李生舟

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出的防治就是基于其發(fā)生的主導(dǎo)因素，采取針對性的治理措施[1，2]。上世紀(jì)我國煤炭開采埋深較淺，煤層中的高瓦斯壓力是突出災(zāi)害的主導(dǎo)因素，采用大面積的預(yù)抽煤層瓦斯，將煤層瓦斯壓力下降至一定程度可以有效消除突出危險。然而，隨著我國的煤層開采深度增加，地應(yīng)力與瓦斯壓力不斷增大，僅依靠傳統(tǒng)的大面積的預(yù)抽煤層瓦斯無法有效解決大埋深或者高地應(yīng)力煤層的煤與瓦斯動力災(zāi)害危險[3-5]。

同時，隨著近年技術(shù)裝備的發(fā)展，水力擴孔等卸壓增透技術(shù)在突出煤層中的應(yīng)用越來越普遍，我國學(xué)者對水力擴孔技術(shù)做了相關(guān)研究。寶坤等[6]對擴孔周圍煤體的應(yīng)力場、位移場分布規(guī)律進行研究，分析了沖煤量對周圍煤體應(yīng)力和位移變化的影響；任仲久等[7]采用理論分析、室內(nèi)電鏡測試和現(xiàn)場工業(yè)性驗證相結(jié)合的方法研究了水力擴孔技術(shù)卸壓增透作用；郝富昌等[8]研究了不同沖煤量鉆孔的抽放半徑，優(yōu)化了水力擴孔布孔參數(shù)；李鵬等[9]結(jié)合本煤層水力擴孔技術(shù)在紅嶺煤礦的現(xiàn)場應(yīng)用，確定了合理的工藝流程和技術(shù)參數(shù)，進行了試驗效果考察；杜昌華等[10]研究了水力擴孔技術(shù)對低透松軟煤瓦斯抽采情況的改善效果。

但是，前述研究主要針對水力擴孔的卸壓效果、抽采半徑、鉆孔參數(shù)優(yōu)化等方面，而對地應(yīng)力主導(dǎo)型松軟突出煤層的卸壓防突和效果評價指標(biāo)及臨界值的研究還有待進行深入研究。針對韓城礦區(qū)3#煤層賦存特點及動力災(zāi)害主導(dǎo)因素，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場考察手段對水力擴孔的卸壓防突效果及合理的區(qū)域措施效果評價指標(biāo)進行了研究，提出了穿層鉆孔水力擴孔卸壓防突技術(shù)，并進行了成功應(yīng)用，可為類似條件礦井的防突工作提供借鑒。

1 礦井突出特點及防治對策

1.1 突出特點分析

桑樹坪煤礦4321工作面開采3#煤層(貧瘦煤)，瓦斯含量8～11m3/t，瓦斯壓力0.88MPa。煤層破壞類型為Ⅱ～Ⅴ類，分布無規(guī)律，主體破壞類型Ⅳ類；厚度變化大，煤厚3～9m，平均厚度5.5m；局部有小斷層、褶曲。從礦區(qū)來看，3#煤層破壞類型為Ⅴ類、斷層附近區(qū)域、煤層厚度急劇變化帶是發(fā)生突出災(zāi)害的高危險區(qū)，本次試驗工作面在韓城礦區(qū)具有代表性。

分別采集了試驗區(qū)斷層構(gòu)造、煤厚急劇變化帶、無構(gòu)造區(qū)域的煤樣進行實驗室分析，具體結(jié)果見表1。斷層附近和煤厚急劇變化帶煤的破壞程度高，破壞類型為Ⅳ、Ⅴ類，其瓦斯放散初速度13～22，堅固性系數(shù)0.11～0.18；正常區(qū)域煤的破壞類型一般為Ⅲ、Ⅳ類，瓦斯放散初速度8～12，堅固性系數(shù)0.24～0.36，測得的煤層突出危險性的指標(biāo)值相對更趨于安全。

