水力沖煤卸壓防突技術在煤礦中的應用

賈浩生

摘 要： 近些年，我國對能源的需求量在不斷增加。針對煤礦的水力沖煤卸壓防突進行實驗，分析水力沖煤防突的原理，分析并利用軟件進行模擬沖孔之后鉆孔的孔徑向應力和鉆孔的膨脹變形以及唯一特點，現場開始實施水力沖煤后，單孔抽采時的瓦斯最大混合流量為每分鐘142升，抽采的濃度最高為88%，這種水力沖煤的卸壓防突技術突出了危險區的煤巷的施工安全和高效，并且還降低了鉆孔的工作量。

關鍵詞： 水力沖煤;瓦斯;卸壓;防突

【中圖分類號】F27 【文獻標識碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.25.174

引言：近年來，我國現有多數礦井進入了深部開采階段，煤層埋深的增加使礦井地應力增大、煤層及圍巖的透氣性變差、瓦斯向地表運移的距離增長，這些都有利于封存瓦斯。瓦斯封存狀態好、瓦斯含量高、采深及地應力大加大了煤層開采時的突出危險性。煤與瓦斯突出是煤礦生產過程中最嚴重的自然災害之一，為了有效防治煤與瓦斯突出，我國防突工作堅持“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的原則。區域防突措施包括開采保護層和預抽煤層瓦斯2類。但是傳統的區域預抽煤層瓦斯穿層鉆孔施工工藝，僅是按設計要求施工穿層鉆孔，通過鉆孔抽采控制區域煤層的部分瓦斯，由于突出煤層極松軟、透氣性差、地應力和構造應力高，加之自然含水率低，鉆孔在短時間內就會變形消失，抽采瓦斯流量衰減較快。為保證抽采效果，需加大鉆孔密度，鉆孔工程量增大，抽采時間長，且治理效果也很難保證，由此給礦井區域瓦斯治理帶來極大困難。水在煤礦是可循環利用的安全廉價資源，水力化措施在區域防突工程中的研究應用效果，近年來取得較大的突破。如水力切割、水力壓裂等，但受地質條件及操作安全等諸多因素的影響，未得到廣泛應用。為實現穿層孔快速消突，臨渙礦在集團公司的指導下，結合國內外有關水力化防突技術原理，積極實施了水力沖煤卸壓防突技術。

1 水力擴孔的必要性

底抽巷預抽瓦斯是瓦斯治理的有效手段，該方法利用巷道底板的阻滯作用，在確保施工人員及相關設備安全的條件下，施工密集的抽放鉆孔，消除煤層的突出危險性，還能解決采掘接替緊張的問題。但底抽巷預抽瓦斯也存在一定的局限性和適用范圍。（1）煤層透氣性不能太低。如果煤層透氣性太低，即使按照設計要求布置了密集的抽放鉆孔，但是只能在抽放初期抽出高濃度瓦斯。因煤層透氣性差，深部瓦斯無法涌出，僅能抽放鉆孔附近的瓦斯，即使增加抽放時間也無法根除突出危險，還會造成人力的浪費。（2）抽放效果受地質條件影響大。不同地質條件下，瓦斯賦存狀況不一致，在局部地質構造異常區，受煤層厚度等條件影響，瓦斯含量高，抽放孔無法抽出全部瓦斯，造成局部存在突出危險性。

2 數值模擬分析

本文中主要用FLAC軟件對數值的結果進行數據分析，模擬出了地質材料在強度極限位置發生的破壞效果以及力學特點。為了研究水力沖煤的卸壓效果，分別構建了鉆孔半徑為0.06，0.1，0.2，0.3米的計算模型，計算范圍的長寬高分別為10米，10米和12米，劃分成多個單元，分解成多個節點。

數據模擬的結果是：煤礦穿層的鉆孔用的113毫米的鉆頭，形成鉆孔直徑為115毫米后，用水力沖煤的方式使最大直徑達到6分米。

分別羅列出4種鉆孔的分布情況。沒有開始采掘的時候，水力沖煤會導致孔洞越來越大，孔洞的壓力會轉借給周圍的孔洞，形成附近區域應力集中，隨后孔洞的范圍越來越大，周圍的應力奧宇煤體自身的強度，就會發生大范圍的煤體破壞，集中應力最高值向深部轉移，應力變小，低于原巖應力導致煤體卸壓。

3 擴孔效果檢驗

底抽巷鉆孔抽放半年后，根據瓦斯殘余含量進行區域防突效果檢驗，檢驗時在兩巷每隔50m布置一個測點，兩巷測點交錯布置，均勻分布，在地質構造異常區增加測點密度，繪制不同測點瓦斯含量變化，如圖1所示。

根據圖1可知，水力擴孔預抽卸壓瓦斯防突技術應用效果明顯，在運輸順槽和回風順槽的測量結果顯示，煤層中瓦斯殘余量均在8m3/t以下，整體抽放率約57%，顯著降低了煤層中的瓦斯含量，消除了煤層的突出危險性。

結語：本文主要是對煤礦的水力沖煤卸壓防突進行實驗，分析水力沖煤防突的原理，并且建模實施，探討水力沖煤的效果。水力沖煤主要是用高壓水射在短時間內沖出的流體形成大面積的洞，破壞煤體自身應該有的平衡力，降低有效應力，煤層中產生的新縫隙大批量瓦斯吸附的平衡，提高瓦斯的透氣性，達到了防治突出的效果，破壞了突出發生的基礎條件。水力沖煤能夠加速瓦斯的排放量，同時提高瓦斯抽采的濃度，縮短瓦斯抽采的時間，減少挖掘環節的人員清理成本，加大了注水的安全性改變煤體結構，提高孔徑的卸壓半徑，降低鉆孔的工程復雜程度，同時還能夠實現一孔多用，加大了注水的安全性，能夠提高煤層的注水效果，控制灰塵進入。

參考文獻

[1] 苗二礦，李濤.水力沖煤卸壓防突技術在臨渙煤礦的應用[J].中州煤炭，2016（11）：6-10+15.

[2] 肖知國，王兆豐，陳立偉，等.煤層高壓注水防治煤與瓦斯突出效果考察及機理分析[J].河南理工大學學報（自然科學版），2010（3）：287-311.

[3] 司瑞江，等.趙莊礦大流量水力擴孔增透瓦斯抽采技術[J].能源與環保，2018，40（9）：50-53.

[4] 張輝元.煤層水力沖孔增透效果影響因素的研究[J].煤炭技術，2015，34（11）：139-141.

[5] 劉明舉，趙文武，劉彥偉，等.水力沖孔快速消突技術的研究與應用[J].煤炭科學技術，2010，38（3）：58-60.