基于底抽巷水力割縫的松軟突出煤層擾動效果評價

盧克亮 賈潔 胡永昭 屈紹遠

【摘 要】以鄭州礦區(qū)松軟突出煤層為研究對象，研究底抽巷水力割縫鉆進施工工藝對煤層擾動及瓦斯抽采效果的影響。采用物理建模及數(shù)值模擬的方法分別建立其松軟突出煤層的力學(xué)模型、評價割縫擾動引起的煤層應(yīng)力分布，通過工業(yè)試驗進一步對比分析割縫鉆孔瓦斯抽采的效果。研究表明，通過水力割縫可以顯著擾動鉆孔周邊煤體，增大鉆孔周圍卸壓區(qū)面積，割縫之間卸壓區(qū)域呈現(xiàn)倒“S”型區(qū)域；現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，相比于傳統(tǒng)鉆進工藝，預(yù)抽90天割縫鉆孔的瓦斯?jié)舛忍嵘?5.7%，同時瓦斯?jié)舛人p現(xiàn)象得以改善。

【關(guān)鍵詞】瓦斯抽采；水力割縫；松軟突出煤層；擾動

stract：Taking the soft and outburst coal seam in Zhengzhou mining area as subject，influences of hydraulic slotting-drilling technology on disturbances of seam were studied.A mechanical model of soft outburst coal seam was developed by physical modeling and numerical simulation respectively，and the stress distribution of coal seam caused by slot disturbance was evaluated.Whats more，the effect of gas drainage in slotted-holes was further analyzed by industrial tests.The research shows that hydraulic slotting could disturb the coal around the borehole significantly，increasing the area of pressure relief around the borehole，and the more the number of slots，the more the borehole pressure relief is sufficient.And，compared with traditional drilling technology，the gas concentration of the slotted borehole increase by 45.7%.Besides，attenuation phenomenon has been improved.

Keyword：gas drainage；hydraulic slotting；soft and outburst coal seam；disturbance

引言

瓦斯抽采是治理松軟突出煤層的重要技術(shù)手段。由于松軟突出煤層瓦斯含量大，壓力高，直接對松軟突出煤層施工順層鉆進工藝時容易面臨卡鉆、抱鉆、煤炮、噴孔等動力現(xiàn)象[1-2]。而對煤層施工底抽巷鉆孔可以有效解決上述工程問題[3-5]。針對鄭州礦區(qū)松軟突出煤層厚度大，構(gòu)造復(fù)雜，煤體吸附性強的特點[6]，采用常規(guī)工藝進行底抽巷瓦斯抽采鉆孔鉆進無法保障高效抽采瓦斯，造成采掘接替緊張，增大企業(yè)成本投入。

為此，在鄭州煤炭工業(yè)集團超化煤礦引入了底抽巷水力割縫技術(shù)，以期進行高效的煤層瓦斯抽采。筆者采用物理建模及數(shù)值模擬的方法分別建立其松軟突出煤層的力學(xué)模型、評價割縫擾動引起的煤層應(yīng)力分布，通過工業(yè)試驗進一步對比分析割縫鉆孔瓦斯抽采的效果，研究結(jié)果可為同類型礦井提供一定的技術(shù)引導(dǎo)。

1 基本理論及建模

1.1.基本假設(shè)

1）將煤層及其頂、底板巖體看作是連續(xù)的理想彈塑性介質(zhì)；

2）煤層及其頂、底板巖體失穩(wěn)破壞服從理想Mohr-Coulumb屈服準(zhǔn)則[7]：

為了提高計算速度，取煤層底板厚度15m，煤層厚度30m，底板厚度20m。割縫半徑根據(jù)鉆進過程中的卸煤量進行計算，模擬中取1.5m。鉆孔傾角75°，割縫垂直于鉆孔軸線，割縫寬度取0.2m，共割縫18刀，縫間距0.75m。邊界條件可敘述為：上部施加地應(yīng)力8MPa，左右邊界固定水平方向位移為0，底部邊界為固定位移邊界。煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

