水力擠出防突技術(shù)在寺家莊礦的應(yīng)用研究

王曉東，李耀謙，魏誠(chéng)敏

(1.華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西省陽(yáng)泉市，045000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度及開(kāi)采速度的增加，動(dòng)力災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大。在深部開(kāi)采環(huán)境下，地質(zhì)瓦斯賦存及構(gòu)造條件復(fù)雜，煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生頻率增加，破壞強(qiáng)度也愈加嚴(yán)重[1-3]。掘進(jìn)工作面由于首先揭露煤層、卸壓不夠充分，是煤與瓦斯突出的多發(fā)區(qū)[4]。經(jīng)過(guò)專家學(xué)者多年研究，提出了多種防治煤與瓦斯突出的工程技術(shù)手段。區(qū)域防突措施包括開(kāi)采保護(hù)層、煤層注水、預(yù)抽瓦斯；局部防突措施有松動(dòng)爆破、超前鉆孔、水力擠出、水力沖孔、卸壓槽、超前支護(hù)等[5]。其中，水力化措施作為一種綜合快速消突技術(shù)，研究其工程應(yīng)用參數(shù)及效果檢驗(yàn)具有重要意義。

在煤層注水工程應(yīng)用方面，張峰等[6]通過(guò)合理選擇注水鉆孔施工工藝，優(yōu)化注水參數(shù)，在三河尖煤礦取得良好效果；孫文標(biāo)等[7]分析了煤層注水的作用機(jī)理，提出使用間歇注水、孔內(nèi)爆破、濕潤(rùn)劑等措施來(lái)改善煤層注水方法；周剛等[8-9]針對(duì)不同賦存條件煤層，使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相結(jié)合方法，修正了煤層注水參數(shù)。水力擠出也是一種較為常用的水力化防突手段，王兆豐等[10-11]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，制定了水力擠出綜合防突施工工藝，有效降低了煤巷掘進(jìn)的突出危險(xiǎn)性；朱建安等[12-13]通過(guò)對(duì)注水壓力、注水量等參數(shù)系統(tǒng)分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提高了工作面掘進(jìn)速度；邱永剛等[14]基于水力擠出作用煤體卸壓機(jī)理，將水力擠出與邊掘邊抽相結(jié)合，有效降低瓦斯?jié)舛?；章傳源等[15]通過(guò)應(yīng)用水力擠出技術(shù)，對(duì)比措施前后預(yù)測(cè)指標(biāo)、煤層裂隙等參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)水力擠出能夠起到明顯消突作用。此外，較多學(xué)者圍繞水力沖孔、水力壓裂、水力疏松等水力措施的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。劉明舉等[16-17]分析水力沖孔消突機(jī)理，確定了水力沖孔影響半徑、沖孔間距等參數(shù)；呂有廠等[18-19]通過(guò)計(jì)算水力壓裂壓力，改善了水力壓裂參數(shù)，提高了煤層含水率及透氣性；王兆豐等[20]優(yōu)化了水力疏松施工工藝及注水參數(shù)，降低了掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性。

關(guān)于水力化防突技術(shù)的工程應(yīng)用，一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)于水力擠出的各項(xiàng)工藝具體參數(shù)及防突效果的定量衡量標(biāo)準(zhǔn)研究相對(duì)較少。筆者通過(guò)在寺家莊礦15104工作面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了水力擠出的影響半徑、注水壓力、注水孔孔深、終孔間距等參數(shù)，并對(duì)其消突效果、掘進(jìn)進(jìn)尺及瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)工作面概況

寺家莊煤礦在15104工作面進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了水力擠出快速消突技術(shù)試驗(yàn)。15104工作面進(jìn)風(fēng)巷位于礦井中央盤區(qū)，東部為進(jìn)風(fēng)井井底車場(chǎng)，北部為中央盤區(qū)輔助運(yùn)輸巷、中央盤區(qū)帶式輸送機(jī)巷，西部、南部無(wú)巷道，上部各煤層均未開(kāi)采。井下標(biāo)高在+480～+500 m之間，埋深550 m左右。煤層基本呈一單斜構(gòu)造，構(gòu)造復(fù)雜程度中等。煤層走向傾角2°～7°，厚度6.89～3.92 m。絕對(duì)瓦斯涌出量7.00 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量12.44 m3/t。煤層頂板為砂巖或灰色砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1800 m，傾斜寬度200 m，掘進(jìn)巷道采用綜掘，錨桿、波紋鋼帶、鋼筋鋼帶、菱形金屬網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護(hù)方式，巷道長(zhǎng)4.40 m，寬3.35 m，掘進(jìn)斷面14.74 m2。工作面采用壓入式通風(fēng)方式通風(fēng)，2×30 kW對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)，配直徑800 mm膠質(zhì)風(fēng)筒導(dǎo)風(fēng)。

