劉民東，嚴(yán)少洋

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高應(yīng)力節(jié)理化煤體高壓注水防片幫技術(shù)研究*

劉民東1，嚴(yán)少洋2

(1.焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 焦作市 454000；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作市 454000)

煤性脆、裂隙發(fā)育的煤層在高地應(yīng)力下極易產(chǎn)生煤壁片幫，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究此類煤層在不同注水壓力下煤層長孔注水濕潤范圍、濕潤形態(tài)及塑性區(qū)范圍，采用超長鉆孔高壓注水技術(shù)破碎煤層提高煤層塑性區(qū)范圍及增強(qiáng)煤層的內(nèi)聚力。在現(xiàn)場應(yīng)用中，超長鉆孔高壓注水防片幫技術(shù)減緩了煤壁片幫，提高了采煤機(jī)開機(jī)率，平均日產(chǎn)量增加3400 t，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

煤壁片幫；堅(jiān)硬煤層；超長鉆孔；高壓注水

0 前 言

煤巖層是由植物枝葉及根莖經(jīng)過地殼不斷的變動(dòng)及一系列復(fù)雜的化學(xué)物理反應(yīng)形成的，因此煤巖體在成千上萬年的形成過程中會(huì)產(chǎn)生節(jié)理裂隙，使得煤層出現(xiàn)許多弱面[1?2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高壓水進(jìn)入煤體內(nèi)部進(jìn)行了一系列研究，得出高壓水進(jìn)入煤體后沿煤體內(nèi)部的弱面流入煤體，對(duì)煤體起沖刷和壓裂作用，使煤體在原有裂隙的基礎(chǔ)上擴(kuò)張并產(chǎn)生新的裂隙。使用高壓水技術(shù)使得煤體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，煤體內(nèi)部裂紋擴(kuò)大和增多導(dǎo)致破裂段表面能下降；高壓水與煤體顆粒相互作用增加了煤體的塑性[3]。

秦玉紅，竇林名等[4]通過對(duì)不同含水率煤樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)并分析含水量對(duì)煤體強(qiáng)度及沖擊性能的影響，結(jié)果表明：含水量大的煤樣變形破壞明顯、沖擊性能指數(shù)??；沈榮喜，楊勝利等[5]為得到水對(duì)煤樣力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過干燥煤樣和飽和煤樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：水對(duì)煤樣起到增加塑性和降低強(qiáng)度的作用；閆立宏等[6?7]通過試驗(yàn)對(duì)浸水后的煤樣進(jìn)行力學(xué)性能研究，結(jié)果表明：浸水后的煤樣抗壓、抗拉強(qiáng)度以及彈性極限降低，但煤樣的延性和韌性增大。楊磊[8]通過對(duì)煤塵中的塵粒之間的作用力進(jìn)行分析并從粉體力學(xué)的角度解釋了煤層注水降塵機(jī)理，即水分子能夠促使煤塵凝結(jié)，使得凝聚力增大，起到降塵作用；王家臣教授[9]分析了極軟煤層煤壁片幫因素，提出煤壁片幫的防治機(jī)理，表明煤體合理注水可以提高煤體自身剪切強(qiáng)度和黏聚力來防治煤壁片幫。

為了更好地解決堅(jiān)硬煤層煤壁片幫，采用高壓水破碎煤層使工作面煤壁塑性區(qū)范圍增大，減緩煤壁片幫發(fā)生。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究煤層在不同注水壓力下煤層長孔注水濕潤范圍、濕潤形態(tài)及塑性區(qū)范圍，通過現(xiàn)場應(yīng)用，效果顯著。

1 工程概況

趙固二礦煤層賦存具有埋藏深度大(埋深在650 m以上)、基巖薄(最小厚度36.8 m)、底板高承壓水(水壓大于7 MPa)和頂板含水威脅、煤體節(jié)理發(fā)育等特點(diǎn)。趙固二礦11050工作面設(shè)計(jì)為走向長壁工作面，斜長172.2 m，煤厚6.2 m，采用一次采全高開采 方式。

