突出煤层螺旋式水力割煤技术及应用

张海庆

（平煤股份公司八矿，河南省平顶山市，467012）

突出煤层螺旋式水力割煤技术及应用

张海庆

（平煤股份公司八矿，河南省平顶山市，467012）

详细介绍了突出煤层螺旋式水力割煤技术的工艺流程和煤体消突机理，建立了FLAC3D数值模型，模拟分析了螺旋状缝槽周围煤体应力和位移的变化规律，并进行了现场工业性试验。结果表明：螺旋状缝槽周围煤体应力大大降低，卸压效果显著，卸压半径约为3 m；煤体扰动范围和位移量均显著增大，径向有效影响范围可达4 m。试验现场螺旋式水力割煤技术与普通打钻相比，煤体扰动半径、扰动体积分别增大4倍、30倍左右；瓦斯浓度、流量亦大大提高，纯流量值增加约4倍，瓦斯抽采效果好，达到煤体消突目的。

突出煤层 螺旋式水力割煤 机理 应力 位移 数值模拟

近几年，我国煤矿随着开采深度不断增加，瓦斯含量和压力越来越大，地质构造条件愈加复杂，瓦斯灾害，特别是煤与瓦斯突出事故日趋严重。为解决突出煤层瓦斯治理难题，相关人员提出了深孔松动爆破、水力冲孔、水力压裂等技术，有效实现了煤体卸压增透，提高了瓦斯抽采效果，增强了煤体抗突出能力，从而降低乃至消除了煤体突出危险性。但为保证煤矿安全高效生产，需要不断研究新的煤体消突措施以适应不同的煤层和煤质条件，螺旋式水力割煤技术应运而生。本文采用数值模拟和现场试验相互验证的方式对螺旋式水力割煤技术进行研究，以期对推动该技术的普及应用有所裨益。

1 突出煤层螺旋式水力割煤技术

1.1 技术工艺

螺旋式水力割煤技术是指利用多条螺旋式轨迹的高压水射流切割钻孔周围煤体，形成多个螺旋状卸压缝槽，同时排出大量煤体和瓦斯，打破钻孔周围应力集中环，煤体产生卸压、变形和膨胀，产生许多大大小小的裂缝，煤体透气性增大，瓦斯抽采效率大大提高，降低甚至消除煤体突出危险性。

在煤层中施工一个钻孔，退钻时即实施螺旋式水力割煤，实现打钻、割煤一体化。3个高压水射流喷嘴位于钻头上，相互之间成120°夹角。钻头实物见图1。钻机退钻方式为旋转退出，此时钻杆边旋转边退出，具有轴向速度v和角速度ω，使得3个喷嘴喷出的高压水射流同时产生两种位移 （沿钻杆轴向的向外位移和绕钻杆轴向的旋转位移），两者合成后，形成水射流的螺旋式运动轨迹。从而同时存在3个螺旋式水力割煤过程，形成3个螺旋状卸压缝槽，只是各个螺旋状缝槽的起始位置不同。螺旋式水力割煤示意图见图2。

1.2 技术原理

高压水射流螺旋式切割孔壁周围煤体，假定此过程遵循动量守恒定律，则煤体破坏程度主要取决于其所承受的水射流动压值，而动压值大小又与轴线速度密切相关。纯水射流情况下，螺旋式割煤的高压水射流是紊动射流，其基本方程是：

