水力冲煤卸压防突技术在煤矿中的应用

贾浩生

摘 要： 近些年，我国对能源的需求量在不断增加。针对煤矿的水力冲煤卸压防突进行实验，分析水力冲煤防突的原理，分析并利用软件进行模拟冲孔之后钻孔的孔径向应力和钻孔的膨胀变形以及唯一特点，现场开始实施水力冲煤后，单孔抽采时的瓦斯最大混合流量为每分钟142升，抽采的浓度最高为88%，这种水力冲煤的卸压防突技术突出了危险区的煤巷的施工安全和高效，并且还降低了钻孔的工作量。

关键词： 水力冲煤;瓦斯;卸压;防突

【中图分类号】F27 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.25.174

引言：近年来，我国现有多数矿井进入了深部开采阶段，煤层埋深的增加使矿井地应力增大、煤层及围岩的透气性变差、瓦斯向地表运移的距离增长，这些都有利于封存瓦斯。瓦斯封存状态好、瓦斯含量高、采深及地应力大加大了煤层开采时的突出危险性。煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中最严重的自然灾害之一，为了有效防治煤与瓦斯突出，我国防突工作坚持“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的原则。区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯2类。但是传统的区域预抽煤层瓦斯穿层钻孔施工工艺，仅是按设计要求施工穿层钻孔，通过钻孔抽采控制区域煤层的部分瓦斯，由于突出煤层极松软、透气性差、地应力和构造应力高，加之自然含水率低，钻孔在短时间内就会变形消失，抽采瓦斯流量衰减较快。为保证抽采效果，需加大钻孔密度，钻孔工程量增大，抽采时间长，且治理效果也很难保证，由此给矿井区域瓦斯治理带来极大困难。水在煤矿是可循环利用的安全廉价资源，水力化措施在区域防突工程中的研究应用效果，近年来取得较大的突破。如水力切割、水力压裂等，但受地质条件及操作安全等诸多因素的影响，未得到广泛应用。为实现穿层孔快速消突，临涣矿在集团公司的指导下，结合国内外有关水力化防突技术原理，积极实施了水力冲煤卸压防突技术。

1 水力扩孔的必要性

底抽巷预抽瓦斯是瓦斯治理的有效手段，该方法利用巷道底板的阻滞作用，在确保施工人员及相关设备安全的条件下，施工密集的抽放钻孔，消除煤层的突出危险性，还能解决采掘接替紧张的问题。但底抽巷预抽瓦斯也存在一定的局限性和适用范围。（1）煤层透气性不能太低。如果煤层透气性太低，即使按照设计要求布置了密集的抽放钻孔，但是只能在抽放初期抽出高浓度瓦斯。因煤层透气性差，深部瓦斯无法涌出，仅能抽放钻孔附近的瓦斯，即使增加抽放时间也无法根除突出危险，还会造成人力的浪费。（2）抽放效果受地质条件影响大。不同地质条件下，瓦斯赋存状况不一致，在局部地质构造异常区，受煤层厚度等条件影响，瓦斯含量高，抽放孔无法抽出全部瓦斯，造成局部存在突出危险性。

2 数值模拟分析

本文中主要用FLAC软件对数值的结果进行数据分析，模拟出了地质材料在强度极限位置发生的破坏效果以及力学特点。为了研究水力冲煤的卸压效果，分别构建了钻孔半径为0.06，0.1，0.2，0.3米的计算模型，计算范围的长宽高分别为10米，10米和12米，划分成多个单元，分解成多个节点。

数据模拟的结果是：煤矿穿层的钻孔用的113毫米的钻头，形成钻孔直径为115毫米后，用水力冲煤的方式使最大直径达到6分米。

分别罗列出4种钻孔的分布情况。没有开始采掘的时候，水力冲煤会导致孔洞越来越大，孔洞的压力会转借给周围的孔洞，形成附近区域应力集中，随后孔洞的范围越来越大，周围的应力奥宇煤体自身的强度，就会发生大范围的煤体破坏，集中应力最高值向深部转移，应力变小，低于原岩应力导致煤体卸压。

3 扩孔效果检验

底抽巷钻孔抽放半年后，根据瓦斯残余含量进行区域防突效果检验，检验时在两巷每隔50m布置一个测点，两巷测点交错布置，均匀分布，在地质构造异常区增加测点密度，绘制不同测点瓦斯含量变化，如图1所示。

根據图1可知，水力扩孔预抽卸压瓦斯防突技术应用效果明显，在运输顺槽和回风顺槽的测量结果显示，煤层中瓦斯残余量均在8m3/t以下，整体抽放率约57%，显著降低了煤层中的瓦斯含量，消除了煤层的突出危险性。

结语：本文主要是对煤矿的水力冲煤卸压防突进行实验，分析水力冲煤防突的原理，并且建模实施，探讨水力冲煤的效果。水力冲煤主要是用高压水射在短时间内冲出的流体形成大面积的洞，破坏煤体自身应该有的平衡力，降低有效应力，煤层中产生的新缝隙大批量瓦斯吸附的平衡，提高瓦斯的透气性，达到了防治突出的效果，破坏了突出发生的基础条件。水力冲煤能够加速瓦斯的排放量，同时提高瓦斯抽采的浓度，缩短瓦斯抽采的时间，减少挖掘环节的人员清理成本，加大了注水的安全性改变煤体结构，提高孔径的卸压半径，降低钻孔的工程复杂程度，同时还能够实现一孔多用，加大了注水的安全性，能够提高煤层的注水效果，控制灰尘进入。

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