石門(mén)揭煤局部防突措施研究進(jìn)展及展望

梁躍輝 ，石必明 ，岳基偉 ,2，王 成 ，胡 濤

（1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.煤礦深井開(kāi)采災(zāi)害防治技術(shù)科技研發(fā)平臺(tái)（安徽理工大學(xué)），安徽 淮南 232001）

隨著我國(guó)煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采階段，工作面瓦斯突出防治面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石門(mén)揭煤突出的平均強(qiáng)度至少是其他突出的6 倍，超過(guò)80% 的特大型突出事故發(fā)生在石門(mén)揭煤過(guò)程[1]，快速、有效地完成石門(mén)揭煤防突是我國(guó)目前面臨的1 個(gè)卡脖子難題。突出煤層以III～V 類構(gòu)造煤為主，其具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜、層理紊亂、力學(xué)性質(zhì)差、滲透率低等特點(diǎn)，突出可造成大量瓦斯逆流達(dá)數(shù)千米[2]，較容易發(fā)生瓦斯爆炸，造成大量的人員和財(cái)產(chǎn)損失，給整個(gè)礦井系統(tǒng)帶來(lái)巨大的災(zāi)難。因此，快速、高效、安全揭開(kāi)突出煤層對(duì)當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)工作具有重要意義。

石門(mén)揭煤中傳統(tǒng)的局部防突措施包括鉆孔抽采瓦斯、鉆孔排放瓦斯、水力化措施、金屬骨架、煤體固化、深孔預(yù)裂爆破等，側(cè)重于降低煤層儲(chǔ)能，對(duì)提高煤體強(qiáng)度的關(guān)注程度不夠。因此，在降低煤層儲(chǔ)能同時(shí)提高煤體強(qiáng)度是石門(mén)揭煤防突工作的關(guān)鍵一環(huán)。近年來(lái)，瓦斯防突領(lǐng)域中涌現(xiàn)出一些新的技術(shù)和思路，如液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電、低溫冷凍等。

隨著人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，煤礦安全生產(chǎn)也進(jìn)入了智能化發(fā)展的新階段。王國(guó)法等[3]設(shè)計(jì)了“井上智能決策、井下自動(dòng)執(zhí)行、面內(nèi)無(wú)人作業(yè)”的智能無(wú)人開(kāi)采模式，應(yīng)用于黃陵一礦，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自行運(yùn)轉(zhuǎn)、人員輔助控制的常態(tài)化生產(chǎn)；魏連江等[4]開(kāi)發(fā)了礦井智能通風(fēng)與應(yīng)急決策平臺(tái)，在羊場(chǎng)灣煤礦、付村煤礦和轉(zhuǎn)龍灣煤礦進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)解算與異常智能診斷、應(yīng)急調(diào)控及災(zāi)情研判。智能化技術(shù)能夠在煤礦開(kāi)采過(guò)程中提高作業(yè)效率，同時(shí)減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。因此，智能化防突技術(shù)是石門(mén)揭煤防突工作進(jìn)一步發(fā)展的必經(jīng)之路。

由于煤層儲(chǔ)能及煤體力學(xué)性質(zhì)是影響煤與瓦斯突出的主要因素，基于石門(mén)揭煤局部防突領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及不足；為此，結(jié)合智能化技術(shù)，提出“智能鉆-抽-注”一體化措施，實(shí)現(xiàn)“一孔多功能”，完成快速、安全石門(mén)揭煤的目標(biāo)。

1 石門(mén)揭煤局部防突圖譜分析

1.1 研究熱點(diǎn)圖譜分析

為了全面分析我國(guó)石門(mén)揭煤局部防突的研究發(fā)展，依托中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)高級(jí)檢索功能，選擇主題“石門(mén)揭煤”和“防突”或“消突”進(jìn)行擴(kuò)展檢索，查詢得到1993 年至2023 年間的4 827 篇文獻(xiàn)。經(jīng)人工篩查和去重，將3 610 篇有效文獻(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CiteSpace 軟件中生成研究熱點(diǎn)及趨勢(shì)圖譜進(jìn)行分析[5]。

借助CiteSpace 軟件對(duì)所選文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行匯總，進(jìn)而得到石門(mén)揭煤局部防突的關(guān)鍵詞聚類，分析研究熱點(diǎn)及不同熱點(diǎn)間的聯(lián)系。關(guān)鍵詞聚類分析圖如圖1。

圖1 關(guān)鍵詞聚類分析圖Fig.1 Keywords clustering graph

關(guān)鍵詞聚類圖譜由聚類和節(jié)點(diǎn)組成，借助共被引耦合分析提取詞匯[6]，需將聚類標(biāo)簽設(shè)置為“Keyword”，以聚類圖譜形式展出。研究分析產(chǎn)出的關(guān)鍵詞聚類圖譜中，共有436 個(gè)節(jié)點(diǎn)，950 條連線。其節(jié)點(diǎn)間的連線表明2 個(gè)關(guān)鍵詞之間存在聯(lián)系，可反映石門(mén)揭煤局部防突的詳細(xì)信息，檢測(cè)研究該領(lǐng)域關(guān)鍵詞的產(chǎn)生和發(fā)展情況。依據(jù)研究主題對(duì)聚類標(biāo)簽進(jìn)行相關(guān)性篩選，選取聚類強(qiáng)度前10 名的聚類標(biāo)簽進(jìn)行呈現(xiàn)[7]。聚類#0 位于圖譜的中間部分，是該聚類團(tuán)體的核心，同時(shí)也是瓦斯防突領(lǐng)域中主要的研究對(duì)象。