x——射流轴线上点与喷嘴的距离，m；

t——时间，s；

f——射流质量力，N；

ρ——射流密度，kg／m3；

μn——射流动力粘度，N·s／m2；

u′——射流脉动速度，m／s；

i、j——表示不同的射流点，遵循爱因斯坦求和约定。

紊动射流包括初始段、转折段、基本段、消散段4个阶段。各阶段剖面上射流速度分布十分相似，射流动量通量不变，射流边界按线性规律展开。射流轴线速度衰减规律如下：

式中：up——射流轴线速度，m／s；

u0——喷嘴出口处射流轴线速度，m／s；

c——射流半宽b与轴线距离x的比值系数；

D——喷嘴直径，mm。

同时研究发现，高压水射流破坏煤体时，其破坏半径r／x＝0.22，则单位面积煤体上承受的射流作用力¯F为：

式中：F——射流作用力，N；

α——射流入射角，（°）。

煤体发生破坏的极限应力σ为：

式中：τ——煤体剪切强度，MPa；

c——煤体内聚力，MPa；

h——裂纹闭合系数；

D0——初始损伤量；

φ——煤体摩擦角，（°）；

εp——峰值点应变值，无量纲；

ε——拉伸应变值；

C1、C2、β——力学修正系数。

则当¯F≥σ时，煤体开始被不断破坏。

高压水射流破坏煤体形成螺旋状卸压缝槽，打破钻孔孔壁周围煤体准平衡状态，使其由约束状态转变成表面状态，此时卸压区煤体被粉碎、抛出，发生小型孔内突出。卸压区煤体上的应力迅速向深部煤体转移，并产生应力集中，当集中应力足够大时，深部煤体发生变形、屈服、破坏，集中应力继续向深部传播，但应力集中系数不断减小，应力不断重新分布，煤体得以卸压。煤体应力不断变化过程中，钻孔孔壁周围煤体内部会产生大量裂隙，游离瓦斯聚集在裂隙内部，随着一层层煤体被粉碎、抛出，新的煤体不断暴露出来，促使瓦斯迅速沿裂隙尖端扩展，裂隙间相互贯通，新暴露煤体在不断增大的瓦斯膨胀能和煤、岩体弹性潜能作用下，迅速破碎并被抛出，接着又有更多新的煤体暴露出来，继而被粉碎、抛出，在煤壁处始终保持着一定的地应力梯度和瓦斯压力梯度，如此反复下去，煤体扰动范围越来越大，卸压煤体越来越多，煤体透气性亦不断增大，为后期瓦斯抽采提供有利条件。同时抽排瓦斯造成煤体瓦斯含量逐渐减少、压力降低，瓦斯潜能也随之降低；煤体坚固性系数增大，自身抗突出能力增强，最终达到降低乃至消除煤体突出危险性的目的。

2 螺旋式水力割煤应力、位移变化规律数值分析

由于现场实际条件和测量手段等因素限制，真实测量水力割煤后螺旋缝槽周围煤体应力、位移变化十分困难。下面借助FLAC3D软件模拟分析应力、位移变化情况，以更好地掌握水力割煤消突机制，为使模拟结果最大限度地接近真实情况，所有模拟参数均取自试验矿井，模型材料为煤，密度为1450 kg／m3，体积模量、剪切模量分别为2.08 GPa和0.97 GPa，摩擦角、剪胀角分别为25°和10°，粘聚力1.72 MPa，抗拉强度0.5 MPa。建立一个20 m×30 m×20 m的模型，见图3。模型在X方向坐标范围为-10～10 m，Y方向为0～30 m，Z方向为-10～10 m。其中，在Y方向上，0～12 m段为普通钻孔段 （只打钻不割煤），12～20 m段为水力割煤段，20～30 m段为原始煤体段。模型共包括47520个单元、48307个节点。