2 水力擠出措施注水參數(shù)確定

2.1 注水孔有效影響半徑測(cè)定

注水壓力下的注水鉆孔有效影響范圍通過(guò)測(cè)定鉆孔瓦斯涌出速度或瓦斯解吸指標(biāo)來(lái)確定，測(cè)定鉆孔布置方式如圖1所示。1、3、4號(hào)鉆孔到注水孔的距離分別為1.0、1.5和2.0 m；2號(hào)鉆孔至注水孔距離為0.5 m。

圖1 注水孔影響范圍測(cè)定鉆孔布置示意圖

測(cè)定過(guò)程包括：在掘進(jìn)工作面正前方打一個(gè)直徑42 mm、長(zhǎng)度8 m的水平煤孔，同時(shí)測(cè)定瓦斯解吸指標(biāo)K1；對(duì)鉆孔進(jìn)行注水，注水壓力為10 MPa；注水結(jié)束后，按照設(shè)計(jì)要求依次施工直徑為42 mm的1、2、3、4號(hào)鉆孔，同時(shí)測(cè)定瓦斯解吸指標(biāo)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1；對(duì)比注水孔和1、2、3、4號(hào)鉆孔每米分段測(cè)得的瓦斯解吸指標(biāo)K1，確定注水鉆孔的縱向和橫向注水有效范圍。

表1 有效影響半徑測(cè)定結(jié)果表

由表1可以看出，2號(hào)鉆孔在4 m段有明顯裂隙產(chǎn)生，鉆孔出水，受到的影響較大。注水孔作為對(duì)照組，1、3號(hào)鉆孔的瓦斯解吸指標(biāo)與注水孔相比變化顯著，在影響范圍之內(nèi)；而4號(hào)鉆孔與注水孔相比則基本沒(méi)有變化，受到的影響較小。因此，從測(cè)定結(jié)果來(lái)看，注水孔的有效影響半徑為1.0～1.5 m，在水力擠出作業(yè)時(shí)，注水孔的終孔間距可以設(shè)置為2.0 m左右。

2.2 注水孔孔深測(cè)定

為了達(dá)到降低集中應(yīng)力的目的，注水孔的深度至少應(yīng)達(dá)到工作面前方應(yīng)力集中帶。寺家莊煤礦15104工作面的集中應(yīng)力帶通常位于工作面前方5～8 m處，注水孔深度設(shè)定為5 m。加上當(dāng)班掘進(jìn)進(jìn)尺，孔長(zhǎng)為10～12 m之間。

2.3 封孔深度測(cè)定

為了達(dá)到最好的封孔效果，注水孔封孔位置應(yīng)處于卸壓帶和集中應(yīng)力帶中間的位置，深度一般為3～6 m。該工作面卸壓帶寬度為5 m，集中應(yīng)力帶寬度為3 m，實(shí)際實(shí)施水力擠出試驗(yàn)時(shí)選擇的封孔深度為6 m。

2.4 注水壓力測(cè)定

合理的注水壓力是實(shí)施水力擠出的關(guān)鍵，壓力過(guò)小無(wú)法達(dá)到水力消突的效果，壓力過(guò)高容易造成動(dòng)力災(zāi)害。一般情況下，注水壓力要大于煤層水平應(yīng)力而小于工作面前方的集中應(yīng)力值。15104工作面煤層埋深為550 m，平均容重為2.6 t/m3，計(jì)算可得垂直應(yīng)力為14.30 MPa。測(cè)壓系數(shù)約為0.4，那么水平應(yīng)力為5.72 MPa，可以選擇注水壓力大于6 MPa進(jìn)行試驗(yàn)。集中應(yīng)力系數(shù)通常為2～3，這時(shí)最高注水壓力不應(yīng)超過(guò)28.60 MPa。

