基于煤與瓦斯突出能量理論的鉆孔造穴誘突技術(shù)及工程實(shí)踐

岑培山，田坤云，魏二劍，劉 松

(1.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南 鄭州 451191； 2.微生物治理瓦斯技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 451191；3.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191； 4.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；5.鄭州煤電股份有限公司超化煤礦，河南 鄭州 452385)

針對煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)的研究歷史已有近200年，突出機(jī)理目前已有幾十種假說，歸納起來主要是3種類型，即瓦斯主導(dǎo)假說、地應(yīng)力主導(dǎo)假說和綜合作用假說。其中，綜合作用假說得到了廣泛認(rèn)可[[1-5]。而基于綜合作用假說的突出過程能量耗散機(jī)理及與之相關(guān)的突出防治技術(shù)被越來越多學(xué)者關(guān)注和研究。

在突出能量耗散機(jī)理研究方面：蔣承林等[6]研究指出，瓦斯內(nèi)能在突出過程中起決定作用；文光才[7]研究發(fā)現(xiàn)，突出過程是煤體彈性勢能和瓦斯內(nèi)能的突然釋放對煤體破碎、拋出做功的過程；張慶賀[8]、陳鮮展[9]等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，瓦斯膨脹能是突出的主要能量，而解吸瓦斯提供了絕大部分的瓦斯膨脹能,并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究了工作面條件下突出能量釋放的主要影響因素；師皓宇等[10]研究發(fā)現(xiàn)，突出過程中瓦斯勢能釋放與瓦斯壓力、瓦斯含量相關(guān)，與煤壁前方塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)模相關(guān)；姜永東等[11]研究發(fā)現(xiàn)，彈性能與煤體應(yīng)力存在冪函數(shù)關(guān)系，氣體膨脹能與氣體壓力存在線性關(guān)系；熊陽濤等[12]研究表明，煤體力學(xué)性質(zhì)、瓦斯和地應(yīng)力是突出的主要影響因素；王剛等[13]量化了突出過程中的能量條件，發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯含量和地應(yīng)力是影響突出強(qiáng)度的主要因素；舒龍勇等[14]研究了突出啟動的力學(xué)和能量判據(jù)，詳細(xì)闡述了突出煤體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在突出的準(zhǔn)備、啟動、發(fā)展和終止4個階段的重要作用。

基于突出能量耗散機(jī)理的防突技術(shù)也取得了大量的研究成果。王亮等[15]研究了鉆孔造穴的增透機(jī)理和瓦斯?jié)B透規(guī)律，并定量分析了鉆孔造穴基礎(chǔ)參數(shù)與鉆孔瓦斯流量的關(guān)系，結(jié)果表明，鉆孔造穴后防突效果提高明顯；張俊偉[16]在平煤八礦考察了造穴鉆孔瓦斯抽放效果，結(jié)果表明，采用水力造穴后鉆孔影響半徑增加了1倍；郝從猛等[17]通過建立造穴煤體結(jié)構(gòu)流固耦合力學(xué)模型，并對多物理場進(jìn)行解算，求得了造穴直徑為0.7 m的鉆孔瓦斯抽放半徑，并經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證了解算結(jié)果的正確性；沈潤生[18]實(shí)測了鉆孔造穴后周圍煤體的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，造穴后鉆孔周圍由近及遠(yuǎn)煤體應(yīng)力變化幅度由大變小，變化趨勢由單一變復(fù)雜，變化時(shí)間越來越滯后；于寶種[19]解算了造穴后煤體瓦斯?jié)B透規(guī)律，并數(shù)值模擬了不同造穴半徑下鉆孔周圍煤體滲透演化特征，結(jié)果表明，鉆孔周圍煤體的增透區(qū)半徑與鉆孔造穴半徑呈線性遞增關(guān)系。

綜上所述，突出是能量轉(zhuǎn)換的宏觀表現(xiàn)形式，瓦斯含量和煤體應(yīng)力結(jié)構(gòu)在突出過程中起著至關(guān)重要的作用，以此為理論基礎(chǔ)的鉆孔造穴技術(shù)達(dá)到了較好的防突效果。但在鉆孔造穴誘導(dǎo)突出(以下簡稱“鉆孔造穴誘突”)過程的能量判據(jù)和突出后煤層卸壓情況等方面缺乏相關(guān)研究。

筆者在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析鉆孔造穴誘突煤體能量釋放的主要影響因素，分析鉆孔造穴誘突技術(shù)的實(shí)施路徑。結(jié)合現(xiàn)代通信和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，現(xiàn)場試驗(yàn)高瓦斯區(qū)的鉆孔造穴誘突技術(shù)和低瓦斯區(qū)的爆破誘突技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)人為制造突出、控制瓦斯的主動防突措施。研究內(nèi)容可為單一、低透、高瓦斯煤層礦井防災(zāi)、減災(zāi)提供參考。