工作面回采期間，極易產(chǎn)生煤層片幫。主要原因是煤性脆、節(jié)理裂隙發(fā)育、基巖薄、工作面壓力大所致。工作面片幫多分布在工作面上下端頭，形成煤壁上部片落，下部片幫形式呈斜切面。工作面多產(chǎn)生平行煤壁的垂向裂隙，煤體開裂，采煤機(jī)截割時(shí)多呈長塊、大塊片落。工作面周期來壓時(shí)煤壁大面積片幫，長度5~15 m，深度1.0~2.0 m，高度1.5~2.5 m，片幫率達(dá)到50%，體積可達(dá)十幾到幾十立方米，棚架在刮板輸送機(jī)上，嚴(yán)重影響工作面正?；夭杉鞍踩?/p>

2 高壓水致裂作用

高壓水致裂指的是在煤巖體中注入高壓水使其通過高壓水的作用產(chǎn)生裂縫，利用煤巖體內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展達(dá)到降低煤巖體強(qiáng)度和增加滲透性的目的[10?11]。高壓水對(duì)鉆孔周圍煤層起到高壓致裂和切割的作用，使得煤巖體的強(qiáng)度降低，工作面煤壁塑性區(qū)范圍增大，煤巖體整體性及延展性、韌性增強(qiáng)，工作面超前壓力前移，降低片落煤體的大塊率和減緩煤壁片幫。

水壓裂縫前沿為長短軸之比一定橢圓形，該橢圓形以鉆孔導(dǎo)致的斷裂帶為中心。研究發(fā)現(xiàn)，2(第二主應(yīng)力)會(huì)影響孔底水壓裂縫的擴(kuò)展，并且在水壓裂縫擴(kuò)展的過程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的分叉現(xiàn)象，水壓裂縫破裂面的走向與3(第三主應(yīng)力)、2均垂直。

以彈塑性理論為支撐，假設(shè)鉆孔內(nèi)水對(duì)周圍巖層不具有滲透性，則鉆孔孔壁破裂的臨界失穩(wěn)水壓力c滿足：

式中：max為垂直于鉆孔平面內(nèi)的第一主應(yīng)力；min為垂直于鉆孔平面內(nèi)的第三主應(yīng)力；0為初始孔隙壓力；T為考慮了水壓作用的鉆孔抗拉強(qiáng)度。

3 注水效果數(shù)值模擬

基于FLAC3D滲流模型理論，建立煤體在不同注水壓力下及不同孔密度條件下的數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模型長×寬為40 m×40 m，分別在4種注水壓力(5 MPa，10 MPa，20 MPa，30 MPa)條件下，對(duì)煤層注水滲透濕潤范圍以及不同孔密度、塑性區(qū)的變化情況進(jìn)行了模擬研究。實(shí)驗(yàn)?zāi)M參數(shù)見表1。

3.1 不同影響因素對(duì)煤層滲透濕潤范圍的影響

由于煤層長孔注水濕潤半徑與注水時(shí)間和注水壓力有關(guān)，因此，通過模擬相同時(shí)間不同壓力下研究煤層注水濕潤范圍及不同時(shí)間相同壓力下煤層注水濕潤范圍的影響。

注水時(shí)間8 h時(shí)不同注漿水壓力濕潤形態(tài)及塑性區(qū)范圍如圖1所示。在射孔壓力作用下，當(dāng)水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力時(shí)，塑性區(qū)沿垂直分布，只發(fā)生拉伸破壞，而且隨著水平應(yīng)力的增大，塑性區(qū)變化比較明顯。當(dāng)水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力時(shí)，塑性區(qū)沿水平分布，而且射孔周圍會(huì)出現(xiàn)剪切破壞，但塑性區(qū)范圍不大，出現(xiàn)在射孔周圍約4 m處。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M參數(shù)

(a) 注水壓力5 MPa；(b) 注水壓力10 MPa；(c) 注水壓力20 MPa；(d) 注水壓力30 MPa

不同因素下模擬超長注水煤層濕潤半徑結(jié)果如表2所示。

注水壓力不同條件下注水濕潤半徑隨注水時(shí)間的變化如圖2所示，隨著注水時(shí)間的增加，濕潤半徑成線性增加，最大為13.2 m；由圖2可知，濕潤半徑隨著注水壓力的增加而增大。說明隨著時(shí)間的增加，高壓水滲流增加孔周圍濕潤半徑。

