地应力主导型突出危险煤巷水力扩孔卸压防突技术研究

李生舟

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤与瓦斯突出的防治就是基于其发生的主导因素，采取针对性的治理措施[1，2]。上世纪我国煤炭开采埋深较浅，煤层中的高瓦斯压力是突出灾害的主导因素，采用大面积的预抽煤层瓦斯，将煤层瓦斯压力下降至一定程度可以有效消除突出危险。然而，随着我国的煤层开采深度增加，地应力与瓦斯压力不断增大，仅依靠传统的大面积的预抽煤层瓦斯无法有效解决大埋深或者高地应力煤层的煤与瓦斯动力灾害危险[3-5]。

同时，随着近年技术装备的发展，水力扩孔等卸压增透技术在突出煤层中的应用越来越普遍，我国学者对水力扩孔技术做了相关研究。宝坤等[6]对扩孔周围煤体的应力场、位移场分布规律进行研究，分析了冲煤量对周围煤体应力和位移变化的影响；任仲久等[7]采用理论分析、室内电镜测试和现场工业性验证相结合的方法研究了水力扩孔技术卸压增透作用；郝富昌等[8]研究了不同冲煤量钻孔的抽放半径，优化了水力扩孔布孔参数；李鹏等[9]结合本煤层水力扩孔技术在红岭煤矿的现场应用，确定了合理的工艺流程和技术参数，进行了试验效果考察；杜昌华等[10]研究了水力扩孔技术对低透松软煤瓦斯抽采情况的改善效果。

但是，前述研究主要针对水力扩孔的卸压效果、抽采半径、钻孔参数优化等方面，而对地应力主导型松软突出煤层的卸压防突和效果评价指标及临界值的研究还有待进行深入研究。针对韩城矿区3#煤层赋存特点及动力灾害主导因素，采用理论分析、数值模拟及现场考察手段对水力扩孔的卸压防突效果及合理的区域措施效果评价指标进行了研究，提出了穿层钻孔水力扩孔卸压防突技术，并进行了成功应用，可为类似条件矿井的防突工作提供借鉴。

1 矿井突出特点及防治对策

1.1 突出特点分析

桑树坪煤矿4321工作面开采3#煤层(贫瘦煤)，瓦斯含量8～11m3/t，瓦斯压力0.88MPa。煤层破坏类型为Ⅱ～Ⅴ类，分布无规律，主体破坏类型Ⅳ类；厚度变化大，煤厚3～9m，平均厚度5.5m；局部有小断层、褶曲。从矿区来看，3#煤层破坏类型为Ⅴ类、断层附近区域、煤层厚度急剧变化带是发生突出灾害的高危险区，本次试验工作面在韩城矿区具有代表性。

分别采集了试验区断层构造、煤厚急剧变化带、无构造区域的煤样进行实验室分析，具体结果见表1。断层附近和煤厚急剧变化带煤的破坏程度高，破坏类型为Ⅳ、Ⅴ类，其瓦斯放散初速度13～22，坚固性系数0.11～0.18；正常区域煤的破坏类型一般为Ⅲ、Ⅳ类，瓦斯放散初速度8～12，坚固性系数0.24～0.36，测得的煤层突出危险性的指标值相对更趋于安全。

表1 煤样瓦斯放散初速度ΔP及坚固性系数f

从测定的煤层突出危险性指标看，构造区域煤层破碎、松软抵抗突出能力弱，且瓦斯放散能力更强，和矿井历史上突出主要发生在构造区域、煤厚剧烈变化区相吻合。韩城矿区本身水平构造应力发育，加之采掘过程中采动应力、构造应力集中，预抽煤层残余瓦斯含量至6～7m3/t后，依然发生过以地应力为主导的动力灾害。2015年7月6日，桑树坪煤矿南一采区3314下联巷工作面穿层钻孔预抽煤层残余瓦斯含量至6.7m3/t，效果检验无异常瓦斯动力现象，但掘进过程中依然发生了地应力主导延期煤体突然压出事故。

1.2 突出灾害防治对策

我国相关法规已经明确了具有突出危险煤层的两个“四位一体”综合防突措施，对于无保护层开采条件的，顺层或者穿层钻孔预抽煤层瓦斯是最基本的措施之一，但是对于韩城片区地应力主导型突出，仅依靠预抽瓦斯无法有效的消除突出危险，还应采取技术措施卸除煤层中的应力，采掘过程中减少应力集中程度，从而减轻采掘过程中的来压诱发突出危险，即从煤层瓦斯和应力两方面防治煤与瓦斯突出动力灾害。

