基于高压水力顺层钻割技术的冲击地压防治实践

2021-11-30买巧利吴学松陆祖军

煤炭科学技术 2021年11期

买巧利，吴学松，丁超，陆祖军

(华亭煤业集团公司华砚煤矿，甘肃华亭 744100)

0 引言

煤炭开采过程中的冲击地压显现问题是世界性采矿难题，一直威胁着矿井的安全生产。近年来，我国在冲击地压显现的监测、评价及防治方面取得了巨大进步[1-3]，很多先进的技术被广泛应用，并取得了良好效果，例如，微震、地音、电磁辐射、地应力监测等监测技术，基于模糊数学、灰度理论、未知测度理论等的危险性评估技术[4-9]以及爆破卸压、煤体钻孔、煤层注水等冲击地压防治技术[10-11]。针对冲击地压治理卸压问题，经过多年研究和工程实践发现：对煤体与顶板进行弱化处理、诱导控制冲击能释放路径与方式是冲击地压防治的最有效方式[12-13]。在冲击地压显现危险治理措施上，常采用煤层注水、煤体钻孔卸压、煤体爆破卸压等手段对区段高应力进行疏降，取得了较好效果，但是这些方法均存在自身缺陷，如煤层注水由于煤层渗透性能和润湿性能差而导致效果不明显；煤体卸压爆破弱化范围有限，只能在低瓦斯区域使用，并且存在深孔装药、封孔等工艺难度较大、施工工程量大等制约因素。某矿250203综放工作面受采深、褶曲构造影响，煤岩体静压大，积聚大量弹性能，工作面采用煤体爆破、注水的卸压手段，卸压效果有限，为了提高防冲效率与效果，消除爆破、存在注水的弊端，引入高压水力顺层钻割技术进行冲击地压防治卸压工作。

1 高压水力顺层钻割技术卸压原理

根据能量准则，冲击地压是煤体—围岩系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于所消耗的能量时产生的动力现象[14-16]，可用式(1)表示

(1)

式中：UR为围岩中储存的能量；UC为煤体中储存的能量；US为矿震能量；UB为冲击地压发生时消耗的能量,t为时间。

煤岩体中储存的能量和矿震能量U可用式(2)表示，其中，σs为煤岩体中的静载荷，σd为矿震形成的动载荷，而冲击地压发生时消耗的最小能量Ub，min可用下式表示，其中，σb，min为发生冲击地压时的最小载荷。

U=(σs+σd)2/2E

(2)

Ub，min=σb，min/2E

(3)

因此，冲击地压的发生需要满足如下条件，即

σs+σd≥σb,min

(4)

高压水力顺层钻割技术有其独特的优势，例如施工工艺简单，不需要装药爆破，可以进行定向切割，从而降低煤体整体性厚度以及强度，释放积聚的弹性能，具有极强的针对性且作用范围广。高压水力顺层钻割技术是以压力高于30 MPa高度聚能的水射流束在煤岩上产生冲蚀、空化来实现对煤岩体的切割破碎，从而将一定煤体排出孔外，在钻孔周围形成一系列具有一定深度的螺旋缝槽，人为制造一定的卸压空间使煤体卸压，地应力得到较好的释放和转移。为提升钻割效果，钻孔一般沿工作面倾向顺煤层层理布置。对于综采工作面，随着工作面推采，采煤工作面前方形成的支承压力，峰值可达原岩应力的2～4倍，其影响范围可达采煤工作面前方90～100 m[17]。钻割技术形成卸压空间，同时浸润弱化煤体，在应力集中区的作用下，钻孔周围的煤体首先由弹性状态转变为塑形状态，当达到变形极限时，内圈煤体就会破裂，形成破裂区，破裂区煤体的强度将明显削弱，低于原岩应力，最终钻孔由内而外形成破裂区、塑性区、弹性区，钻孔引起的卸压区主要集中在破裂区范围内。随着塑性区及破裂区煤体变形量的不断地增加，钻孔逐层垮落，最终发生塌孔。伴随着孔的变形、破碎、塌落，煤体中的应力降低，积聚的弹性能得到释放。煤岩体中的静载荷降低，消除冲击地压发生条件，防止冲击地压发生。

2 技术实践

2.1 工作面概况

250203综放工作面是某矿2502采区第4个回采工作面，所采区域煤层总厚度变化较大，为20.4～42.6 m，平均厚度为38.8 m，采用倾斜分层开采，该工作面开采上分层。经鉴定具有强冲击倾向性工作面煤层厚度为10～15 m，平均厚度13.8 m，直接顶为灰-灰黑色泥岩，厚度为3.2～6.5 m，基本顶为浅灰-灰白色粉砂岩，厚度为8.0～18.2 m，直接底为灰白-黑褐色含砾砂岩，厚度为1.6～11.6 m，基本底为灰白-灰黑色砂岩，厚度为1.7～9.7 m，煤层及顶底板情况见表1。经冲击倾向性鉴定，煤层具有强冲击倾向性，其顶、底板具有弱冲击倾向性。工作面采用120架ZF12000/23/35H型反四连杆低位放顶煤中间支架和6架ZFG12000/24/35型反四连杆过渡支架支护顶板，两巷巷道整体采用锚-网-索联合支护。工作面在回采过程中多次发生冲击地压显现现象。为加强卸压效果，改善开采作业环境，在该工作面冲击地压显现危险性较强的运输巷运用高压水力顺层钻割技术进行卸压解危工作。