運(yùn)用LLR 算法對(duì)關(guān)鍵詞聚類標(biāo)簽進(jìn)行提取，得出聚類模塊值Q為0.571 3，平均輪廓值S為0.770 4，調(diào)和平均值為0.656 1。經(jīng)核驗(yàn)，上述參數(shù)均在合理區(qū)間（Q＞0.3，S＞0.7）內(nèi)，呈現(xiàn)出的聚類結(jié)果準(zhǔn)確且效果顯著。為保證圖譜的清晰度，選取節(jié)點(diǎn)數(shù)量在40 以上的聚類進(jìn)行呈現(xiàn)。聚類排序靠前則表示聚類的范圍廣，所涉及的文獻(xiàn)數(shù)量就越多，是重點(diǎn)研究的主題。由圖1 可知，絕大部分聚類的結(jié)果存在重疊，但重疊區(qū)域的大小不一，體現(xiàn)出石門(mén)揭煤局部防突各技術(shù)方法間雖有差異，但聯(lián)系緊密且主題集中。

通過(guò)對(duì)聚類的分析整理，獲得石門(mén)揭煤局部防突工作中主要的技術(shù)手段為抽采瓦斯、排放瓦斯、水力化措施、金屬骨架、煤體固化、深孔預(yù)裂爆破、液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電、低溫冷凍，共計(jì)9 種技術(shù)方法。其中，抽采瓦斯、排放瓦斯、水力化措施在該領(lǐng)域的文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻率最高，是消除煤與瓦斯突出的重要技術(shù)手段。液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電、低溫冷凍的關(guān)鍵詞顯現(xiàn)頻率相對(duì)較低，但為石門(mén)揭煤局部防突工作提供了新的選擇，同時(shí)為現(xiàn)代科研工作者提供了新的研究思路和目標(biāo)。

1.2 研究進(jìn)展圖譜分析

借助關(guān)鍵詞聚類分析圖譜，鎖定了該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)即主要防突措施，對(duì)上述文獻(xiàn)數(shù)據(jù)形成的關(guān)鍵詞時(shí)空分布圖譜進(jìn)行分析，進(jìn)而展開(kāi)該領(lǐng)域研究進(jìn)展的可視化分析[8]。關(guān)鍵詞時(shí)區(qū)分布圖如圖2。

圖2 關(guān)鍵詞時(shí)區(qū)分布圖Fig.2 Timezone distribution of keywords

梳理出7 個(gè)主要時(shí)區(qū)，486 個(gè)節(jié)點(diǎn)，944 個(gè)連線，密度為0.008。為便于觀察1993 年至2023 年行業(yè)熱點(diǎn)的發(fā)展情況，利用節(jié)點(diǎn)大小代替領(lǐng)域內(nèi)熱點(diǎn)詞出現(xiàn)頻率[9]，更加清楚地體現(xiàn)了石門(mén)揭煤局部防突領(lǐng)域在各個(gè)時(shí)期內(nèi)研究熱點(diǎn)的演變規(guī)律。該領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞和突現(xiàn)詞主要集中在石門(mén)揭煤、抽采瓦斯、排放瓦斯以及水力化措施4 個(gè)聚類。

石門(mén)揭煤時(shí)區(qū)軸中部的高頻關(guān)鍵詞數(shù)目最多，初始年份集中于1993 年至2000 年，包括有瓦斯防治、低透氣性、防突措施等高頻關(guān)鍵詞，表明了該期間內(nèi)石門(mén)揭煤方面的研究熱點(diǎn)的具體信息。1995 年至2010 年關(guān)鍵詞聚類和連線數(shù)目最多，表明研究活動(dòng)頻繁，為石門(mén)揭煤局部防突領(lǐng)域發(fā)展的高潮期，該時(shí)段也是我國(guó)煤炭行業(yè)發(fā)展的黃金期。

聚類#1 抽采瓦斯的時(shí)區(qū)分布軸線中，顯現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞主要有瓦斯含量、鉆孔抽采和地面井；在聚類#2 排放瓦斯方面的關(guān)注重點(diǎn)主要包括低透氣性、消突、以孔代巷等；在聚類#3 水力化措施的時(shí)區(qū)分布軸線上，突現(xiàn)詞的節(jié)點(diǎn)較小，初始年份較晚，水力割縫于2000 年以后研究較多，水力造穴在2015 年以后受到更多的關(guān)注；上述2 點(diǎn)是水力化措施在這5 年內(nèi)的研究熱點(diǎn)，有關(guān)學(xué)者對(duì)此討論和探究較為活躍；圖中聚類#7、#8 出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞較少，由于其起步相對(duì)較晚，仍有很大的研究及發(fā)展空間；聚類#9 低溫冷凍自2005 年后被提出，引用頻率較少，表明該技術(shù)具有很大的探索和發(fā)展前景。