表2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

圖2 注水壓力不同條件下的濕潤半徑

注水時(shí)間相同條件下注水壓力對(duì)煤體濕潤半徑的影響如圖3所示，從圖3可以看出，注水壓力以10 MPa為分界線，當(dāng)注水壓力小于10 MPa時(shí)，注水壓力對(duì)煤層濕潤半徑影響較小，隨著注水壓力增加，煤層濕潤半徑增大較平緩；當(dāng)注水壓力大于10 MPa時(shí)，注水壓力對(duì)煤體濕潤半徑的影響程度增大，濕潤半徑隨著注水時(shí)間的增加而增加，但影響效果顯著。

3.2 不同孔密度對(duì)濕潤半徑的影響

采用單孔布置、二空和四孔布置，研究在相同注水壓力下注水孔最大剪應(yīng)力受力角度及塑性區(qū)破壞范圍。圖4和圖5分別為不同孔布置水平應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布。

隨著孔密度的增大，最大剪應(yīng)力仍然出現(xiàn)在孔周的45°、135°、225°、215°的角上，剪應(yīng)力影響范圍分別是1孔時(shí)為6 m，2孔時(shí)為12 m，4孔時(shí)24 m。塑性區(qū)的長度分別是1孔時(shí)為6 m，2孔時(shí)為8 m，4孔時(shí)為36 m。塑性區(qū)長度會(huì)隨著孔密度的增大而增加。

圖3 注水時(shí)間相同條件下注水壓力對(duì)濕潤半徑的影響

(a) 單孔布置；(b) 四孔布置

(a) 單孔布置；(b) 四孔布置

4 現(xiàn)場應(yīng)用

煤層注水鉆孔至少超前采面100 m；按照?6°±1°進(jìn)行鉆進(jìn)施工，以防止鉆孔進(jìn)入煤層頂、底板；嚴(yán)格控制注水壓力，壓力控制在28~31 MPa，防止煤層片幫，并測(cè)定出鉆孔注水量；孔內(nèi)封孔器距孔口5 m以上；鉆孔孔深要控制在80~120 m；注水鉆孔間距為10 m(低水壓)和20 m(高水壓)兩種；第一次注水完畢后，間隔3~4班，再進(jìn)行第二次注水，以減少大塊率和提高降塵效果。注水參數(shù)如表3所示。

表3 注水參數(shù)

未用高壓注水之前的回采工作面日產(chǎn)量約為4800 t，注水回采從5月25日至8月5日，3個(gè)月內(nèi)共計(jì)回采原煤737960 t，平均每天回采原煤8200 t，平均日產(chǎn)量增加3400 t。在注水區(qū)域平均日產(chǎn)量較好，采用高壓注水防片幫技術(shù)大幅提高了日產(chǎn)量。

對(duì)于趙固二礦二1煤層節(jié)理裂隙發(fā)育硬煤大采高工作面進(jìn)行長鉆孔、高水壓煤壁注水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤壁片幫減緩，片落大塊煤體顯著減少，采煤機(jī)開機(jī)率提高，日產(chǎn)量增加。

5 結(jié) 論

(1) 采用超長鉆孔高壓注水技術(shù)破碎煤層提高煤層塑性區(qū)范圍及增強(qiáng)煤層的內(nèi)聚力，使得超前支承壓力前移，降低片落煤體的大塊率、減緩煤壁片幫；提高了工作面開采的進(jìn)度和降塵效果，平均日產(chǎn)量增加3400 t，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

(2) 不同注水壓力下隨著注水時(shí)間的增加，濕潤半徑成線性增加，最大為13.2 m；濕潤半徑隨著注水壓力的增加而增大。相同注水時(shí)間下，當(dāng)注水壓力小于10 MPa時(shí)，注水壓力對(duì)煤層濕潤半徑影響較小，隨著注水壓力增加，煤層濕潤半徑增大較平緩；當(dāng)注水壓力大于10 MPa時(shí)，注水壓力對(duì)煤體濕潤半徑的影響程度增大，濕潤半徑隨著注水時(shí)間的增加而增加，但影響效果顯著。

(3) 隨著孔密度的增大，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在孔周圍45°、135°、225°、215°處，剪應(yīng)力影響范圍增加，塑性區(qū)長度隨著孔密度的增加而增加。

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河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(172102210286).

(2018?07?18)

嚴(yán)少洋(1994—)，男，河南長垣人，碩士研究生，主要從事礦山安全工程研究,Email：jmjhclmd@126.com。