表1 250203工作面煤层及顶底板情况Table 1 Top and bottom plate conditions of 250203 working face

2.2 施工设备

高压水力钻割工艺流程为：供水管→水箱→连接管→注水泵→高压水管→钻机及钻割装置→防喷装置→钻孔→煤体钻割。现场施工时，先利用ø94 mm水力射流一体化钻头按设计进行打钻，施工至设计深度后，连接好高压管路，开启高压乳化液泵，旋转钻杆实施水力钻割作业，切割的煤渣由水流从钻孔中冲出。管路，设备见表2。施工的主要设备有钻割泵、钻机、连接管路，施工设备见表2连接方式如图1所示。

表2 施工设备Table 2 Construction equipment

图1 设备连接Fig.1 Device connection

2.3 钻割方法

钻割方法主要有2种，如图2所示：①定点切割：钻杆轴向与径向运动相结合，在一定位置进行径向运动，旋转切割周围煤体，形成圆盘状卸压空间；通过钻杆的轴向运动和一定间距的分段切割，可以形成多段圆盘状卸压空间。②反复动态切割：钻杆轴向与径向运动相结合，对一段煤体持续钻割，形成具有一定直径的孔洞。在钻割过程中，先采用方法一进行定点切割，再采用方法2进行往复钻割，形成孔洞式卸压空间，出煤量在0.4～0.7 t/m，总出煤量控制在2.0～3.5 t，在煤层内形成半径为300～400 mm的孔洞。

图2 水力割缝方法Fig.2 Hydraulic slotting method

2.4 施工设计

在运输巷工作面下口向外300 m每隔3 m垂直巷道内帮沿倾向布置1钻孔，钻孔直径94 mm，深度30 m，仰角5°～7°。在钻割过程中，靠近巷帮区域设置8 m保护带(钻孔0～8 m不钻割)，钻割方式为定点静态钻割和前后反复动态钻割相结合，定点钻割时间为15 min/m(每米均分为3段，每段5 min，共15 min)，前后反复动态钻割时间为10 min。高压水力顺层钻割技术钻孔布置平面如图3所示。

图3 运输巷卸压布置示意Fig.3 Schematic of unloading arrangement of headentry

现场施工一次钻孔写实：早班施工30 m一个孔，中班由外向里冲孔，每米分3段定点切割，每点5 min，拉动5 min，共20 min。从8 m开始冲孔，8～11 m孔内出煤量少，效果不明显；12～15 m孔内出煤量增大，无爆声；16～18 m孔内出煤量大，有煤爆声；18～20 m出煤量大，煤粒涌出，效果明显；22～24 m孔内出煤量大，有声响，顶部掉渣，煤量大，效果明显，总出煤量为2.2 t。

3 卸压效果

3.1 数值模拟

为进一步明确高压水力顺层钻割技术的卸压效果，探明卸压前后煤体应力的变化规律，运用FLAC3D软件对卸压巷道进行了数值模拟，具体模拟参数见表3，根据表3建立的数值模拟模型如图4所示，模型长宽高为60 m×75 m×78 m，共计141 660个单元，在巷道内帮煤体位置设计了7个卸压孔，具体布置位置如图5所示。图6为卸压前后巷道周围应力分布，从图6可以看出卸压后巷道壁附近的应力降低区明显扩大，应力集中现象显著减弱。图7为卸压前后巷道壁内侧30 m范围内应力变化趋势，卸压后煤体内部应力值明显降低，平均降幅达68.6%。显而易见，运用高压水力顺层钻割技术进行卸压后，冲击地压显现危险性大幅降低，防治效果显著。

表3 煤岩层力学性质参数Table 3 Mechanical property parameters of coal strata

图4 数值模拟模型Fig.4 Numerical simulation model

图5 钻孔位置布置Fig.5 Layout of drills

图6 卸压前后水平(X方向)应力Fig.6 Horizontal stress by X before and after pressure relief

图7 卸压前后煤体应力变化Fig.7 Changes of coal stress value before and after pressure relief

3.2 效果检验

电磁辐射可用来预测煤岩灾害动力现象，电磁辐射和煤的应力状态有关，应力高时电磁辐射信号就强，电磁辐射频率就高[19-20]。采用KD-5型电磁辐射仪对施工的51组钻孔施工前，冲孔前、冲孔后进行检验，每次在每个新施工钻孔两侧5 m范围内取2个测点，取其平均值，最终监测结果如图8所示。经统计，51组钻孔施工前平均值为66.94 mV，冲孔前平均值为56.92 mV，冲孔后平均值为22.24 mV，冲孔后电磁辐射值明显降低，降幅达60.92%。同时，施工后，施工区域约160 m范围巷道帮鼓量由平均0.3 m降低到0.08 m，支护破损程度明显降低。