2 石門(mén)揭煤局部防突措施現(xiàn)狀

2.1 鉆孔抽采瓦斯

預(yù)抽瓦斯是在開(kāi)采煤層或掘進(jìn)前，突出危險(xiǎn)性煤層中施工若干鉆孔，隨后進(jìn)行封孔，借助瓦斯抽采泵運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)壓，通過(guò)管路系統(tǒng)將瓦斯抽出[10]。鉆孔抽采瓦斯示意圖如圖3。

圖3 鉆孔抽采瓦斯示意圖Fig.3 Diagram of drilling for gas extraction

經(jīng)過(guò)數(shù)月的抽放瓦斯，使得揭煤區(qū)域內(nèi)的瓦斯含量和瓦斯壓力降低，瓦斯?jié)撃艿玫綔p緩，突出煤層的煤體彈性模量增大，產(chǎn)生收縮變形[11]，石門(mén)工作面應(yīng)力集中向遠(yuǎn)處推移，煤層透氣性系數(shù)增大，從而使突出危險(xiǎn)性減弱或消除。

其中，鉆孔的有效抽放半徑、預(yù)抽時(shí)間、抽采負(fù)壓根據(jù)煤層的實(shí)際賦存條件而定[12]。鉆孔直徑通常為75～120 mm，工作面四周控制范圍：下方至少3 m，其他部位至少5 m[13]。

2.2 鉆孔排放瓦斯

排放鉆孔與外界相通，通常認(rèn)為排放鉆孔內(nèi)瓦斯壓力為0.1 MPa，突出煤層內(nèi)的瓦斯壓力較大且內(nèi)部由遠(yuǎn)及近的瓦斯壓力梯度較大[14]，因此煤層內(nèi)瓦斯源源不斷地通過(guò)鉆孔逸散。鉆孔影響區(qū)域內(nèi)瓦斯含量下降后，鉆孔周圍應(yīng)力重新分布，使得煤層趨于穩(wěn)定[15]，即有效減弱或控制了突出危險(xiǎn)性。

鉆孔排放瓦斯是在井下氣壓的環(huán)境下，通過(guò)一定尺寸的鉆孔排放瓦斯，不需要外部動(dòng)力源。在減小突出危險(xiǎn)性方面與鉆孔抽采瓦斯作用機(jī)理相似，通過(guò)降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，降低煤與瓦斯突出的儲(chǔ)能。

2.3 水力化措施

水力化措施主要包括水力壓裂、水力沖孔、水射流割縫、水射流擴(kuò)孔等，該類技術(shù)破碎煤體后形成自由面，為煤體提供變形空間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的卸壓增透[16]。水力沖孔示意圖如圖4。

圖4 水力沖孔示意圖Fig.4 Diagram of hydraulic punching

康向濤等[17]探究了多煤層聯(lián)合水壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律，通過(guò)注射高壓水致裂煤體，促進(jìn)裂隙發(fā)育，從而提高透氣性，使得揭煤時(shí)間縮短43 d，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了83%；LI[18]分析了煤層物性對(duì)水力沖孔治理瓦斯效果的影響，在趙莊煤礦進(jìn)行工業(yè)化實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加沖孔壓力可以顯著提高沖孔效率；程波等[19]基于超高壓水力割縫設(shè)備，將水力割縫技術(shù)與高瓦斯煤層掘進(jìn)有機(jī)結(jié)合，并在潞安一緣煤礦應(yīng)用，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采量提高2.36～2.4 倍，日進(jìn)尺量提高近2.5 倍；李生舟等[20]在桑樹(shù)坪煤礦開(kāi)展水射流擴(kuò)孔卸壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抽采鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)降低65%～74%，自然瓦斯涌出流量提高了2～3 倍。

上述水力化措施造成鉆孔周圍應(yīng)力發(fā)生突變，依據(jù)瓦斯?jié)B流-擴(kuò)散理論，煤層瓦斯存在滲透和擴(kuò)散的混合流動(dòng)過(guò)程[21]，煤層內(nèi)部瓦斯流動(dòng)狀態(tài)得到改善，吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)的瓦斯量增加，瓦斯?jié)撃塬@得釋放。

2.4 金屬骨架

當(dāng)石門(mén)工作面距突出危險(xiǎn)煤層一定距離時(shí)，在石門(mén)上部和兩幫外0.5～1.0 m 范圍布置鉆孔。硬煤骨架鉆孔間距在0.3 m 以內(nèi)，軟煤骨架鉆孔間距應(yīng)小于0.2 m[22]。鉆孔穿過(guò)煤層至巖層0.5 m 時(shí)終止，孔間距通常為0.2 m 左右，終孔應(yīng)穿透整個(gè)煤層并穿透突出危險(xiǎn)性煤層頂板應(yīng)大于0.5 m。裝入骨架后，向孔內(nèi)灌注水泥砂漿等固化材料，增加孔內(nèi)骨架與煤體的黏結(jié)性。金屬骨架示意圖如圖5。

