閆發(fā)志 林柏泉 沈春明 段永生 楊 威

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

我國(guó)高瓦斯煤層賦存具有微孔隙、低滲透、高吸附的特性，常規(guī)抽采難度大、效果差，需要采取卸壓增透的技術(shù)措施。目前采用的卸壓增透技術(shù)措施主要有深孔松動(dòng)爆破、水力沖孔、水力割縫和煤層注水等，這些增透措施通過(guò)人工擴(kuò)展煤體裂隙，提高煤體透氣性，強(qiáng)化煤層瓦斯抽采，取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。水力割縫的出煤量是衡量割縫效果的重要指標(biāo)，因此確定合理的割縫出煤量對(duì)優(yōu)化水力割縫技術(shù)，提高瓦斯抽采效果具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 問(wèn)題的提出

鉆割一體化技術(shù)是利用高壓水的沖擊作用，在退鉆的過(guò)程中對(duì)煤體割縫，增加煤體暴露面積，破壞鉆孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)。縫槽周圍的煤體在地應(yīng)力和煤質(zhì)本身的流動(dòng)性能作用下向縫槽空間移動(dòng)，產(chǎn)生的大量拉伸裂隙和剪切裂隙使煤層內(nèi)部卸壓，增加透氣性，瓦斯解析和運(yùn)移速度加快，同時(shí)宏觀的縫槽和大量的次生裂隙共同構(gòu)成了解析瓦斯的流動(dòng)路徑，擴(kuò)大了縫槽卸壓、抽采瓦斯的范圍，提高了瓦斯抽采效果。割縫出煤量對(duì)縫槽空間大小有直接影響，出煤量越多，形成的縫槽空間也越大，更有利于煤層卸壓。但是，出煤量過(guò)多，會(huì)增加該技術(shù)的工程量和施工難度，特別是造成巷道掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)困難。因此，合理的出煤量不僅可以有效地增加層內(nèi)卸壓空間，提高瓦斯抽采效果，還可以減少鉆孔施工量，降低割縫難度，避免對(duì)掘進(jìn)巷道的支護(hù)造成過(guò)多影響。故研究合理的割縫鉆孔出煤量對(duì)優(yōu)化鉆割一體化增透技術(shù)、提高瓦斯抽采效果具有十分重要的意義。

2 鉆孔出煤量對(duì)瓦斯抽采影響

割縫形成孔洞的大小直接影響煤層的卸壓效果，孔洞越大，卸壓范圍越大，水射流割縫治理瓦斯的主導(dǎo)理念之一就是利用水射流的擴(kuò)孔作用，增大鉆孔的卸壓影響范圍。

2.1 擴(kuò)孔效應(yīng)分析

假設(shè)割縫形成的孔洞是一個(gè)均勻的圓形孔洞，利用等效孔徑可以描述鉆割抽一體化技術(shù)的擴(kuò)孔效應(yīng)，等效孔徑可用下式表示：

式中：dx——等效孔徑，m；

m——沖出的煤量，t；

γ——煤的視密度，t／m3；

d0——沖孔前鉆孔孔徑，m；

l——水射流割縫見煤長(zhǎng)度，m。

擴(kuò)孔倍數(shù)k 是指割縫等效孔徑與鉆孔孔徑之比，用式 （2）表示：

式中：k——擴(kuò)孔倍數(shù)。

2.2 割縫孔洞周圍力學(xué)作用分析

基于上述理論，將割縫形成的孔洞等同于一個(gè)鉆孔，做如下假設(shè)：鉆孔的形狀為圓形；鉆孔周圍的煤巖體是均質(zhì)的，各向原巖的應(yīng)力為等壓狀態(tài)，鉆孔周圍的巖石和煤體為等質(zhì)、均勻體。在打鉆過(guò)程中，鉆孔周圍的應(yīng)力會(huì)不斷的變化并且重新分布，一直達(dá)到新的平衡。鉆孔任一點(diǎn)r處切向應(yīng)力σt可以表示為：

r處徑向應(yīng)力σr可以表示為：

式中：C——巖體的內(nèi)聚力，N；

φ——巖體的內(nèi)摩擦角，（°）；

r——距離鉆孔中心距離，m；

r1——鉆孔半徑，m。

極限平衡區(qū)邊界半徑R 的求解公式表示為：

在該平衡區(qū)之外的為靜水平應(yīng)力。其周圍應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 鉆孔周圍應(yīng)力分布

由圖1的分析可知，在割縫鉆孔周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中帶的存在會(huì)阻障瓦斯向鉆孔滲透運(yùn)移，形成瓶塞效應(yīng)，同時(shí)降低割縫鉆孔的單孔有效影響范圍。由式 （1）可以看出，割縫鉆孔形成的孔洞直徑與出煤量成正比，出煤量越多，孔洞直徑越大，結(jié)合式 （5）可以看出，增大鉆孔的直徑在一定程度上能增大極限平衡區(qū)的范圍，擴(kuò)大單孔有效影響范圍，提高瓦斯抽采效果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，割縫孔洞直徑的大小與其有效范圍之間不存在絕對(duì)的線性關(guān)系，當(dāng)割縫孔洞直徑增大一定程度之后，其有效影響范圍的增加并不明顯。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案及效果分析

