不同性质外液对煤与瓦斯突出防治效果影响

孙成坤， 傅 贵

(1.黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司，哈尔滨 150090;2.中国矿业大学 资源与安全工程学院，北京 100083)

不同性质外液对煤与瓦斯突出防治效果影响

孙成坤1，2， 傅 贵2

(1.黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司，哈尔滨 150090;2.中国矿业大学 资源与安全工程学院，北京 100083)

针对煤层注水防止工作面煤与瓦斯突出问题，以七台河新兴煤矿92#煤层工作面生产条件为背景，采用数值模拟研究和现场工业试验相结合的方法，研究了注入介质为纯水和表面活性剂溶液时，其对工作面钻孔围岩塑性浸润区和工作面垂直应力分布规律的影响。结果表明:具有煤与瓦斯突出危险的回采工作面预采煤体注液后，能够降低应力峰值、增加峰值距、扩大应力增高区的覆盖范围，从而使防突效果提高;防突效果的提高程度与所注入的外液性质有关，表现为表面活性剂溶液强于纯水;钻孔注液后，孔间塑性浸润区的发展状态与注液压力及所注入的流体介质性质有关。相同流体介质条件下，注液压力越大，塑性浸润区的发育范围也越大;在纯水中加入表面活性剂之后，其孔间塑性浸润区的发育不仅范围更大，速度更快，且在各方向上更为均匀。该研究对注水防止煤与瓦斯突出具有很好的实际指导意义。

煤与瓦斯突出;注液;表面活性剂;塑性区;应力分布

0 引言

在我国，随着矿井开采深度的增加，瓦斯含量和瓦斯压力逐步增加，导致煤与瓦斯突出的几率也在不断的加大［1］。目前，从煤与瓦斯突出防治措施的控制范围来看，主要包括局部防突和区域防突两类，前者主要有超前钻孔、松动爆破、水力割缝、水力冲孔、水力压裂、煤层注水、水力挤出等，后者则以保护层开采和区域性瓦斯预抽为主［2］。煤与瓦斯突出产生的实质是原始处于高应力状态下的含瓦斯煤体，在煤体开挖生产等扰动影响下，瓦斯和煤的耦合平衡体突然失稳而产生的。故从其防治着眼点来看，一是从瓦斯入手，通过外加措施来改变瓦斯含量和瓦斯压力;二是从煤体入手，通过外加措施来改变煤体的力学性质。以此来改变原始处于高应力环境中的煤与瓦斯耦合平衡体的状态，从而防止煤与瓦斯突出。

由于处于原始环境中的含瓦斯煤体是一种气固耦合平衡体，改变任何一方均会同时对另一方产生影响，因此，无论采用哪种防治措施，实际上对瓦斯和煤体都是起综合作用的。相比较来看，煤层注水不仅能对瓦斯和煤体起综合作用，还能起防尘作用，因此，在国内外煤与瓦斯突出的防治中得到了普遍关注［3－8］。

对含瓦斯煤体进行注液，因外液性质不同，相同时间内在煤体中的浸润扩展范围，及对煤体物理力学性质的改变程度等均不相同，而这些在宏观上则表现为注液后的钻孔围岩塑性浸润区范围及煤体内的应力分布规律有不同的变化。据此，从煤与瓦斯突出灾害防治角度出发，模拟研究工作面预采煤体在不同外液注入条件下，外液对孔间围岩塑性浸润区发展及工作面应力分布规律的影响，以期为煤与瓦斯突出灾害的防治提供指导。

1 数值模拟模型的建立

1.1 区域煤岩概况

该模型以七台河矿业集团新兴煤矿三采区正在回采92#煤层右一回采工作面为例，该煤层具有煤与瓦斯突出的危险，开采区域煤层赋存深度平均为760 m，工作面回采工艺为走向长壁高档普采，工作面长130 m，煤层倾角平均 13°，煤层瓦斯压力2.6 MPa，煤质为1/3焦煤，其回采区域的煤岩层组成情况及相关力学参数如表1所示。

表1 区域煤岩组成及力学参数Table 1 Area coal and rock form and mechanics parameters

1.2 模型建立

模拟采用FLAC3D软件，由于文中研究的是具有煤与瓦斯突出危险的煤体在注入外液条件下，其对钻孔围岩塑性浸润区发育和工作面前方垂直应力分布规律的影响，故采用流固耦合计算模块，并采用有限差分法进行模拟，同时为了研究方便，将煤体视为均质连续体。根据区域地质与生产条件，建立工作面开采三维模型，计算模型的立体图如图1所示，模型走向长200 m，倾向长100 m，高度为70 m。注液钻孔沿工作面中部布置，共布置16个钻孔，钻孔间距8 m，孔长为5 m(图2)。模拟中注入的外液一种是纯水，另一种为OP－10与CaCl2复配的表面活性剂溶液，其质量分数为0.4%。