圖5 金屬骨架示意圖Fig.5 Diagram of metal skeleton

通常石門(mén)可以從頂板或底板揭煤，但在底板揭煤過(guò)程中，頂板煤體容易松動(dòng)，易發(fā)生掉頂、冒頂事故[23]。從而給頂板的管理帶來(lái)了困難，使得巷道掘進(jìn)速度緩慢、成型率低，易造成瓦斯超限或煤與瓦斯突出。此時(shí)，金屬骨架被作用的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于骨架的強(qiáng)度，導(dǎo)致骨架會(huì)向巷道方向變形，致使金屬骨架達(dá)到受力平衡。

超前錨桿是主動(dòng)管理頂?shù)装宓墓ぞ撸^桿支護(hù)具有加固拱、懸吊、減小跨度、組合梁、圍巖補(bǔ)強(qiáng)等作用[24]。通常用超前錨桿作金屬骨架，其加固作用、懸吊作用和組合梁作用能夠?qū)⒋蛳锏琅c圍巖分離開(kāi)，從而增加井壁煤體抗壓強(qiáng)度[25]，減少抽冒事故發(fā)生。

2.5 煤體固化

煤是一種雙重孔隙介質(zhì)[26]。因此，向煤體中高壓注入性能適宜的固化劑，能夠填充煤體的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，使得煤體發(fā)生固化。煤體固化后產(chǎn)生的效果如下：①固化液脫水固化，煤層內(nèi)裂隙、孔隙得到充填，使得孔隙率大幅度降低[27]，煤體內(nèi)吸附態(tài)瓦斯較難轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯，使瓦斯放散初速度降低[28]，減少了遠(yuǎn)距離瓦斯向揭煤區(qū)域的流動(dòng)，抑制煤與瓦斯失穩(wěn)后瓦斯膨脹能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化[29]；②煤體與巖石交界處黏結(jié)形成整體，彈塑性、脆性、韌性提高，避免了煤巖交界面的圍巖應(yīng)力間斷，提高了煤體的內(nèi)黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，使得煤與瓦斯突出阻力增大，降低揭煤時(shí)突出危險(xiǎn)性[30-32]。

劉明等[33]分析了不同煤體強(qiáng)度及注漿壓力下的固化效果和漿液在煤層中的擴(kuò)散形態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)注漿發(fā)現(xiàn)頂?shù)装逡平孔畲鬄?5 mm，兩幫移近量最大為146 mm，注漿后圍巖變形不大，在支護(hù)材料承受極限內(nèi)，有效提高了煤層巷道的穩(wěn)定性。

2.6 深孔預(yù)裂爆破

深孔預(yù)裂爆破對(duì)低透氣性煤層作用效果顯著，爆破后可產(chǎn)生和擴(kuò)展裂隙[34]。在煤體中施工爆破孔，借助藥柱爆炸瞬間產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波和爆生氣體，使煤體破裂和松動(dòng)，在爆破孔周圍形成裂隙網(wǎng)[35]，使煤層透氣性提高，卸壓瓦斯大量逸散，煤體和圍巖中的瓦斯膨脹能和潛能得到釋放。

應(yīng)力波自煤體內(nèi)部傳播到控制孔時(shí)，應(yīng)力波方向拉伸，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生徑向位移。當(dāng)介質(zhì)抗拉強(qiáng)度小于切向拉伸應(yīng)力時(shí)，徑向裂隙會(huì)隨應(yīng)力波向前傳播而擴(kuò)展，直至爆炸應(yīng)力波全部衰減到介質(zhì)抗拉強(qiáng)度以下，裂隙停止發(fā)展。由于介質(zhì)抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于爆炸應(yīng)力波所產(chǎn)生的壓力，因此爆破孔附近介質(zhì)被壓縮和粉碎，形成壓縮粉碎區(qū)域，介質(zhì)的破碎也消耗了大部分能量[36-38]。

爆生氣體隨著應(yīng)力波向前傳播的同時(shí)自身發(fā)生膨脹，產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)。由于爆生氣體的尖劈作用，楔入已張開(kāi)的裂隙中，使裂隙不斷擴(kuò)展，進(jìn)而在炮孔周圍形成環(huán)向裂隙[39-40]。

2.7 液態(tài)CO2 相變致裂

液態(tài)CO2相變致裂設(shè)備主要由加熱管、儲(chǔ)液管、注液閥、定壓泄能片和釋放管組成，攜帶輕便，操作安全便捷。通過(guò)加熱儲(chǔ)液管，讓液態(tài)CO2在短時(shí)間內(nèi)吸收大量熱能，體積迅速膨脹約600 倍，所產(chǎn)生的高壓氣體透過(guò)排放孔迅速向外噴出，強(qiáng)大的沖擊力破壞外圍煤巖體。劈裂煤體形成新生裂隙，并進(jìn)一步膨脹從而擴(kuò)展和延伸原始裂隙，形成壓縮粉碎區(qū)和裂隙，達(dá)到煤層致裂效果，實(shí)現(xiàn)卸壓增透目的。