1.3.水力割縫煤層應(yīng)力擾動分析

圖2所示為實施水力割縫后煤層的應(yīng)力分布圖?？梢钥闯?，實施水力割縫可以使鉆孔周圍煤體得到顯著卸壓，其卸壓范圍分布在縫的附近，呈倒“S”型。在兩個縫之間，煤體壓力為0.15MPa-5MPa之間，卸壓程度37.5%-98.1%.但是，在縫的兩側(cè)卸壓效果并不明顯，說明適當(dāng)增大割縫半徑或者降低割縫鉆孔間距可以擴大煤層的卸壓范圍。

2.工業(yè)試驗效果分析

在超化煤礦22采區(qū)51工作面底抽巷進行水力割縫試驗，試驗鉆孔分別采用割縫工藝和傳統(tǒng)鉆進工藝，分別試驗10個相間布置的鉆孔。試驗區(qū)域平均煤層厚度13m，原始瓦斯含量9.76m3/t，瓦斯壓力8.74MPa。鉆孔施工完畢后，進行聯(lián)孔抽采，負(fù)壓保持在13kPa-20kPa之間。

如圖3所示為割縫孔與傳統(tǒng)穿層孔平均抽采濃度對比圖?？梢钥闯?，實施水力割縫的鉆孔瓦斯抽采濃度要顯著高于傳統(tǒng)的穿層鉆孔。在抽采第一天，割縫孔平均抽采濃度為66.3%，而傳統(tǒng)的穿層孔平均濃度僅為43.6%，這表明割縫擾動所引起的卸壓導(dǎo)致煤層透氣性增大，促進煤體甲烷的解吸附進程。隨著抽采持續(xù)，兩種鉆孔的平均濃度均發(fā)生衰減，但40天內(nèi)傳統(tǒng)穿層鉆孔的瓦斯?jié)舛缺闼p至5%以下，而此時割縫孔濃度維持在30%以上，說明割縫擾動引起的鉆孔周邊煤體卸壓可延緩?fù)咚钩椴蓾舛鹊乃p速度。抽采90天，相比傳統(tǒng)穿層孔，割縫鉆孔平均瓦斯抽采濃度提高45.7%.

3.結(jié)論

（1）通過水力割縫可以顯著擾動鉆孔周邊煤體，增大鉆孔周圍卸壓區(qū)面積，割縫之間卸壓區(qū)域呈現(xiàn)倒“S”型區(qū)域，其卸壓程度達37.5%-98.1%。

（2）現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，相比于傳統(tǒng)鉆進工藝，割縫孔抽采初期濃度顯著提高。并且，預(yù)抽90天割縫鉆孔的平均瓦斯?jié)舛忍嵘?5.7%，同時瓦斯?jié)舛人p現(xiàn)象得以改善。

參考文獻：

[1] 方俊，李泉新，許超，劉建林.松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46（05）：130-137+172

[2] 王志明，孫玉寧，王永龍，王振鋒.瓦斯抽采鉆孔動態(tài)漏氣圈特性及漏氣處置研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016，12（05）：139-145.

[3] 張華.底抽巷施工穿層鉆孔在玉溪煤礦的應(yīng)用[J].資源信息與工程，2018，33（05）：70-71.

[4] 張躍錚，司青，武院院.底抽巷下覆煤層瓦斯治理技術(shù)研究及應(yīng)用[J].煤，2018，27（09）：25-27.

[5] 謝飛楊，王雪，劉偉，周輝.底抽巷水力壓裂增透試驗研究[J].煤炭技術(shù)，2018，37（08）：134-136.

[6] 李曉泉.含瓦斯煤力學(xué)特性及煤與瓦斯延期突出機理研究[D].重慶大學(xué)，2010.

[7] 王志明，王永龍，劉春，夏同強.基于應(yīng)變軟化模型的抽采鉆孔封孔段穩(wěn)定性研究[J].煤礦安全，2016，47（04）：6-10.

（作者單位：鄭州煤炭工業(yè)集團 超化煤礦）