图1 模型立体图Fig.1 Model stereogram

图2 煤壁钻孔布置Fig.2 Drilling arrangement diagram on coal wall

2 外液对钻孔周围塑性浸润区分布的影响

2.1 注入纯水的塑性浸润区分布

在注入纯水条件下，其注入压力P分别为5、10 MPa，模拟钻孔围岩塑性浸润区的发展情况分别如图3和4所示。

图3 注水后钻孔周围塑性浸润区分布Fig.3 Plastic infiltration area around drilling after water injection

图4 注水后钻孔周围塑性浸润区分布Fig.4 Plastic infiltration area around drilling after water injection

由图3和图4对比可知，孔内注液压力不同，钻孔围岩塑性浸润区的发育范围也不一样，注液压力越高，在相同时间内其发育范围也越大。

2.2 注入表面活性剂溶液的塑性浸润区分布

在注入表面活性剂溶液条件下，其注入压力为10 MPa，模拟钻孔围岩塑性浸润区的发展情况如图5所示。由图4和图5对比可知，在相同的注液压力作用下，当注入介质为表面活性剂溶液时，孔间塑性浸润区的贯通不仅速度快，而且相对均匀。相对而言，当注入介质为纯水时，孔间塑性浸润区的贯通不仅速度慢，而且具有局部方向性。

图5 注表面活性剂溶液后钻孔周围塑性浸润区分布Fig.5 Plastic infiltration area around drilling after surfactant solution injection

2.3 塑性浸润区半径与计算步骤的关系

结合数值模拟数据，可获得注液后钻孔围岩塑性浸润区半径R与计算步骤n之间的关系曲线，如图6所示。

图6 孔周塑性浸润区半径与计算步骤的关系Fig.6 Between radius of plastic infiltration area around drilling and calculation steps

通过对图3～6的分析可知，在孔内注液压力作用下，煤体内裂隙的发展与外液的浸润同步进行，但注入的流体介质不同，其裂隙发展速度与外液浸润速度有较为明显的差别。在注入介质为纯水的条件下，裂隙的发展速度明显大于外液的浸润速度，表现为塑性浸润区的发育具有一定的方向性和不均匀性。相反在注入介质为表面活性剂溶液的条件下，裂隙的发展速度与外液的浸润速度相当，表现为塑性浸润区发育较为均匀。

3 外液对工作面前方应力分布的影响

根据矿山压力理论，工作面前方煤体存在弹性区和塑性区，塑性区的宽度L*可表示为［9］:

式中:Kk——稳定后的应力集中系数;K*——煤体强度性能系数。

式中:σmax——最大应力，MPa;

γ——岩石容重，N/m3;H——赋存深度，m。

由式(1)可以看出，注水后煤体的强度系数K*减小，塑性区的宽度将增加。

实际工作面开采过程中，煤体前方应力重新分布具有时间效应。应力集中系数与工作面停止推进后的时间关系为［10］:

式中:A、β——常数;

λ——流变参数;

t——时间，h;

m——煤层厚度，m;

Lt——工作面停止推进t时集中应力带应力峰值离工作面的距离，m;

L0——开始时集中应力带应力峰值离工作面的距离，m;

Lk——稳定后集中应力带应力峰值离工作面的距离，m。

通过数值模拟，获得工作面前方煤体在不同外液注入条件下的应力分布图(图7)以及垂直应力变化曲线(图8)。由图7和8分析可知:未注液前垂直应力峰值位于工作面前方5 m左右，卸压带宽2 m;煤层注水后，垂直应力峰值位于工作面前方9 m，卸压带宽5 m，相比不注水时，垂直应力峰值深移增加约40%，卸压带宽增长约50%;而添加表面活性剂溶液与注纯水相比，卸压带增宽值和应力峰值前移距离更大，卸压带宽度更宽。

图7 注液前后应力变化云图Fig.7 Cloud map of stress changes pre and post solution injection

图8 不同注液条件下稳定后的应力分布曲线Fig.8 Distribution curve of stress changes under different condition of external solution injection

从理论上来说，当煤体注液后，煤体的含水率增大，煤体物理力学性质发生改变，弹性能降低，塑性增加，致使工作面前方塑性区卸压带增大，工作面集中应力区前移，从而使具有突出危险的煤体内的瓦斯能够在暴露前提前释放，工作面安全屏障加大。瓦斯提前释放、集中应力区前移、塑性卸压带增大，意味着工作面前方煤体抵抗发生瓦斯突出的能力提高。表面活性剂溶液会使相同条件下煤体的含水率大幅提高，因此会提高防突效果。