蘇偉偉[41]在鉆孔抽采瓦斯后實(shí)施液態(tài)CO2相變致裂，鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛忍嵘?2.4%，每日單孔平均抽采量增加約1.4 倍，抽采率達(dá)到48.16%，縮短抽采時(shí)間為43%；韋善陽(yáng)等[42]在金佳煤礦進(jìn)行CO2相變致裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用在穿層孔的效果要優(yōu)于順層孔，在鉆孔瓦斯抽采的基礎(chǔ)上減少煤層瓦斯含量6%～12%，減少煤層瓦斯壓力9%～12%。

2.8 高壓脈沖放電

高壓脈沖放電技術(shù)已在油氣開(kāi)采中廣泛應(yīng)用，同樣在石門(mén)揭煤局部防突中也具有廣闊的應(yīng)用前景。主要利用高壓脈沖放電產(chǎn)生的液電效應(yīng)，形成高壓脈沖水激波，作用于煤體在孔裂隙發(fā)育區(qū)域、礦物質(zhì)和煤基質(zhì)的交界面處形成裂隙，使得煤體瓦斯運(yùn)移空間增大且流動(dòng)阻力降低，從而增加煤層滲透性。通常與水力壓裂組合使用，具有無(wú)污染、可控性高及增透范圍廣等優(yōu)勢(shì)。

馮仁俊[43]在逢春煤礦開(kāi)展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖滲透技術(shù)的影響范圍比常規(guī)壓裂提高約33%；時(shí)亞軍等[44]將該技術(shù)在首山一礦應(yīng)用，使得排放鉆孔數(shù)目減少44.4%，揭煤周期縮短了35.9%。

2.9 低溫冷凍

2.9.1 低溫冷凍方法

低溫冷凍分為直接和間接2 種方法，在井下應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于煤層含水率、制冷設(shè)備及管路材質(zhì)存在一定要求。間接凍結(jié)法用氨壓縮鹽溶液，作為冷媒介在埋設(shè)的管道中流動(dòng)，吸收煤層熱量，不斷循環(huán)制冷直至凍結(jié)。而直接凍結(jié)法無(wú)需循環(huán)制冷，利用液氮自身的相變凍結(jié)待揭的突出危險(xiǎn)煤層，相對(duì)于間接法具有冷凍速度快、效率高、無(wú)污染、凍結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)。液氮凍結(jié)內(nèi)部示意圖如圖6。

圖6 液氮凍結(jié)內(nèi)部示意圖Fig.6 Diagram of liquid nitrogen freezing inside

基于石門(mén)揭煤過(guò)程，馮濤等[45]、謝雄剛[46]對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)和注液凍結(jié)作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和可行性論證，借助ANSYS 數(shù)值模擬和RFPA2D分析軟件對(duì)凍結(jié)煤層瓦斯突出過(guò)程進(jìn)行了模擬研究；翟成等[47]、周震等[48]采用核磁共振技術(shù)測(cè)試分析了低溫冷凍石門(mén)揭煤過(guò)程煤樣中未凍結(jié)水分的變化，利用溫度測(cè)量、紅外熱成像、單軸壓縮分析凍結(jié)情況下的煤樣溫度和應(yīng)力隨時(shí)間變化的特征。

2.9.2 冷凍煤體力學(xué)性能

為探究低溫冷凍對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的影響，測(cè)試了不同溫度、不同含水率（5%、10%、15%）下冷凍煤體抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化[49]，從而驗(yàn)證低溫冷凍技術(shù)對(duì)于石門(mén)揭煤局部防突工作的有效性。不同溫度下煤體力學(xué)性能變化如圖7。

圖7 不同溫度下煤體力學(xué)性能變化Fig.7 Variation of mechanical properties of coal bodies at different temperatures

在0 ℃以下，煤體抗拉強(qiáng)度隨著溫度的降低呈線性增長(zhǎng)。并且隨著煤體含水率的增加，抗拉強(qiáng)度的變化越明顯。例如，冷凍溫度為-30 ℃時(shí)，水分含量5%、10%、15%對(duì)應(yīng)條件下的抗拉強(qiáng)度分別提高了32%、46%、62%。

通過(guò)煤樣在不同冷凍溫度下的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試可知，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而線性增加。由于煤體裂隙中的水分子在凍結(jié)時(shí)有效地黏合了煤基，因此含水量越大，膠結(jié)效果越好。煤和水被凍結(jié)成一個(gè)整體，抗壓強(qiáng)度顯著提升。

冷凍煤體的彈性模量與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相似。即冷凍溫度越低，彈性模量越大。例如，當(dāng)凍結(jié)溫度達(dá)-30 ℃時(shí)，含水量5%、10%、15%對(duì)應(yīng)的煤體彈性模量增幅達(dá)25%、26%、34%。

2.9.3 冷凍煤體吸附性能

在恒溫條件下，開(kāi)展冷凍煤體的高壓等溫吸附試驗(yàn)[50]，分析低溫冷凍對(duì)煤體吸附性能的影響。不同溫度下煤體吸附瓦斯量變化如圖8。

圖8 不同溫度下煤體吸附瓦斯量變化Fig.8 Adsorption isotherm at different temperatures

溫度對(duì)煤體瓦斯吸附曲線影響明顯，即溫度越低，煤體吸附瓦斯量越大。當(dāng)溫度保持恒定時(shí)，煤體的吸附瓦斯能力伴隨瓦斯壓力的升高而增大，當(dāng)瓦斯壓力升到閾值時(shí)，煤體吸附能力趨于飽和，隨后其吸附量不再隨瓦斯壓力的增大而增加。