表1 煤樣瓦斯放散初速度ΔP及堅固性系數(shù)f

從測定的煤層突出危險性指標(biāo)看，構(gòu)造區(qū)域煤層破碎、松軟抵抗突出能力弱，且瓦斯放散能力更強，和礦井歷史上突出主要發(fā)生在構(gòu)造區(qū)域、煤厚劇烈變化區(qū)相吻合。韓城礦區(qū)本身水平構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育，加之采掘過程中采動應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力集中，預(yù)抽煤層殘余瓦斯含量至6～7m3/t后，依然發(fā)生過以地應(yīng)力為主導(dǎo)的動力災(zāi)害。2015年7月6日，桑樹坪煤礦南一采區(qū)3314下聯(lián)巷工作面穿層鉆孔預(yù)抽煤層殘余瓦斯含量至6.7m3/t，效果檢驗無異常瓦斯動力現(xiàn)象，但掘進過程中依然發(fā)生了地應(yīng)力主導(dǎo)延期煤體突然壓出事故。

1.2 突出災(zāi)害防治對策

我國相關(guān)法規(guī)已經(jīng)明確了具有突出危險煤層的兩個“四位一體”綜合防突措施，對于無保護層開采條件的，順層或者穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是最基本的措施之一，但是對于韓城片區(qū)地應(yīng)力主導(dǎo)型突出，僅依靠預(yù)抽瓦斯無法有效的消除突出危險，還應(yīng)采取技術(shù)措施卸除煤層中的應(yīng)力，采掘過程中減少應(yīng)力集中程度，從而減輕采掘過程中的來壓誘發(fā)突出危險，即從煤層瓦斯和應(yīng)力兩方面防治煤與瓦斯突出動力災(zāi)害。

2 水力擴孔卸壓抽采效果考察分析

煤層卸壓措施主要有保護層開采、超高壓水力割縫、水力擴孔、水力壓裂、深孔欲裂爆破等，桑樹坪煤礦煤層松軟，試驗區(qū)域不具備保護層開采條件，考慮到不同技術(shù)的特點及適用性，選擇水力擴孔技術(shù)卸壓消突。通過理論分析結(jié)合后期現(xiàn)場觀測，分析了水力擴孔鉆孔內(nèi)部破壞形態(tài)及卸壓機理；通過數(shù)值模擬分析了水力擴孔鉆孔卸壓范圍，最后現(xiàn)場試驗水力擴孔卸壓增透及防突效果。

2.1 松軟煤層擴孔卸壓機理分析

利用高壓水射流切割鉆孔煤壁，以擴大鉆孔直徑，增加卸壓范圍，擴孔后鉆孔孔壁破壞形態(tài)總體可分成兩類：①煤層破壞類型為Ⅲ、Ⅳ時，煤體具有一定抗破壞能力，表現(xiàn)為垮落堆積，在頂板區(qū)域形成漏斗狀空間，煤體暴露面積增加，煤壁集中應(yīng)力峰值向孔壁深處轉(zhuǎn)移，同時形成一定的塑性區(qū)，峰值亦相對降低，如圖1(a)所示；②煤層破壞類型為V類時，煤體似土質(zhì)呈粘塊狀，具有蠕變性[11，12]，且煤體抗破壞能力差，孔壁四周煤體主要表現(xiàn)為擠壓碎脹，將整個擴孔空間被松散煤體充填，形成較大范圍的松散區(qū)，如圖1(b)所示，破碎充填區(qū)范圍較垮落充填大，應(yīng)力集中峰值位置向煤層更深部轉(zhuǎn)移，且應(yīng)力變化更為平緩[13-15]。

圖1 不同破壞類型軟煤擴孔后鉆孔內(nèi)部破壞形態(tài)

分析時僅考慮鉆孔垂直煤層情況下的孔壁周圍煤體破壞規(guī)律，鉆孔一般有一定的傾角，具有一定傾角的鉆孔影響范圍較垂直鉆孔大。從后期煤巷掘進現(xiàn)場揭露擴孔鉆孔內(nèi)部情況分析，煤層破壞類型為V類時，鉆孔揭露位置未見明顯孔洞，這是由于煤體垮落及蠕變致使擴煤空間被充填，但煤體并未恢復(fù)至原煤狀態(tài)，多為松散煤體；煤層破壞類型為III、IV類時，煤孔段上部(鉆孔與頂板相交位置)任然存在空洞，煤孔段下部被松散煤體充填。

2.2 擴孔后塑性破壞區(qū)及應(yīng)力分布數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了擴孔鉆孔終孔間距6m三花狀布置情況下擴孔鉆孔周圍塑性破壞區(qū)域的分布形態(tài)及煤體卸壓情況。