4 现场应用

结合数值模拟结果，在七台河新兴煤矿三采区92#煤层右一回采工作面进行了现场工业试验，相同注液压力下采用注纯水和表面活性剂溶液两种方式，并相应测试注液后的渗透半径和工作面应力分布情况。渗透半径的测定采用刻槽法，工作面应力分布测定则采用钻屑法。注液前后工作面应力分布对比测定比较易于实施，即在注水前后沿工作面推进方向各打一个钻孔(孔深h)，分别测定钻孔的每米钻屑量S。而注纯水和注表面活性剂溶液的工作面应力分布对比，则采用相同推进循环进行比较。测定结果如表2和图9所示，从图表中可以看出，现场实测结果与数值模拟结果基本一致。表明注入表面活性剂溶液后的防突效果会大大提高。

表2 不同注液条件下的渗透半径Table 2 Infiltrating radius under different solution injection condition

图9 注水前后钻屑量分布Fig.9 Distribution of drill cuttings before and after coal seam infusion

5 结论

(1)对于钻孔注液防突而言，在相同时间内，注液压力越大其钻孔围岩的塑性浸润区发育范围也越大。

(2)在孔内注液压力作用下，煤体内裂隙的发展与外液的浸润同步进行，注入的流体介质不同，其裂隙发展速度与外液浸润速度也不相同。注入纯水时，裂隙的发展速度明显大于外液的浸润速度，表现为塑性浸润区的发展具有一定的方向性和不均匀性。注入表面活性剂溶液时，裂隙的发展速度与外液的浸润速度相当，表现为塑性浸润区发育较为均匀。

(3)在相同的注液压力作用下，当注入介质为表面活性剂溶液时，孔间塑性浸润区的贯通不仅速度快，且相对均匀，而当注入纯水时，孔间塑性浸润区的贯通不仅速度慢，且具有局部方向性。

(4)在纯水中加入表面活性剂之后，能够大大改善水对煤体的渗透浸润作用，缩短注水时间，增加工作面前方塑性区卸载带的宽度，并降低应力峰值大小，从而使防突效果更加明显。

［1］卫修君，林柏泉.煤岩瓦斯动力灾害发生机理及综合治理技术［M］.北京:科学出版社，2009.

［2］孙成坤.添加表面活性剂注水防治煤与瓦斯突出机理研究［D］.北京:中国矿业大学，2011.

［3］肖知国，王兆丰.煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展［J］.中国安全科学学报，2009，19(10):150－158.

［4］董克柱.煤层注水机理及封孔技术研究［D］.北京:北京科技大学，2008.

［5］张春华，刘泽功，王佰顺，等.高压注水煤层力学特性演化数值模拟与试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(Z2):3371－3375.

［6］刘忠峰，康天合，鲁 伟，等.煤层注水对煤体力学特性影响的试验［J］.煤炭科学技术，2010，38(1):17－19.

［7］郭红玉，苏现波.煤层注水抑制瓦斯涌出机理研究［J］.煤炭学报，2010，35(6):928－931.

［8］路聚堂，高爱民，崔子强，等.注水对工作面前方煤体特性影响的数值分析［J］.煤矿安全，2011(4):21－24.

［9］刘建新，李志强，李三好.煤巷掘进工作面水力挤出措施防突机理［J］.煤炭学报，2006，31(2):183－186.

［10］切耳诺夫，罗赞采夫.瓦斯突出危险煤层井田的准备［M］.宋世钊，于不凡，译.北京:煤炭工业出版社，1980.

Different kinds of external solution impact on prevention and cure effect of coal and gas outburst

SUN Chengkun1，2， FU Gui2
(1.Heilongjiang Longmay Mining Hoiling Group Co.Ltd.，Harbin 150090，China;2.Faculty of Resource＆ Safety Engineering，China University of Mining＆ Technology，Beijing 100083，China)

Aimed at addressing the problem resulting from injecting water into coal seam to prevent coal and gas outburst，this paper builds on coal face production condition of Qitaihe Xinxing colliery 92#coal seam and describes the use of the combined method of numerical simulation research and the industrial test to study the impact of pure water and surfactant solution on plastic infiltration area around drill hole and vertical stress distribution of coal face.The results show that injecting external solution into the preliminary coal body vulnerable to coal and gas outburst danger contributes to reducing stress peak，increasing stress peak distance，expanding overage of stress increase area，and thus improving the outburst prevention effect.The outburst prevention effect depends on external solution properties in such a way that surfactant solution is better than pure water.Solution injection into drill hole leads to the correlation between the development state of plastic infiltration range on the one hand and drill holes，injection pressure，and fluid medium properties on the other hand.With the same fluid medium condition，a higher injection pressure results in a wider the plastic infiltration area range around drill hole;adding surfactant into pure water allows plastic infiltration area between drill holes to develop not only at a greater range and higher speed faster，but also with a better uniformity in each direction.The study is of significance to preventing coal and gas outburst by using water injection.

coal and gas outburst;injection solution;surfactant solution;plastic range;stress distribution

TD713

A

1671－0118(2012)05－0447－05

2012－08－08

孙成坤(1971－)，男，黑龙江省七台河人，高级工程师，博士，研究方向:矿山安全与管理，E-mail:sck1971@sina.com。

(编辑 王 冬)