1 突出瓦斯內(nèi)能解算

忽略煤層頂?shù)装宓膹椥詣菽茏饔?，發(fā)生突出時(shí)內(nèi)能關(guān)系表述如下[20]：

EP+U=A1+A2

(1)

式中：EP為煤體彈性勢能,kJ；U為瓦斯內(nèi)能,kJ；A1為煤體破碎功(指煤體彈性能的破碎功),kJ；A2為煤體拋出功,kJ。

1.1 鉆孔造穴誘突煤體結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合鉆孔造穴誘突工程實(shí)踐，建立煤體鉆孔造穴誘突三維結(jié)構(gòu)和微元體力學(xué)模型，如圖1所示。假設(shè)：①造穴鉆孔為底板穿層鉆孔，垂直于煤層,造穴后形成不規(guī)則豎向腔體；②考慮模型x、y2個方向應(yīng)力，不考慮z方向煤體自重應(yīng)力；③煤體瓦斯符合徑向穩(wěn)流條件；④突出過程近似為等溫過程。

(a)鉆孔造穴誘突三維結(jié)構(gòu)

(b)微元體力學(xué)模型

1.2 鉆孔造穴誘突煤體彈性勢能解算

煤層中鉆孔造穴形成腔體后，周圍煤體應(yīng)力重新分布。從腔體中心向外延伸，煤體分為3個應(yīng)力區(qū)，即塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[21-22]。塑性區(qū)煤體發(fā)生破壞，煤體保有殘余強(qiáng)度；彈性區(qū)煤體處于彈性變形階段，儲備有彈性勢能；原巖應(yīng)力區(qū)煤體未受到外力影響。

根據(jù)莫爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，利用微分方程，鉆孔造穴后煤層釋放的彈性勢能為：

(2)

(3)

聯(lián)合幾何方程和微分方程，利用彈性力學(xué)理論，彈性區(qū)的應(yīng)力分布方程為：

(4)

(5)

式中：w0為煤的原始總應(yīng)力,MPa；r為煤微元體距離腔體中心的距離,m；a2為彈性區(qū)中單位煤體表面孔隙比,%；p0為煤體的原始壓力,MPa；C為煤的黏聚力，kPa；φ為煤的內(nèi)摩擦角，(°)。

鉆孔造穴形成的腔體多為不規(guī)則形狀，采用插值求積公式求解不規(guī)則腔體的體積表達(dá)式，進(jìn)而得其彈性勢能表達(dá)式：

(6)

(7)

經(jīng)過對彈性勢能方程引入固定常數(shù)k1、k2和k3，并簡化計(jì)算，最終得到鉆孔造穴后煤層的彈性勢能方程：

(8)

k2=(3-6μ)σ2(1-a2)2

(9)

(10)

(11)

式中σ為煤體的原始有效應(yīng)力，MPa。

1.3 突出煤體瓦斯內(nèi)能

突出過程煤體瓦斯內(nèi)能主要由瓦斯膨脹能和壓力釋放能兩部分構(gòu)成，其中瓦斯膨脹能UP表達(dá)式如下[23]：

(12)

式中：V0為突出后游離瓦斯膨脹后的體積(對應(yīng)巷道瓦斯壓力p1),m3；p0為煤層原始瓦斯壓力，Pa;p1為巷道瓦斯壓力,Pa。

突出煤體瓦斯壓力釋放的能量UJ計(jì)算公式如下[20]：

(13)

式中：λ為解吸單位體積瓦斯時(shí)釋放的內(nèi)能,kJ；n為Airey常數(shù)，甲烷氣體n=1/2；D為瓦斯在煤層中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；T為突出周期，s；d為煤顆粒的平均直徑，m。

將公式(12)和(13)相加并引入固定常數(shù)k4，簡化計(jì)算得到瓦斯總內(nèi)能U方程：

(14)

U=V0p0[a2ln(p0/p1)+λk4]

(15)

1.4 鉆孔造穴煤體突出能量分析

按照突出能量理論，突出煤體的彈性能對煤體做破碎功，瓦斯內(nèi)能做搬運(yùn)和拋出功。在煤體造穴誘突三維結(jié)構(gòu)模型中，突出煤體的彈性能主要存儲于彈性區(qū)內(nèi)(見圖1)，而彈性區(qū)體量的大小由R0決定。根據(jù)煤體彈性勢能方程(11)可知，Ep與R0存在冪函數(shù)遞增關(guān)系，所以，增大R0是誘導(dǎo)鉆孔內(nèi)突出的必要條件。根據(jù)突出煤層瓦斯內(nèi)能方程(15)可知，U與p0呈指數(shù)函數(shù)遞增關(guān)系，所以，煤層原始瓦斯壓力(含量)的大小決定了鉆孔造穴突出是否發(fā)生及突出強(qiáng)度的高低。