模型長寬為20m×20m，分為三層：頂層為巖層高2.5m；中間層為煤層，高5.0m；底層為巖層，高2.5m。擴孔鉆孔方向垂直于煤層，模擬煤層埋深為560m。按照煤體擴出煤屑率3%估算，擴孔鉆孔等效孔徑約為0.8m，具體煤巖體力學(xué)參數(shù)見表2，鉆孔周圍塑性破壞區(qū)域的分布形態(tài)如圖2所示，煤體第三主應(yīng)力(壓應(yīng)力)分布情況如圖3所示。

表2 煤巖力學(xué)參數(shù)表

圖2 擴孔鉆孔周邊塑性破壞區(qū)大小及分布

圖3 煤體最小主應(yīng)力分布云圖

由圖2可知，采用水力擴孔措施后，鉆孔周邊塑性破壞區(qū)半徑約2.2m，終孔間距6m的情況下，兩孔中間尚未發(fā)生塑性破壞區(qū)域?qū)挾葍H1.6m。發(fā)生塑性破壞區(qū)域裂隙發(fā)育，滲透率增大，有利于瓦斯抽采。

截取模型中部垂直剖面，對比了煤體原始狀態(tài)、未擴孔及擴孔后三種狀態(tài)下，煤體中的第三主應(yīng)力分布如圖3所示，鉆孔擴孔后，孔洞周圍煤層應(yīng)力重新分布，孔洞附近煤體的應(yīng)力降低，形成卸壓區(qū)，從圖3中可以看到，卸壓區(qū)域?qū)挾燃s3.2m，隨著應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，在卸壓區(qū)之外形成一定范圍應(yīng)力集中區(qū)，在鉆孔間距6m的情況下，相鄰兩個鉆孔形成的應(yīng)力集中區(qū)域未疊加，避免了煤體中形成過高的應(yīng)力集中區(qū)域。

實際松軟煤體有蠕變性質(zhì)，在后期瓦斯抽采過程中，隨著時間延長孔洞周邊煤體會向自由空間變形，卸壓效果比模擬的效果更好。

2.3 擴孔后卸壓增透效果考察

在4321運輸巷正下方約20m的底板中布置一條底板瓦斯抽采巷，每間隔50m布置一個鉆場?；谇笆隼碚摲治龊蛿?shù)值模擬研究，在鉆場中施工終孔間距6m×6m三花布置上向穿層水力擴孔鉆孔對煤巷條帶進行卸壓和抽采，底板巷及穿層鉆孔布置方式如圖4所示。

圖4 底板巷穿層水力擴孔鉆孔布置示意圖

在試驗初期分別試驗對比了普通穿層鉆孔和穿層擴孔鉆孔抽采效果差異，對兩種鉆孔初始瓦斯涌出量及鉆孔流量衰減系數(shù)進行測定，鉆孔瓦斯涌出速度及衰減系數(shù)對比結(jié)果如圖5所示。

3#煤層普通穿層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0530～0.0740d-1，屬于較難抽采煤層，擴孔鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0140～0.0260d-1，卸壓增透后煤層變?yōu)榭梢猿椴擅簩?，瓦斯流量衰減系數(shù)降低65%～74%；普通穿層鉆孔自然瓦斯涌出流量為6.8182～11.5000L/min，采用水力擴孔措施后提高至17.3077～23.2143L/min，鉆孔自然瓦斯涌出量提高2～3倍，煤層的可抽性得到明顯改善。

圖5 鉆孔瓦斯涌出速度及衰減系數(shù)對比圖

2.4 水力擴孔措施瓦斯抽采效果考察

以12#～14#鉆場穿層鉆孔控制區(qū)域的評價單元為例，瓦斯抽采監(jiān)測曲線如圖6所示，瓦斯抽采濃度平均24%，單孔平均抽采流量0.033m3/min；而礦井普通穿層鉆孔預(yù)抽濃度一般僅10%左右，單孔平均抽采流量平均0.020m3/min，因此采用水射流擴孔后的瓦斯抽采濃度及抽采量都顯著提高。

通過水力擴孔排出大量煤屑，增大了煤層內(nèi)部自由空間，卸除煤層中的部分應(yīng)力，降低了突出的煤體彈性能，增透作用進一步提高瓦斯抽采效果，對控制桑樹坪煤礦松軟3#煤層地應(yīng)力主導(dǎo)型突出效果顯著。