國(guó)投河南新能源開發(fā)有限公司王行莊礦主采煤層是單一高瓦斯低透氣性松軟煤層，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 為0.12 ～0.2，煤 層 瓦 斯 含 量0.94 ～12.92m3／t，透氣性較差，瓦斯抽采效果非常不理想，煤體多以粉狀為主。礦井面對(duì)的最大問(wèn)題是回采期間的瓦斯涌出量過(guò)多，僅僅依靠通風(fēng)手段無(wú)法解決。通過(guò)采取穿層鉆孔抽采技術(shù)進(jìn)行預(yù)抽，利用鉆孔卸壓抽采，有效影響半徑非常有限，同時(shí)由于封孔技術(shù)的限制，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度及流量都相當(dāng)小。部分抽采鉆孔濃度低于10%，干管 （瓦斯抽采的主管道，各鉆孔抽出的瓦斯都要匯集到干管）濃度經(jīng)常維持在2%～3%，嚴(yán)重影響了區(qū)域預(yù)抽效果，不能有效解決將來(lái)工作面回采期間瓦斯涌出量大的問(wèn)題，給本來(lái)就很緊張的采掘接替增加難度。

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考慮王行莊礦瓦斯壓力、煤體強(qiáng)度及現(xiàn)有工藝的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)在11091底抽巷進(jìn)行布置鉆割抽一體化割縫試驗(yàn)。鉆孔布置如圖2所示，在11091底抽巷打4個(gè)鉆孔，鉆孔間距為50 m，鉆孔孔徑為94mm，確保鉆孔之間互不影響，在其中3 個(gè)鉆孔進(jìn)行水力割縫。

圖2 鉆孔剖面圖

設(shè)計(jì)3個(gè)割縫鉆孔出煤量分別為4t、8t和12t，水力割縫煤距均為10 m，煤的密度以1.4t／m3計(jì)算，由式 （1）可得到割縫后鉆孔等效孔徑分別為0.61 m、0.86 m 和1.05 m。結(jié)合式（2）可得擴(kuò)孔倍數(shù)分別為6.5、9.13和11.16倍。

3.2 瓦斯抽采濃度分析

圖3反映了出煤量分別為4t、8t和12t的割縫鉆孔與一組未割縫鉆孔在一個(gè)月內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸兓?。采取水力割縫措施的鉆孔，在抽放的前幾天，抽采量經(jīng)歷了由低到高的過(guò)程，這是由于在割縫過(guò)程中對(duì)煤體注入了大量的水，大大降低了煤體的透氣性，放緩了瓦斯的解吸速度，因而剛開始的時(shí)候瓦斯抽采量比較低，但在地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下，應(yīng)力重新分布，煤體中形成了大量的人為裂隙，煤層透氣性大幅度增加，且割縫鉆孔在煤體內(nèi)部擾動(dòng)空間大，擾動(dòng)比表面積也較大，使瓦斯流動(dòng)通道順暢，瓦斯壓力明顯降低，從而大大提高了瓦斯的解吸速度。從圖3可以看出，3組割縫鉆孔的瓦斯抽采濃度均高于未割縫鉆孔的瓦斯抽采濃度，未割縫鉆孔的濃度維持在9%左右。在三組割縫鉆孔中，出煤量8t和12t的割縫鉆孔隨著時(shí)間的推移，抽采濃度趨于一致，維持在28%左右，是未割縫鉆孔的3.1倍，且均高于出煤量4t的割縫鉆孔，又由于出煤量越多，越容易引起噴孔和塌孔，且增加了施工量和技術(shù)難度，綜合考慮，割縫鉆孔最優(yōu)出煤量應(yīng)選擇8t。

圖3 鉆孔瓦斯抽采濃度變化

3.3 瓦斯抽采純量分析

圖4 鉆孔瓦斯抽采純量變化

圖4反映了出煤量分別為4t、8t和12t的割縫鉆孔與一組未割縫鉆孔在一個(gè)月內(nèi)的瓦斯抽采純量變化。從圖4可以看出，抽采一個(gè)月后，三組割縫鉆孔的瓦斯抽采純量均高于未割縫鉆孔的瓦斯抽采純量，未割縫鉆孔瓦斯抽采純量維持在0.004m3／min左右。在三組割縫鉆孔中，隨著時(shí)間的推移，出煤量8t的割縫鉆孔瓦斯抽采純量最大，維持在0.017m3／min左右，出煤量12t的割縫鉆孔瓦斯抽采純量次之，維持在0.014 m3／min，出煤量4t的割縫瓦斯抽采純量維持在0.011m3／min。分析可知，割縫鉆孔瓦斯抽采純量最大可以達(dá)到未割縫鉆孔的4.25 倍，出煤量為8t的割縫鉆孔抽采效果最優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)出煤量分別為4t、8t和12t的3組割縫鉆孔與一組未割縫鉆孔在1個(gè)月內(nèi)的瓦斯抽采濃度變化情況進(jìn)行分析，出煤量為8t的割縫鉆孔瓦斯抽采濃度最高，是未割縫鉆孔的3.1倍，且優(yōu)于出煤量為4t和12t的割縫鉆孔。

（2）通過(guò)對(duì)出煤量分別為4t、8t和12t的3組割縫鉆孔與一組未割縫鉆孔在1個(gè)月內(nèi)的瓦斯抽采純量變化情況進(jìn)行分析，出煤量為8t的割縫鉆孔瓦斯抽采純量最高，是未割縫鉆孔的4.25 倍，優(yōu)于出煤量為4t和12t的割縫鉆孔。綜合考慮，割縫出煤量為8t時(shí)，在保證較好的增透卸壓效果的前提下，施工量和技術(shù)難度又不至于過(guò)大，從而進(jìn)一步優(yōu)化了鉆割一體化技術(shù)。

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［2］ 林柏泉 .礦井瓦斯防治理論與技術(shù) ［M］ .徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

［3］ 林柏泉，孟凡偉，張海賓.基于區(qū)域瓦斯治理的鉆割抽一體化技術(shù)及應(yīng)用 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011 （1）

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［6］ 李長(zhǎng)貴，劉海源，張浩.低透氣性煤層瓦斯預(yù)抽技術(shù)的探討與實(shí)踐 ［J］.中國(guó)煤炭，2012 （3）