由于溫度對(duì)煤體吸附具有活化作用，溫度越低，煤體吸附瓦斯的能力越高，游離態(tài)瓦斯則越少。故當(dāng)瓦斯壓力一定時(shí)，隨著溫度的降低，煤體瓦斯吸附量呈上升趨勢(shì)。

2.9.4 冷凍煤體瓦斯壓力

為分析低溫冷凍對(duì)煤體瓦斯壓力的影響，在相同初始溫度（20 ℃）和吸附平衡壓力（1.7 MPa）下，測(cè)試不同含水率煤體在不同溫度下的吸附平衡壓力變化[49]。不同溫度下煤體瓦斯壓力變化如圖9。

圖9 不同溫度下煤體瓦斯壓力變化Fig.9 Changes of gas pressure in coal body at different temperatures

隨著溫度的降低，煤樣罐中的瓦斯壓力迅速下降；而在同一溫度下，煤體含水量越小，瓦斯壓力越低。表明低溫冷凍不僅能增強(qiáng)煤體吸附性能（即吸附瓦斯量增加），還能降低游離瓦斯壓力。由于水分子在煤體中占據(jù)一部分吸附位點(diǎn)，而煤體含水量越大，殘留的吸附位點(diǎn)越少。因此，當(dāng)煤體含水率較高時(shí)，瓦斯吸附能力下降，游離瓦斯壓力也相對(duì)較大。

2.9.5 低溫冷凍技術(shù)特點(diǎn)及適用性

低溫冷凍在石門(mén)揭煤防突方面的作用如下：①凍結(jié)后煤體的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量增大即煤層的力學(xué)性能增強(qiáng)；②隨著溫度降低，煤體吸附瓦斯的能力越高，游離態(tài)瓦斯減少；③凍結(jié)后的煤層瓦斯壓力降低；④凍結(jié)溫度達(dá)閾值時(shí)，卸壓帶強(qiáng)度和寬度能夠阻止煤體內(nèi)部積聚的彈性潛能和瓦斯膨脹能釋放，降低突出危險(xiǎn)性。

依據(jù)煤與瓦斯突出機(jī)理，煤與瓦斯突出是煤層儲(chǔ)能失穩(wěn)并突破煤體抵抗能力的結(jié)果，因此局部防突工作需從能量和強(qiáng)度2 方面的影響機(jī)制開(kāi)展研究。通過(guò)上述防突措施現(xiàn)狀及對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前石門(mén)揭煤局部防突措施主要通過(guò)降低煤層儲(chǔ)能達(dá)到防突目的，對(duì)于提高煤體強(qiáng)度方面的兼顧性不足。而低溫冷凍技術(shù)具有降低煤層儲(chǔ)能、提高煤體強(qiáng)度的雙重功效，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于含流沙地層、破碎地層等特殊條件下的井筒開(kāi)鑿和巷道開(kāi)挖。其冷凍鑿井過(guò)程對(duì)石門(mén)揭煤中煤與瓦斯突出防治工作具有一定參考價(jià)值。含瓦斯煤體是具有“氣-液-固耦合”特征的非常規(guī)巖體，利用低溫冷凍技術(shù)進(jìn)行局部防突將具有特殊性。

在石門(mén)揭煤局部防突工作中，傳統(tǒng)防突措施需耗時(shí)近10 個(gè)月，特別是對(duì)于松軟煤層，施工成本較高。而低溫冷凍技術(shù)在可以2 個(gè)月左右實(shí)現(xiàn)凍結(jié)[49]，能快速安全地進(jìn)行石門(mén)揭煤，產(chǎn)生了極大的間接經(jīng)濟(jì)效益。相對(duì)于傳統(tǒng)防突措施，該技術(shù)工程量小、施工難度低，不產(chǎn)生有毒、有害氣體，具備更高的經(jīng)濟(jì)性及安全性。因此，將該技術(shù)應(yīng)用于低透氣性或深部開(kāi)采的石門(mén)揭煤瓦斯突出工作面，對(duì)于減少煤礦瓦斯災(zāi)害事故具有重要的作用。

石門(mén)揭煤局部防突措施對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 石門(mén)揭煤局部防突措施對(duì)比分析表Table 1 Comparative analysis table of local outburst prevention measures of rock cross-cut coal uncovering

3 當(dāng)前存在的不足

3.1 鉆孔抽采與排放瓦斯

1）對(duì)透氣性系數(shù)低和高地應(yīng)力的煤層適用效果較差、工程量大、抽排時(shí)間長(zhǎng)，需要提前進(jìn)行施工，容易造成采掘接替緊張。

2）雖然鉆孔抽采量隨時(shí)間增大，但變化率是降低的，預(yù)抽時(shí)間達(dá)到特定值時(shí)，會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而累計(jì)抽采量不再增大，因此瓦斯抽采具有時(shí)效性和空間性。