图3 数值模型示意图、

2.1 应力变化规律

图4 钻孔周围煤体三向应力分布图

模型开挖平衡后，在普通钻孔段Y＝5 m处的剖面内，沿X方向取出钻孔周围各监测点的X、Y、Z三向应力值，可绘出普通钻孔周围煤体三向应力分布图，见图4（a）。同理，由水力割煤段Y＝16.5 m处剖面内，X方向的各监测应力值，可得水力割煤钻孔周围煤体三向应力分布图，见图4（b）。由 （a）可知，普通钻孔段，煤体卸压半径约为0.75 m，即X坐标值为-0.75～0.75 m时，三向应力显著降低，均小于初始应力15 MPa，仅剩残余应力，煤体充分卸压。同时煤体内部产生大量裂隙，为瓦斯解析、流动提供通道，煤体透气性显著增大；当X坐标值为-4～-0.75 m和0.75～4 m时，主要为应力集中段，Z向应力明显大于初始应力，煤体被不断压缩，出现阻碍瓦斯流动的瓶颈效应，煤体透气性较低，而X向和Y向水平应力没有明显集中现象；当X轴坐标值为-10～-4 m和4～10 m时，打钻未对该段煤体产生影响，煤体处于原始应力状态，X向和Y向水平应力值为初始应力15 MPa，Z向垂直应力绝对值大于初始应力，但主要是由煤体自重应力造成的，故煤体未得到卸压，透气性不高。由图4（b）可知，水力割煤段螺旋缝槽周围也出现卸压区、应力集中区和原始应力区，但三向应力均大大降低，煤体卸压效果十分显著，卸压半径约为3 m，分别为普通钻孔半径和卸压半径的10倍和4倍。同样的X坐标处，水力割煤段煤体三向应力值均比普通钻孔段小，故螺旋式水力割煤技术卸压效果显著。

2.2 位移变化规律

图5和图6分别为模型开挖平衡后Y＝5 m和Y＝16.5 m处剖面上煤体径向位移等值线图，两剖面分别位于普通钻孔段和水力割煤段，可以看出，越靠近孔洞中心，位移量越大，等值线越密集，位移梯度较大，而距孔洞中心较远处，位移接近于0，等值线十分稀疏。图5中煤体径向位移变化范围是0.002～0.018 m，且等值线稀疏，尤其是距孔洞中心较远处。图6中最大位移约为0.1 m，最小位移0.02 m，等值线相对密集。故水力割煤段较普通钻孔段，前者煤体最大径向位移是后者的5.55倍，最小位移约为后者的10倍，同时，前者位移梯度比后者大，说明煤体扰动较剧烈。分

图5 Y＝5 m处剖面径向位移等值线图

别导出过点 （0，16，0）、 （0，5，0），平行于X轴的直线上各点位移数据作出煤体位移量与距X轴距离的关系曲线，见图7。从图7可以看出，钻孔半径为0.1 m时，水力割煤段径向有效影响范围可以达到4 m，远大于普通钻孔段的0.78 m。根据如上分析，螺旋式水力割煤可显著扩大煤体扰动范围，增大煤体位移量，使大范围煤体剧烈膨胀、扩容，煤体卸压增透效果好，达到消突目的。

3 现场工业性试验

平煤八矿己15-14140采面位于己四下延采区西翼，煤厚3.4～3.85 m，平均3.6 m，在构造区域有变薄情况，煤层倾角17～28°，平均22°，呈西缓东陡趋势，煤层瓦斯压力2.0 MPa左右。螺旋式水力割煤试验于2012年6月10日-7月5日在己15-14140机巷掘进工作面进行，试验钻孔布置情况如图8所示，其中2＃、3＃为水力割煤钻孔，4＃、5＃为普通钻孔。

图8 螺旋式水力割煤试验

（1）使用煤气表对4个试验钻孔进行为期13 d的瓦斯浓度、流量考察，每天测量一次，结果见图9。图9（a）中各瓦斯浓度为2＃、3＃或4＃、5＃钻孔的日平均浓度，图9（b）和图9（c）中流量、纯流量值均为两钻孔流量、纯流量之和。可以看出，4＃、5＃普通钻孔的瓦斯浓度均值较低，6月25号以后一直在25%以下，说明有效抽采时间较短，而螺旋式水力割煤钻孔浓度均值仍维持在56%左右，抽采期间，水力割煤钻孔瓦斯浓度均值比较稳定。同时螺旋式水力割煤钻孔瓦斯流量值在1.3 m3／min左右，普通钻孔仅为0.7 m3／min，前者是后者的1.86倍。由图9（c）和图9（d）可知，水力割煤后，瓦斯纯流量值增加约4倍。说明螺旋式水力割煤技术可以显著增大扰动煤体范围，形成一个纵横交错的裂隙网，为瓦斯运移提供通道，因此瓦斯浓度和流量都比普通孔高，且各试验参数衰减速度较慢，有效提高瓦斯抽采效率。

