m×20m，分為三層：頂層為巖層高2.5m；中間層為煤層，高5.0m；底層為巖層，高2.5m。擴(kuò)孔鉆孔方向垂直于煤層，模擬煤層埋深為560m。按照煤體擴(kuò)出煤屑率3%估算，擴(kuò)孔鉆孔等效孔徑約為0.8m，具體煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，鉆孔周?chē)苄云茐膮^(qū)域的分布形態(tài)如圖2所示，煤體第三主應(yīng)力(壓應(yīng)力)分布情況如圖3所示。

表2 煤巖力學(xué)參數(shù)表

圖2 擴(kuò)孔鉆孔周邊塑性破壞區(qū)大小及分布

圖3 煤體最小主應(yīng)力分布云圖

由圖2可知，采用水力擴(kuò)孔措施后，鉆孔周邊塑性破壞區(qū)半徑約2.2m，終孔間距6m的情況下，兩孔中間尚未發(fā)生塑性破壞區(qū)域?qū)挾葍H1.6m。發(fā)生塑性破壞區(qū)域裂隙發(fā)育，滲透率增大，有利于瓦斯抽采。

截取模型中部垂直剖面，對(duì)比了煤體原始狀態(tài)、未擴(kuò)孔及擴(kuò)孔后三種狀態(tài)下，煤體中的第三主應(yīng)力分布如圖3所示，鉆孔擴(kuò)孔后，孔洞周?chē)簩討?yīng)力重新分布，孔洞附近煤體的應(yīng)力降低，形成卸壓區(qū)，從圖3中可以看到，卸壓區(qū)域?qū)挾燃s3.2m，隨著應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，在卸壓區(qū)之外形成一定范圍應(yīng)力集中區(qū)，在鉆孔間距6m的情況下，相鄰兩個(gè)鉆孔形成的應(yīng)力集中區(qū)域未疊加，避免了煤體中形成過(guò)高的應(yīng)力集中區(qū)域。

實(shí)際松軟煤體有蠕變性質(zhì)，在后期瓦斯抽采過(guò)程中，隨著時(shí)間延長(zhǎng)孔洞周邊煤體會(huì)向自由空間變形，卸壓效果比模擬的效果更好。

2.3 擴(kuò)孔后卸壓增透效果考察

在4321運(yùn)輸巷正下方約20m的底板中布置一條底板瓦斯抽采巷，每間隔50m布置一個(gè)鉆場(chǎng)?；谇笆隼碚摲治龊蛿?shù)值模擬研究，在鉆場(chǎng)中施工終孔間距6m×6m三花布置上向穿層水力擴(kuò)孔鉆孔對(duì)煤巷條帶進(jìn)行卸壓和抽采，底板巷及穿層鉆孔布置方式如圖4所示。

圖4 底板巷穿層水力擴(kuò)孔鉆孔布置示意圖

在試驗(yàn)初期分別試驗(yàn)對(duì)比了普通穿層鉆孔和穿層擴(kuò)孔鉆孔抽采效果差異，對(duì)兩種鉆孔初始瓦斯涌出量及鉆孔流量衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，鉆孔瓦斯涌出速度及衰減系數(shù)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

3#煤層普通穿層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0530～0.0740d-1，屬于較難抽采煤層，擴(kuò)孔鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0140～0.0260d-1，卸壓增透后煤層變?yōu)榭梢猿椴擅簩?，瓦斯流量衰減系數(shù)降低65%～74%；普通穿層鉆孔自然瓦斯涌出流量為6.8182～11.5000L/min，采用水力擴(kuò)孔措施后提高至17.3077～23.2143L/min，鉆孔自然瓦斯涌出量提高2～3倍，煤層的可抽性得到明顯改善。

圖5 鉆孔瓦斯涌出速度及衰減系數(shù)對(duì)比圖

2.4 水力擴(kuò)孔措施瓦斯抽采效果考察

以12#～14#鉆場(chǎng)穿層鉆孔控制區(qū)域的評(píng)價(jià)單元為例，瓦斯抽采監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示，瓦斯抽采濃度平均24%，單孔平均抽采流量0.033m3/min；而礦井普通穿層鉆孔預(yù)抽濃度一般僅10%左右，單孔平均抽采流量平均0.020m3/min，因此采用水射流擴(kuò)孔后的瓦斯抽采濃度及抽采量都顯著提高。

通過(guò)水力擴(kuò)孔排出大量煤屑，增大了煤層內(nèi)部自由空間，卸除煤層中的部分應(yīng)力，降低了突出的煤體彈性能，增透作用進(jìn)一步提高瓦斯抽采效果，對(duì)控制桑樹(shù)坪煤礦松軟3#煤層地應(yīng)力主導(dǎo)型突出效果顯著。

圖6 擴(kuò)孔鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

3 水力擴(kuò)孔卸壓防突效果評(píng)價(jià)