2 水力扩孔卸压抽采效果考察分析

煤层卸压措施主要有保护层开采、超高压水力割缝、水力扩孔、水力压裂、深孔欲裂爆破等，桑树坪煤矿煤层松软，试验区域不具备保护层开采条件，考虑到不同技术的特点及适用性，选择水力扩孔技术卸压消突。通过理论分析结合后期现场观测，分析了水力扩孔钻孔内部破坏形态及卸压机理；通过数值模拟分析了水力扩孔钻孔卸压范围，最后现场试验水力扩孔卸压增透及防突效果。

2.1 松软煤层扩孔卸压机理分析

利用高压水射流切割钻孔煤壁，以扩大钻孔直径，增加卸压范围，扩孔后钻孔孔壁破坏形态总体可分成两类：①煤层破坏类型为Ⅲ、Ⅳ时，煤体具有一定抗破坏能力，表现为垮落堆积，在顶板区域形成漏斗状空间，煤体暴露面积增加，煤壁集中应力峰值向孔壁深处转移，同时形成一定的塑性区，峰值亦相对降低，如图1(a)所示；②煤层破坏类型为V类时，煤体似土质呈粘块状，具有蠕变性[11，12]，且煤体抗破坏能力差，孔壁四周煤体主要表现为挤压碎胀，将整个扩孔空间被松散煤体充填，形成较大范围的松散区，如图1(b)所示，破碎充填区范围较垮落充填大，应力集中峰值位置向煤层更深部转移，且应力变化更为平缓[13-15]。

图1 不同破坏类型软煤扩孔后钻孔内部破坏形态

分析时仅考虑钻孔垂直煤层情况下的孔壁周围煤体破坏规律，钻孔一般有一定的倾角，具有一定倾角的钻孔影响范围较垂直钻孔大。从后期煤巷掘进现场揭露扩孔钻孔内部情况分析，煤层破坏类型为V类时，钻孔揭露位置未见明显孔洞，这是由于煤体垮落及蠕变致使扩煤空间被充填，但煤体并未恢复至原煤状态，多为松散煤体；煤层破坏类型为III、IV类时，煤孔段上部(钻孔与顶板相交位置)任然存在空洞，煤孔段下部被松散煤体充填。

2.2 扩孔后塑性破坏区及应力分布数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件模拟了扩孔钻孔终孔间距6m三花状布置情况下扩孔钻孔周围塑性破坏区域的分布形态及煤体卸压情况。

模型长宽为20m×20m，分为三层：顶层为岩层高2.5m；中间层为煤层，高5.0m；底层为岩层，高2.5m。扩孔钻孔方向垂直于煤层，模拟煤层埋深为560m。按照煤体扩出煤屑率3%估算，扩孔钻孔等效孔径约为0.8m，具体煤岩体力学参数见表2，钻孔周围塑性破坏区域的分布形态如图2所示，煤体第三主应力(压应力)分布情况如图3所示。

表2 煤岩力学参数表

图2 扩孔钻孔周边塑性破坏区大小及分布

图3 煤体最小主应力分布云图

由图2可知，采用水力扩孔措施后，钻孔周边塑性破坏区半径约2.2m，终孔间距6m的情况下，两孔中间尚未发生塑性破坏区域宽度仅1.6m。发生塑性破坏区域裂隙发育，渗透率增大，有利于瓦斯抽采。

截取模型中部垂直剖面，对比了煤体原始状态、未扩孔及扩孔后三种状态下，煤体中的第三主应力分布如图3所示，钻孔扩孔后，孔洞周围煤层应力重新分布，孔洞附近煤体的应力降低，形成卸压区，从图3中可以看到，卸压区域宽度约3.2m，随着应力向深部转移，在卸压区之外形成一定范围应力集中区，在钻孔间距6m的情况下，相邻两个钻孔形成的应力集中区域未叠加，避免了煤体中形成过高的应力集中区域。

实际松软煤体有蠕变性质，在后期瓦斯抽采过程中，随着时间延长孔洞周边煤体会向自由空间变形，卸压效果比模拟的效果更好。

2.3 扩孔后卸压增透效果考察

在4321运输巷正下方约20m的底板中布置一条底板瓦斯抽采巷，每间隔50m布置一个钻场。基于前述理论分析和数值模拟研究，在钻场中施工终孔间距6m×6m三花布置上向穿层水力扩孔钻孔对煤巷条带进行卸压和抽采，底板巷及穿层钻孔布置方式如图4所示。

图4 底板巷穿层水力扩孔钻孔布置示意图

在试验初期分别试验对比了普通穿层钻孔和穿层扩孔钻孔抽采效果差异，对两种钻孔初始瓦斯涌出量及钻孔流量衰减系数进行测定，钻孔瓦斯涌出速度及衰减系数对比结果如图5所示。