2 鉆孔造穴誘突技術(shù)工程

2.1 試驗(yàn)礦井概況

鄭州煤電股份有限公司超化煤礦位于鄭州礦區(qū)新密煤田東部，礦井核定生產(chǎn)能力2.1 Mt/a，屬突出礦井。所采二1煤層為單一、松軟、低透、高突煤層。

2.2 鉆孔水力造穴誘突技術(shù)實(shí)踐

1)造穴設(shè)備及參數(shù)：水力造穴作業(yè)通過遠(yuǎn)距離視頻操作，作業(yè)機(jī)由現(xiàn)場自動控制鉆機(jī)和遠(yuǎn)程操控平臺兩部分組成，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)導(dǎo)入現(xiàn)場視頻和瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。鉆孔施工直徑113 mm，防噴孔系統(tǒng)排渣管直徑150 mm，防噴孔箱體積容量5 m3。

2)地點(diǎn)選取及設(shè)計(jì)：試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在21121底板抽放巷(下)，區(qū)域煤層瓦斯含量7.96～12.41 m3/t，煤層埋深473～493 m，煤層厚度4.0～5.9 m。鉆孔與煤層夾角65°～90°，鉆孔終孔點(diǎn)間距15 m。水力造穴作業(yè)期間采用防噴孔裝置控制瓦斯并進(jìn)行水、煤、氣分離，造穴水壓為0.5～15.0 MPa。

3)孔內(nèi)突出情況：據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控畫面顯示，隨著水力造穴作業(yè)的實(shí)施，孔內(nèi)造穴腔體進(jìn)一步被擴(kuò)大，在瓦斯和應(yīng)力作用下煤體達(dá)到了突出條件，突出發(fā)生時(shí)有大量煤粉和瓦斯噴出，如圖2所示。經(jīng)現(xiàn)場勘驗(yàn)，突出煤呈干燥粉末狀，粒徑在5 mm以下。

圖2 水力造穴誘突現(xiàn)場

2.2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算

通過查閱文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)測試獲取突出煤體相關(guān)參數(shù)，按照公式(11)和(15)計(jì)算突出能量值；統(tǒng)計(jì)鉆孔造穴卸煤量、突出煤量，并計(jì)算造穴半徑。不同煤層原始瓦斯含量條件下各造穴鉆孔的突出強(qiáng)度及瓦斯內(nèi)能見表1，同瓦斯含量條件下各鉆孔的造穴半徑、彈性勢能和突出強(qiáng)度見表2。

表1 突出內(nèi)能計(jì)算及突出參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 突出彈性勢能計(jì)算及突出參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2.2 結(jié)果分析

表1中突出強(qiáng)度與瓦斯內(nèi)能呈正相關(guān)關(guān)系，兩者關(guān)系曲線如圖3所示。表2中突出強(qiáng)度與彈性勢能也呈正相關(guān)關(guān)系，兩者關(guān)系曲線如圖4所示。經(jīng)對圖3和圖4中關(guān)系進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)圖3中線性擬合度R2=0.94，圖4中線性擬合度R2=0.74，擬合度較高。由此可見，瓦斯內(nèi)能是突出強(qiáng)度的主要影響因素，彈性勢能是影響突出強(qiáng)度的重要因素。對比瓦斯內(nèi)能和彈性勢能值，發(fā)現(xiàn)前者數(shù)值大小約是后者的103倍，可見突出過程中瓦斯內(nèi)能起主要作用。

圖3 突出強(qiáng)度與瓦斯內(nèi)能關(guān)系

圖4 突出強(qiáng)度與彈性勢能關(guān)系

基于鉆孔造穴誘突過程中突出能量和突出強(qiáng)度的關(guān)系分析，鉆孔造穴誘突能量耗散機(jī)制符合突出能量理論，所構(gòu)建的突出能量模型是合理、可行的。

2.2.3 瓦斯抽放效果考察

1)選取瓦斯含量為10 m3/t區(qū)域50個水力沖孔鉆孔(未采取造穴誘突措施)的平均瓦斯抽放量與造穴誘突鉆孔做對比。抽放40 d時(shí)，造穴誘突鉆孔平均單孔抽放瓦斯量4 331 m3，是普通水力沖孔鉆孔的3.4倍。