2.5 注水時(shí)間測(cè)定

注水壓力及流速的變化反映注水的進(jìn)展，當(dāng)注水泵水出口壓力降低到一定程度時(shí)，可以結(jié)束注水。實(shí)測(cè)注水壓力與注水流量變化如圖2所示，此時(shí)注水時(shí)間在20～40 min之間。

圖2 注水壓力和注水流量對(duì)比

2.6 水力擠出措施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在實(shí)施水力擠出的過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄注水壓力P及注水流量Q。在15104工作面開(kāi)展了3次試驗(yàn)，注水壓力隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。采用動(dòng)壓注水，從開(kāi)始注水到水力擠出措施結(jié)束大約需要45 min。由圖3可以看出，注水壓力在15 min以內(nèi)升至8 MPa；在20 min的時(shí)候，達(dá)到壓力峰值，之后迅速下降；在30 min左右，第二次達(dá)到局部壓力峰值，隨后迅速下降。

注水流量隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，在注水的前10 min，注水壓力和注水流量升高較快；隨后，注水壓力與流量一個(gè)在波動(dòng)中下降一個(gè)在波動(dòng)中上升。這直觀反映出水力擠出是由壓力積聚到壓裂破碎直至擠出煤體的過(guò)程，最后應(yīng)力和瓦斯得到釋放。

圖3 注水壓力隨時(shí)間變化曲線

圖4 注水流量隨時(shí)間變化曲線

3 效果檢驗(yàn)分析

實(shí)施完水力擠出措施后，在掘進(jìn)之前，必須要對(duì)措施進(jìn)行效果檢驗(yàn)，以便確定措施實(shí)施的效果。寺家莊礦采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1作為效檢指標(biāo)。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1是指煤樣解吸第1.0 min的解吸量，綜合反映了煤的破壞程度和瓦斯壓力這兩個(gè)與突出危險(xiǎn)性密切相關(guān)的因素。

3.1 指標(biāo)分析

大量煤樣的瓦斯解吸試驗(yàn)研究表明：鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1與瓦斯壓力P的關(guān)系可以較好地?cái)M合成曲線：

K1=A·PB

(1)

P——瓦斯壓力，MPa；

A、B——待定常數(shù)，0

因此，隨著瓦斯的排放，瓦斯壓力的降低，煤破壞程度的提高，K1值也會(huì)降低。

3.2 合理效檢時(shí)間確定

水力擠出措施過(guò)程中壓力水對(duì)煤體的破壞過(guò)程大體分為以下幾個(gè)階段：低壓注水煤體濕潤(rùn)階段；壓力繼續(xù)升高，裂縫產(chǎn)生階段；繼續(xù)注水，煤體離層被擠出階段；最后，壓力降低，措施結(jié)束。即整個(gè)注水過(guò)程只持續(xù)40 min左右，但是由于水力擠出破壞煤體，煤層透氣性大幅增加，周圍的瓦斯會(huì)向工作面方向運(yùn)移，瓦斯的大量排放也需要一個(gè)過(guò)程。因此，水力擠出措施實(shí)施后立刻效檢，會(huì)出現(xiàn)指標(biāo)超標(biāo)，甚至大于預(yù)測(cè)值的情況。圖5表征的就是不同時(shí)間條件下的校檢指標(biāo)值變化情況。

圖5 水力擠出實(shí)施后K1值隨時(shí)間變化規(guī)律

3.3 水力擠出措施掘進(jìn)進(jìn)尺考查

從2018年3月4日開(kāi)始，水力擠出措施在寺家莊煤礦實(shí)施了6個(gè)月時(shí)間。截至2018年10月份，15104掘進(jìn)工作面進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，單日最高掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到11.0 m，單面最高月掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到220 m，較超前排放鉆孔等常規(guī)防突措施掘進(jìn)速度40～50 m/月提高到2倍以上?？紤]到平均每個(gè)月都有3～7 d不能正常掘進(jìn)，掘進(jìn)速度還能在此基礎(chǔ)上繼續(xù)提高。

水力擠出消突措施不同于超前排放鉆孔等防突措施之處：一方面是其顯著的防突效果，另一方面是其簡(jiǎn)便快捷的操作和管理。表3為采取不同防突措施時(shí)的措施工程量對(duì)比情況。

表2 15104工作面正巷掘進(jìn)進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)

表3 不同防突措施工程量對(duì)比

通過(guò)比較，采取水力擠出措施，抽放時(shí)間和鉆孔工程量都大幅度減少，掘進(jìn)效率提升2倍以上，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作面的作業(yè)環(huán)境。