3#煤层普通穿层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0530～0.0740d-1，属于较难抽采煤层，扩孔钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0140～0.0260d-1，卸压增透后煤层变为可以抽采煤层，瓦斯流量衰减系数降低65%～74%；普通穿层钻孔自然瓦斯涌出流量为6.8182～11.5000L/min，采用水力扩孔措施后提高至17.3077～23.2143L/min，钻孔自然瓦斯涌出量提高2～3倍，煤层的可抽性得到明显改善。

图5 钻孔瓦斯涌出速度及衰减系数对比图

2.4 水力扩孔措施瓦斯抽采效果考察

以12#～14#钻场穿层钻孔控制区域的评价单元为例，瓦斯抽采监测曲线如图6所示，瓦斯抽采浓度平均24%，单孔平均抽采流量0.033m3/min；而矿井普通穿层钻孔预抽浓度一般仅10%左右，单孔平均抽采流量平均0.020m3/min，因此采用水射流扩孔后的瓦斯抽采浓度及抽采量都显著提高。

通过水力扩孔排出大量煤屑，增大了煤层内部自由空间，卸除煤层中的部分应力，降低了突出的煤体弹性能，增透作用进一步提高瓦斯抽采效果，对控制桑树坪煤矿松软3#煤层地应力主导型突出效果显著。

图6 扩孔钻孔预抽煤层瓦斯监测数据曲线

3 水力扩孔卸压防突效果评价

桑树坪煤矿3#煤层为地应力主导型突出，区域措施效果评价单纯采用残余瓦斯含量作为评价指标难以真实评价区域突出危险性，因此效果检验指标即要反映煤层瓦斯抽采情况又要反映煤层应力卸除效果。结合水力扩孔技术的特点，区域措施效果评价采用扩出煤屑率即扩出煤屑量在措施控制区域煤体总量所占比例结合残余瓦斯含量的方法。

4321工作面运输巷采用水力扩孔技术措施进行区域消突，要求每个钻场扩出煤屑率不低于3%，残余瓦斯含量降低至8m3/t以下。现场7#—31#钻场控制区域统计实际扩出煤屑率在3.2%～6.4%，区域措施效果检验实测煤层残余瓦斯含量5.78～7.12m3/t，各个评价单元扩出煤屑率、残余瓦斯含量结果及构造情况如图7所示。

邻近4321工作面的4317工作面在无保护层开采情况下，采用顺层钻孔预抽煤巷条带进行区域防突，在效检残余瓦斯含量小于8m3/t的情况下，依然多次发生异常瓦斯动力现象，月进尺仅20～30m，且难以确保安全掘进。

桑树坪煤矿采用钻屑瓦斯解吸指标法进行工作面预测。钻屑量S的临界值6kg/m，钻屑瓦斯解吸指标Δh2的临界值200Pa。4321运输巷各评价单元在扩出煤屑率介于3%～5%时，掘进过程中未出现过异常瓦斯动力现象，仅在16#和23#钻场钻孔控制区域，由于遇到断层构造，在断层构造附近出现过表征地应力大小的钻屑量S指标超限现象。当评价单元内整体扩出煤屑率大于5%时，15#、19#及24#—25#钻场钻孔控制区域内虽然掘进也遇到了断层构造、煤厚变化剧烈区域，但未发生过区域验证指标超限现象，掘进区域验证指标测定数据分布如图8所示。

图7 扩出煤屑率及残余瓦斯含量测定结果图

图8 掘进区域验证指标测定数据分布图

在以后的水力扩孔卸压抽采煤巷条带瓦斯技术推广应用时，可以根据探查的煤层及构造分布情况，提前对煤巷条带划分正、异常赋存区域，正常赋存条件区域扩出煤屑率不低于3%，异常赋存条件区域扩出煤屑率不低于5%。

4321运输巷的现场应用情况表明，高压水射流水力扩孔技术措施可解决桑树坪煤矿地应力主导型松软突出厚煤层煤巷掘进防突问题，能够实现安全高效掘进，同时由于采取区域强化卸压抽采措施，相对普通穿层钻孔而言，可减少钻孔工程量，降低成本。

4 结 论

1)采用底板巷穿层钻孔结合水力扩孔技术，能够降低煤层应力，增大内部暴露面积，可有效的增加松软突出厚煤层煤层的透气性，提高抽采效果，有效防治地应力主导型突出灾害。

2)对于桑树坪煤矿3#煤层地应力主导型突出危险灾害，采用扩出煤屑率结合残余瓦斯含量的区域措施效果评价方法更适应煤层瓦斯灾害特点。

3)煤层赋存条件不同，效果评价指标临界值不同。残余瓦斯含量的临界值为8m3/t，煤层正常、异常赋存区域扩出煤屑率的临界值分别为3%、5%，可实现煤巷安全高效掘进。