图9 试验参数对比图

（2）钻孔出煤量是考察螺旋式水力割煤效果的重要参数，收集钻孔参数、普通钻孔和水力割煤钻孔出煤量，利用数学反演法可以推算出煤体扰动半径和体积等，结果见图10。可以看出，与普通打钻相比，螺旋式水力割煤后，煤体扰动半径、扰动体积分别增大4倍、30倍左右，暴露面积增大4倍左右。螺旋状缝槽大大提高了单孔直接影响范围，在周围应力场、瓦斯流动场的作用下，煤体不断流变，卸压范围不断扩大，促进裂隙发育，瓦斯抽采效果好。

图10 煤体影响范围对比图

4 结论

（1）螺旋式水力割煤过程中，当单位面积煤体上的射流作用力大于等于煤体发生破坏的极限应力值时（¯F≥σ），煤体开始被不断破坏。

（2）数值模拟分析表明：采用螺旋式水力割煤技术，煤体卸压半径为3 m左右，径向有效影响范围可达4 m，煤体扰动范围和位移量均明显增大，卸压增透效果显著，达到消突目的。

（3）现场试验表明：螺旋式水力割煤技术较普通打钻，煤体扰动半径、扰动体积分别增大4倍、30倍左右，暴露面积增大4倍左右，煤体扰动范围显著增加；瓦斯浓度、流量亦大大提高，纯流量值增加约4倍，瓦斯抽采效果好。

［1］朱同功.无保护层开采高突工作面 “钻抽爆评”一体化综合防突技术研究与应用 ［J］.中国煤炭，2012（5）

［2］刘明举，孔留安，郝富昌等.水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用 ［J］.煤炭学报，2005（10）

［3］程东全，孙飞.松软低透煤层底板岩巷水力冲孔治理瓦斯技术研究 ［J］.中国煤炭，2011（11）

［4］姜光杰，孙明闯，付江伟.煤矿井下定向压裂增透消突成套技术研究及应用 ［J］.中国煤炭，2009（11）

［5］张建国.高压水射流割缝揭穿煤层关键参数研究［J］.重庆大学学报，2011（11）

［6］Beltaos S，Rajaratnam N.Plane turbulent impinging jet［J］.Hydraulic Research，1973（1）

［7］卢义玉，刘勇，夏彬伟等.石门揭煤钻孔布置优化分析及应用 ［J］.煤炭学报，2011（2）

［8］陆海龙.高瓦斯低透气性煤层高压射流割缝增透强化抽采技术研究 ［D］.徐州：中国矿业大学，2010

Screw-type hydraulic coal cutting technique and its application to outburst coal seam

Zhang Haiqing
（No.8 Coal Mine of Pingdingshan Shares，Pingdingshan，Henan 467012，China）

The process flow of screw-type hydraulic coal cutting for outburst coal seams and the mechanism of outburst control were introduced in detail.The FLAC3Dnumerical model was set up and the variation laws of the stress and displacement of coal seam surrounding the heliciform slot were simulated.The simulation results showed that the stress of coal seam surrounding the heliciform slot was greatly decreased，with the pressure relief diameter of about 3m.The disturbance scope and the displacement of coal seam were all increased，with the effective radial influencing distance up to 4m.The industrial test showed that the disturbance radius of coal seam and the disturbance volume were increased 4 and 30 times，respectively，with the comparison of the ordinary drilling technique.The gas concentration and flow rate were also enhanced.The flow rate increased 4 times，suggesting good gas drainage effect to achieve outburst control.

outburst coal seam，screw-type hydraulic coal cutting，mechanism，stress，displacement，numerical simulation

TD 713.33

A

张海庆 （1971-），男，河南林县人，高级工程师，硕士，现任平煤股份公司八矿总工程师。

（责任编辑 张艳华）