3.4 水力擠出措施消突效果考查

每次水力擠出措施結(jié)束后都進(jìn)行了效果檢驗(yàn)，效檢指標(biāo)不超時(shí)方能掘進(jìn)。寺家莊煤礦15104進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面注水措施實(shí)施后，2018年4、5月份26次效檢指標(biāo)值K1如圖6所示。

圖6 15104工作面注水措施實(shí)施后效檢指標(biāo)

統(tǒng)計(jì)天數(shù)45 d，注水天數(shù)26 d，占總天數(shù)的58%；允許進(jìn)尺210.0 m，實(shí)際進(jìn)尺189.1 m；未注水天數(shù)19 d，占總天數(shù)的42%。主要是采掘鉆場(chǎng)膠帶和調(diào)試系統(tǒng)等；效檢次數(shù)26次，為縮短消突時(shí)間，均是注水后即效檢，局部超標(biāo)即補(bǔ)打排放孔即效檢，指標(biāo)降到臨界值以下；注水后超標(biāo)次數(shù)：臨界值為0.6 ml/(g·min1/2)，超標(biāo)2次，5月7-8日超標(biāo)原因是注水封孔器損壞導(dǎo)致數(shù)量不夠，購(gòu)置封孔器時(shí)間影響，及封孔深度沒(méi)能到達(dá)工藝要求。綜合消突效果明顯，遠(yuǎn)低于常規(guī)的30%措施超標(biāo)率。

3.5 水力擠出措施期間的瓦斯涌出規(guī)律

措施實(shí)施期間瓦斯?jié)舛惹€如圖7所示。由圖7可以看出，開(kāi)始時(shí)瓦斯?jié)舛仍?.35%～0.46%，當(dāng)煤體被擠出時(shí)，瓦斯?jié)舛燃眲∩仙?.00%，接著開(kāi)始下降，恢復(fù)到0.35%左右。近工作面煤體充分卸壓和瓦斯的大量涌出消除了近工作面煤體的不穩(wěn)定狀態(tài)，降低了突出危險(xiǎn)性。對(duì)掘進(jìn)期間采用不同防突措施的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)如圖8所示。在同一巷道掘進(jìn)，采取排放鉆孔等常規(guī)防突措施掘進(jìn)，風(fēng)流瓦斯?jié)舛纫话銥?.40%～0.90%；采取水力擠出措施掘進(jìn)時(shí)，風(fēng)流瓦斯?jié)舛纫话銥?.25%～0.45%?？梢钥闯?，水力擠出措施的瓦斯涌出量明顯低于排放鉆孔措施，防突效果更優(yōu)。

圖7 注水期間瓦斯涌出情況

圖8 不同措施掘進(jìn)期間瓦斯涌出情況

3.6 煤中水分的變化

水力擠出措施后煤中水分大大增加，由原煤的2%左右增至5%以上，增幅達(dá)1.5倍以上，注水前后水分變化情況如圖9所示。由于水分子和煤分子的極性，水對(duì)煤比瓦斯對(duì)煤有較大的親和力，微孔或超微孔隙中的水首先與煤分子結(jié)合。即吸附水以單分子的吸附薄膜形式存在于孔隙中，薄膜密布于或者局部分布于孔隙的表面，孔隙中吸附水薄膜的存在使煤中的瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)為游離狀態(tài)變得困難，從而抑制瓦斯的解吸。

圖9 注水前后水分變化情況

4 結(jié)論

(1)寺家莊煤礦水力擠出措施注水孔的有效影響半徑在1.0～1.5 m之間，實(shí)施水力擠出措施時(shí)，注水孔的終孔間距應(yīng)在2～3 m之間。注水孔孔深為12 m，封孔深度為6 m，最佳注水壓力為12 MPa。

(2)水力擠出措施合理效檢時(shí)間應(yīng)為措施實(shí)施后3 h，水力擠出消突措施的施工時(shí)間和工程量都大幅度降低。

(3)水力擠出措施實(shí)施后單面最高月掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到220 m，掘進(jìn)速度提高到1.5倍以上。水力擠出措施實(shí)施后掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯不超限且效檢超標(biāo)率低于10%。

(4)水力擠出措施實(shí)施后煤中水分大大增加，由原煤的2%左右增至5%以上，增幅達(dá)1.5倍以上。