桑樹(shù)坪煤礦3#煤層為地應(yīng)力主導(dǎo)型突出，區(qū)域措施效果評(píng)價(jià)單純采用殘余瓦斯含量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)難以真實(shí)評(píng)價(jià)區(qū)域突出危險(xiǎn)性，因此效果檢驗(yàn)指標(biāo)即要反映煤層瓦斯抽采情況又要反映煤層應(yīng)力卸除效果。結(jié)合水力擴(kuò)孔技術(shù)的特點(diǎn)，區(qū)域措施效果評(píng)價(jià)采用擴(kuò)出煤屑率即擴(kuò)出煤屑量在措施控制區(qū)域煤體總量所占比例結(jié)合殘余瓦斯含量的方法。

4321工作面運(yùn)輸巷采用水力擴(kuò)孔技術(shù)措施進(jìn)行區(qū)域消突，要求每個(gè)鉆場(chǎng)擴(kuò)出煤屑率不低于3%，殘余瓦斯含量降低至8m3/t以下?，F(xiàn)場(chǎng)7#—31#鉆場(chǎng)控制區(qū)域統(tǒng)計(jì)實(shí)際擴(kuò)出煤屑率在3.2%～6.4%，區(qū)域措施效果檢驗(yàn)實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯含量5.78～7.12m3/t，各個(gè)評(píng)價(jià)單元擴(kuò)出煤屑率、殘余瓦斯含量結(jié)果及構(gòu)造情況如圖7所示。

鄰近4321工作面的4317工作面在無(wú)保護(hù)層開(kāi)采情況下，采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶進(jìn)行區(qū)域防突，在效檢殘余瓦斯含量小于8m3/t的情況下，依然多次發(fā)生異常瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，月進(jìn)尺僅20～30m，且難以確保安全掘進(jìn)。

桑樹(shù)坪煤礦采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進(jìn)行工作面預(yù)測(cè)。鉆屑量S的臨界值6kg/m，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的臨界值200Pa。4321運(yùn)輸巷各評(píng)價(jià)單元在擴(kuò)出煤屑率介于3%～5%時(shí)，掘進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)過(guò)異常瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，僅在16#和23#鉆場(chǎng)鉆孔控制區(qū)域，由于遇到斷層構(gòu)造，在斷層構(gòu)造附近出現(xiàn)過(guò)表征地應(yīng)力大小的鉆屑量S指標(biāo)超限現(xiàn)象。當(dāng)評(píng)價(jià)單元內(nèi)整體擴(kuò)出煤屑率大于5%時(shí)，15#、19#及24#—25#鉆場(chǎng)鉆孔控制區(qū)域內(nèi)雖然掘進(jìn)也遇到了斷層構(gòu)造、煤厚變化劇烈區(qū)域，但未發(fā)生過(guò)區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)超限現(xiàn)象，掘進(jìn)區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)測(cè)定數(shù)據(jù)分布如圖8所示。

圖7 擴(kuò)出煤屑率及殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果圖

圖8 掘進(jìn)區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)測(cè)定數(shù)據(jù)分布圖

在以后的水力擴(kuò)孔卸壓抽采煤巷條帶瓦斯技術(shù)推廣應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)探查的煤層及構(gòu)造分布情況，提前對(duì)煤巷條帶劃分正、異常賦存區(qū)域，正常賦存條件區(qū)域擴(kuò)出煤屑率不低于3%，異常賦存條件區(qū)域擴(kuò)出煤屑率不低于5%。

4321運(yùn)輸巷的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，高壓水射流水力擴(kuò)孔技術(shù)措施可解決桑樹(shù)坪煤礦地應(yīng)力主導(dǎo)型松軟突出厚煤層煤巷掘進(jìn)防突問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效掘進(jìn)，同時(shí)由于采取區(qū)域強(qiáng)化卸壓抽采措施，相對(duì)普通穿層鉆孔而言，可減少鉆孔工程量，降低成本。

4 結(jié) 論

1)采用底板巷穿層鉆孔結(jié)合水力擴(kuò)孔技術(shù)，能夠降低煤層應(yīng)力，增大內(nèi)部暴露面積，可有效的增加松軟突出厚煤層煤層的透氣性，提高抽采效果，有效防治地應(yīng)力主導(dǎo)型突出災(zāi)害。

2)對(duì)于桑樹(shù)坪煤礦3#煤層地應(yīng)力主導(dǎo)型突出危險(xiǎn)災(zāi)害，采用擴(kuò)出煤屑率結(jié)合殘余瓦斯含量的區(qū)域措施效果評(píng)價(jià)方法更適應(yīng)煤層瓦斯災(zāi)害特點(diǎn)。

3)煤層賦存條件不同，效果評(píng)價(jià)指標(biāo)臨界值不同。殘余瓦斯含量的臨界值為8m3/t，煤層正常、異常賦存區(qū)域擴(kuò)出煤屑率的臨界值分別為3%、5%，可實(shí)現(xiàn)煤巷安全高效掘進(jìn)。