3）該類措施會(huì)對(duì)煤體造成一定程度的破壞，瓦斯?jié)撃茈m然得到釋放，但煤體強(qiáng)度的降低也會(huì)影響煤體對(duì)突出的抵抗作用。

3.2 水力化措施

1）水力沖孔為下向孔時(shí)，煤渣要克服自身的重力排出鉆孔，水力化措施適用效果較差，同時(shí)對(duì)于立井揭煤工作面不宜采用水力沖孔。

2）在水射流割縫、水力擴(kuò)孔破煤及自激振蕩脈沖水射流割縫的過(guò)程中，當(dāng)煤屑脫離煤體時(shí)，煤體與煤屑的接觸面會(huì)產(chǎn)生吸附態(tài)的瓦斯解吸。

3）水力壓裂后留在孔內(nèi)的鋼管影響后期采掘作業(yè)，在水力壓裂控制范圍內(nèi)很難保證煤體均勻卸壓且不留空白帶。

4）實(shí)施水力化措施后，鉆孔周圍煤體強(qiáng)度會(huì)降低，雖然瓦斯?jié)撃艿玫结尫?，但未考慮煤體抗壓強(qiáng)度的影響。

3.3 金屬骨架

1）金屬骨架間接提高了煤巖支撐穩(wěn)定性，但未從地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體的力學(xué)性質(zhì)方面消除煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

2）對(duì)于厚度超過(guò)4 m 的煤層，金屬骨架容易失去穩(wěn)定性。

3）施工過(guò)程中常出現(xiàn)塌孔，使得安裝骨架材料過(guò)程緩慢。

4）對(duì)于緩傾斜煤層，金屬骨架所受到的應(yīng)力較大，造成使用效果較差。

3.4 煤體固化

1）固化液選取、配比過(guò)程較為繁瑣，并且注入過(guò)程中需要其它輔助設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，否則瓦斯不能得到有效排放。

2）注入的漿體在鉆孔內(nèi)分布可能不均勻，使得固化效果降低。

3）若揭煤工期延長(zhǎng)，固化部分反而會(huì)使鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)、排放受阻，造成煤層內(nèi)部瓦斯壓力升高，突出危險(xiǎn)程度增大。

3.5 深孔預(yù)裂爆破

1）爆破后會(huì)對(duì)巷道圍巖造成一定程度的破壞，為避免冒頂事故，往往選擇短循環(huán)掘進(jìn)，這又將延長(zhǎng)揭煤工期。

2）爆破所需炸藥較難獲得，同時(shí)為井下安全管理工作增加了難度。

3）該類措施對(duì)鉆孔參數(shù)和施工工藝要求程度高，若煤體松軟，鉆孔施工存在困難，即使成孔也存在塌孔的風(fēng)險(xiǎn)。

4）深孔預(yù)裂爆破依托一定厚度的保安巖柱，若被破壞或穩(wěn)定性不足，將會(huì)引發(fā)巷道誤揭煤層，誘導(dǎo)突出事故的發(fā)生。

3.6 液態(tài)CO2 相變致裂

1）加熱管屬于公安管制用品，尚無(wú)明確的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范管理，施工成本較高。

2）在瓦斯壓力、地應(yīng)力以及煤巖堅(jiān)固性系數(shù)等多因素影響下，增透范圍和強(qiáng)度不及炸藥，較難實(shí)現(xiàn)定向增透。

3）布孔參數(shù)設(shè)置尚無(wú)明確依據(jù)，相變致裂后煤層抽采有效半徑與預(yù)抽時(shí)間的關(guān)系及影響規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

3.7 高壓脈沖放電

1）常用的電源裝置體積較大，若將電源置于井上，又存在一定的能量損耗問(wèn)題。因此，亟需研發(fā)高儲(chǔ)能密度的電容應(yīng)用于井下有限空間作業(yè)。

2）實(shí)驗(yàn)裝置在運(yùn)行過(guò)程中，往往出現(xiàn)強(qiáng)烈電磁干擾，存在電流、電壓突變和燒蝕電極等問(wèn)題。結(jié)合井下環(huán)境，研制導(dǎo)電性能好、抗燒蝕的電極是亟須解決的技術(shù)難題。

3）煤巖圍壓對(duì)裂縫起裂和擴(kuò)展有抑制作用。液相介質(zhì)及煤巖的導(dǎo)電率同樣對(duì)高壓脈沖放電致裂效果存在影響，需進(jìn)一步探索。

3.8 低溫冷凍

1）當(dāng)前冷凍煤體力學(xué)性能的相關(guān)研究中缺少對(duì)含瓦斯煤體的分析與探究。

2）當(dāng)煤層中積聚的能量超過(guò)煤體承載能力時(shí)，可能會(huì)發(fā)生煤與瓦斯突出，而低溫冷凍會(huì)引起含瓦斯煤體能量的重新分布，其影響規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

3）根據(jù)煤層賦存條件，要消除石門(mén)揭煤的突出危險(xiǎn)性，凍結(jié)液的用量需要進(jìn)行精密的計(jì)算，并對(duì)井下制備及存儲(chǔ)工作存在考驗(yàn)。