2)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)同瓦斯含量區(qū)域采取不同瓦斯治理措施后各巷道掘進(jìn)時(shí)突出預(yù)測指標(biāo)q、S值，發(fā)現(xiàn)采用水力造穴誘突技術(shù)措施后，q、S值分別降低了54%和14%。

2.3 鉆孔爆破誘突技術(shù)

在統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域鉆孔造穴誘突成功率等參數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆孔造穴誘突成功率在煤層瓦斯含量為9 m3/t左右時(shí)明顯增大，如圖5所示。

圖5 造穴誘突成功率與煤層平均瓦斯含量的關(guān)系

基于突出綜合作用假說和突出能量理論，并結(jié)合造穴誘突工程實(shí)踐分析，認(rèn)為當(dāng)煤層瓦斯含量低于9 m3/t時(shí)，在誘突過程中瓦斯總內(nèi)能的主要控制作用不明顯，只有繼續(xù)增大造穴腔體的體積，使突出的綜合條件發(fā)生演變，最終達(dá)到突出條件時(shí)才能發(fā)生突出。但是，若瓦斯含量過低，煤層中較低的瓦斯壓力很難拋出煤體做功[12]，造穴就很難誘發(fā)突出?？梢?，試驗(yàn)礦井煤層瓦斯含量低于9 m3/t時(shí)，鉆孔造穴誘突的成功率較低。所以，當(dāng)煤層瓦斯含量較低時(shí)，利用造穴腔體形成的煤壁應(yīng)力自由面，借助爆破沖擊力來破碎、拋出煤體不失為一種選擇。

綜合考慮抽放規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工效率和施工組織等因素，采用煤層瓦斯含量9 m3/t作為鉆孔造穴誘突和爆破誘突的“閾”值。

1)地點(diǎn)選取及設(shè)計(jì)：試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在21121底板抽放巷(上)，區(qū)域煤層瓦斯含量7.22～7.83 m3/t，煤層埋深423～473 m，煤層厚度4.5～5.5 m，鉆孔與煤層夾角63°～90°。爆破鉆孔位于導(dǎo)向鉆孔中間，鉆孔終孔間距15 m。導(dǎo)向孔為水力造穴鉆孔，施工孔徑113 mm，單孔卸煤量為1.5 t/m，爆破鉆孔孔徑94 mm，采用乳化炸藥爆破，煤孔段滿裝。

2)爆破誘突情況：據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控畫面顯示，爆破孔起爆后導(dǎo)向孔噴出大量煤屑(如圖6所示)，同時(shí)瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸?。?jīng)現(xiàn)場勘驗(yàn)，突出煤以粉末狀居多，其中夾雜有較大顆粒煤塊(最大直徑為35 mm)，煤粉干燥。

圖6 爆破誘突現(xiàn)場

分析認(rèn)為：爆破應(yīng)力破碎了導(dǎo)向孔和爆破孔之間的煤體，瓦斯得到釋放，在瓦斯內(nèi)能和爆炸能共同作用下搬運(yùn)、拋出破碎的煤體，致使導(dǎo)向孔內(nèi)發(fā)生突出。

3)瓦斯抽放效果考察：①選取瓦斯含量為8 m3/t區(qū)域50個水力沖孔鉆孔(未采取爆破誘突措施)的平均瓦斯抽放量與爆破誘突鉆孔做對比。抽放40 d時(shí)，爆破誘突鉆孔平均單孔抽放瓦斯量1 809 m3，是水力沖孔鉆孔的1.85倍。②經(jīng)過統(tǒng)計(jì)同瓦斯含量區(qū)域采取不同瓦斯治理措施后各巷道掘進(jìn)時(shí)突出預(yù)測指標(biāo)q、S值，發(fā)現(xiàn)采用鉆孔爆破誘突技術(shù)措施后，q、S值分別降低了45%和12%。

3 結(jié)論

1)鉆孔造穴誘突過程中能量耗散機(jī)制符合煤體造穴誘突三維結(jié)構(gòu)模型和推導(dǎo)的瓦斯能量方程。

2)試驗(yàn)礦井煤層瓦斯含量大于9 m3/t時(shí)宜采用水力造穴誘突技術(shù)，反之宜采用爆破誘突技術(shù)，以此為閾值搭配使用2種誘突技術(shù)措施，可提高防突效果。

3)水力造穴誘突過程容易造成巷道內(nèi)瓦斯超限，帶來安全問題。大容量、高密封、智能除渣的防噴孔裝置有待進(jìn)一步研發(fā)，造穴智能化施工裝備技術(shù)有待進(jìn)一步完善。