圖6 擴孔鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

3 水力擴孔卸壓防突效果評價

桑樹坪煤礦3#煤層為地應(yīng)力主導(dǎo)型突出，區(qū)域措施效果評價單純采用殘余瓦斯含量作為評價指標(biāo)難以真實評價區(qū)域突出危險性，因此效果檢驗指標(biāo)即要反映煤層瓦斯抽采情況又要反映煤層應(yīng)力卸除效果。結(jié)合水力擴孔技術(shù)的特點，區(qū)域措施效果評價采用擴出煤屑率即擴出煤屑量在措施控制區(qū)域煤體總量所占比例結(jié)合殘余瓦斯含量的方法。

4321工作面運輸巷采用水力擴孔技術(shù)措施進行區(qū)域消突，要求每個鉆場擴出煤屑率不低于3%，殘余瓦斯含量降低至8m3/t以下。現(xiàn)場7#—31#鉆場控制區(qū)域統(tǒng)計實際擴出煤屑率在3.2%～6.4%，區(qū)域措施效果檢驗實測煤層殘余瓦斯含量5.78～7.12m3/t，各個評價單元擴出煤屑率、殘余瓦斯含量結(jié)果及構(gòu)造情況如圖7所示。

鄰近4321工作面的4317工作面在無保護層開采情況下，采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶進行區(qū)域防突，在效檢殘余瓦斯含量小于8m3/t的情況下，依然多次發(fā)生異常瓦斯動力現(xiàn)象，月進尺僅20～30m，且難以確保安全掘進。

桑樹坪煤礦采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進行工作面預(yù)測。鉆屑量S的臨界值6kg/m，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2的臨界值200Pa。4321運輸巷各評價單元在擴出煤屑率介于3%～5%時，掘進過程中未出現(xiàn)過異常瓦斯動力現(xiàn)象，僅在16#和23#鉆場鉆孔控制區(qū)域，由于遇到斷層構(gòu)造，在斷層構(gòu)造附近出現(xiàn)過表征地應(yīng)力大小的鉆屑量S指標(biāo)超限現(xiàn)象。當(dāng)評價單元內(nèi)整體擴出煤屑率大于5%時，15#、19#及24#—25#鉆場鉆孔控制區(qū)域內(nèi)雖然掘進也遇到了斷層構(gòu)造、煤厚變化劇烈區(qū)域，但未發(fā)生過區(qū)域驗證指標(biāo)超限現(xiàn)象，掘進區(qū)域驗證指標(biāo)測定數(shù)據(jù)分布如圖8所示。

圖7 擴出煤屑率及殘余瓦斯含量測定結(jié)果圖

圖8 掘進區(qū)域驗證指標(biāo)測定數(shù)據(jù)分布圖

在以后的水力擴孔卸壓抽采煤巷條帶瓦斯技術(shù)推廣應(yīng)用時，可以根據(jù)探查的煤層及構(gòu)造分布情況，提前對煤巷條帶劃分正、異常賦存區(qū)域，正常賦存條件區(qū)域擴出煤屑率不低于3%，異常賦存條件區(qū)域擴出煤屑率不低于5%。

4321運輸巷的現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，高壓水射流水力擴孔技術(shù)措施可解決桑樹坪煤礦地應(yīng)力主導(dǎo)型松軟突出厚煤層煤巷掘進防突問題，能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效掘進，同時由于采取區(qū)域強化卸壓抽采措施，相對普通穿層鉆孔而言，可減少鉆孔工程量，降低成本。

4 結(jié) 論

1)采用底板巷穿層鉆孔結(jié)合水力擴孔技術(shù)，能夠降低煤層應(yīng)力，增大內(nèi)部暴露面積，可有效的增加松軟突出厚煤層煤層的透氣性，提高抽采效果，有效防治地應(yīng)力主導(dǎo)型突出災(zāi)害。

2)對于桑樹坪煤礦3#煤層地應(yīng)力主導(dǎo)型突出危險災(zāi)害，采用擴出煤屑率結(jié)合殘余瓦斯含量的區(qū)域措施效果評價方法更適應(yīng)煤層瓦斯災(zāi)害特點。

3)煤層賦存條件不同，效果評價指標(biāo)臨界值不同。殘余瓦斯含量的臨界值為8m3/t，煤層正常、異常賦存區(qū)域擴出煤屑率的臨界值分別為3%、5%，可實現(xiàn)煤巷安全高效掘進。