4）由于凍結(jié)液的消耗速度快，需人工配合注料，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間不間斷注入。

4 石門(mén)揭煤局部防突措施展望

4.1 低溫冷凍研究展望

石門(mén)揭煤過(guò)程是一項(xiàng)危險(xiǎn)性較高的生產(chǎn)工序，傳統(tǒng)防突措施往往具有較大的動(dòng)力過(guò)程，對(duì)煤體存在一定程度的擾動(dòng)，存在誘導(dǎo)突出的隱患。近年來(lái)，瓦斯防突領(lǐng)域中涌現(xiàn)出如液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電等防突新技術(shù)，側(cè)重于降低煤層儲(chǔ)能，未能同時(shí)考慮提高煤體強(qiáng)度。仍需進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)理論研究，并嘗試將傳統(tǒng)防突措施中的優(yōu)勢(shì)與新興技術(shù)有機(jī)結(jié)合，從而有效推進(jìn)石門(mén)揭煤局部防突措施發(fā)展。

通過(guò)建立多物理場(chǎng)耦合模型、理論分析、工程實(shí)踐驗(yàn)證3 方面相結(jié)合，為低溫冷凍技術(shù)在石門(mén)揭煤局部防突中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

圍繞低溫冷凍條件下含瓦斯煤體強(qiáng)度和煤層儲(chǔ)能的變化，從以下6 個(gè)方面展開(kāi)研究：①瓦斯、水、煤層凍結(jié)后形成凍結(jié)體，凍結(jié)后含瓦斯煤層的力學(xué)性能；②石門(mén)揭煤工作面冷凍過(guò)程中溫度場(chǎng)演化規(guī)律；③巖石與煤層之間的熱傳導(dǎo)特性研究；④在深低溫環(huán)境下凍結(jié)管材料的選擇；⑤在保證凍結(jié)效果和安全、快速揭露凍結(jié)煤層下，冷凍液用量方面的研究；⑥將數(shù)值模擬、理論分析結(jié)果與石門(mén)揭煤工程實(shí)踐相互驗(yàn)證，修正和完善模型參數(shù)。

4.2 智能液氮凍結(jié)系統(tǒng)

當(dāng)前低溫冷凍技術(shù)存在井下防突信息反饋時(shí)效性差、人為操作失誤等不足。因此，構(gòu)建智能液氮凍結(jié)系統(tǒng)提升石門(mén)揭煤的信息化、可視化、安全化水平，是其局部防突技術(shù)升級(jí)的重要一步。

基于智能化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本質(zhì)安全為目標(biāo)，建立合理可行的智能“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)，有效發(fā)揮操作人員的主體作用，為石門(mén)揭煤創(chuàng)造安全、經(jīng)濟(jì)、高效的作業(yè)條件。在石門(mén)和關(guān)鍵點(diǎn)位安裝信號(hào)基站，利用井下管網(wǎng)，構(gòu)建“井下鉆抽注→傳感器監(jiān)測(cè)→服務(wù)器調(diào)控→地面監(jiān)控及預(yù)警”，實(shí)現(xiàn)地面與井下間信息互聯(lián)互通，為煤層信息監(jiān)測(cè)和局部防突工作提供技術(shù)保障。

為實(shí)現(xiàn)快速、安全揭開(kāi)突出危險(xiǎn)性煤層的目標(biāo)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建“防突數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控”和“智能鉆-抽-注”2 大功能模塊。將瓦斯抽采技術(shù)與低溫冷凍技術(shù)有效融合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析石門(mén)揭煤過(guò)程的煤層瓦斯動(dòng)態(tài)，通過(guò)信號(hào)基站及局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控及響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)防突。智能液氮凍結(jié)系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖10。

圖10 智能液氮凍結(jié)系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.10 Intelligent liquid nitrogen freezing system architecture

5 結(jié)語(yǔ)

1）當(dāng)前石門(mén)揭煤局部防突措施中，鉆孔抽采瓦斯、鉆孔排放瓦斯、水力化措施、深孔預(yù)裂爆破、液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電主要通過(guò)降低煤層儲(chǔ)能達(dá)到防突目的，而金屬骨架、煤體固化側(cè)重于提高煤體的力學(xué)強(qiáng)度。

2）低溫冷凍技術(shù)能夠協(xié)同實(shí)現(xiàn)降低煤層儲(chǔ)能及提高煤體的強(qiáng)度，結(jié)合智能化技術(shù)，提出“智能鉆-抽-注”一體化措施，實(shí)現(xiàn)“一孔多功能”的技術(shù)目標(biāo)。

3）通過(guò)建立多物理場(chǎng)耦合模型、理論分析及工程實(shí)踐驗(yàn)證3 方面相結(jié)合，揭示冷凍條件下含瓦斯煤體瓦斯壓力、強(qiáng)度、能量的變化特性，掌握該條件下煤巖體瓦斯賦存狀態(tài)及運(yùn)移規(guī)律。為低溫冷凍技術(shù)在石門(mén)揭煤局部防突中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。