基于煤与瓦斯突出能量理论的钻孔造穴诱突技术及工程实践

岑培山，田坤云，魏二剑，刘 松

(1.郑州升达经贸管理学院，河南 郑州 451191； 2.微生物治理瓦斯技术与装备河南省工程实验室，河南 郑州 451191；3.河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191； 4.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；5.郑州煤电股份有限公司超化煤矿，河南 郑州 452385)

针对煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)的研究历史已有近200年，突出机理目前已有几十种假说，归纳起来主要是3种类型，即瓦斯主导假说、地应力主导假说和综合作用假说。其中，综合作用假说得到了广泛认可[[1-5]。而基于综合作用假说的突出过程能量耗散机理及与之相关的突出防治技术被越来越多学者关注和研究。

在突出能量耗散机理研究方面：蒋承林等[6]研究指出，瓦斯内能在突出过程中起决定作用；文光才[7]研究发现，突出过程是煤体弹性势能和瓦斯内能的突然释放对煤体破碎、抛出做功的过程；张庆贺[8]、陈鲜展[9]等进一步研究发现，瓦斯膨胀能是突出的主要能量，而解吸瓦斯提供了绝大部分的瓦斯膨胀能,并以此为基础，进一步研究了工作面条件下突出能量释放的主要影响因素；师皓宇等[10]研究发现，突出过程中瓦斯势能释放与瓦斯压力、瓦斯含量相关，与煤壁前方塑性区扩展规模相关；姜永东等[11]研究发现，弹性能与煤体应力存在幂函数关系，气体膨胀能与气体压力存在线性关系；熊阳涛等[12]研究表明，煤体力学性质、瓦斯和地应力是突出的主要影响因素；王刚等[13]量化了突出过程中的能量条件，发现煤层瓦斯含量和地应力是影响突出强度的主要因素；舒龙勇等[14]研究了突出启动的力学和能量判据，详细阐述了突出煤体的关键结构在突出的准备、启动、发展和终止4个阶段的重要作用。

基于突出能量耗散机理的防突技术也取得了大量的研究成果。王亮等[15]研究了钻孔造穴的增透机理和瓦斯渗透规律，并定量分析了钻孔造穴基础参数与钻孔瓦斯流量的关系，结果表明，钻孔造穴后防突效果提高明显；张俊伟[16]在平煤八矿考察了造穴钻孔瓦斯抽放效果，结果表明，采用水力造穴后钻孔影响半径增加了1倍；郝从猛等[17]通过建立造穴煤体结构流固耦合力学模型，并对多物理场进行解算，求得了造穴直径为0.7 m的钻孔瓦斯抽放半径，并经过实践验证了解算结果的正确性；沈润生[18]实测了钻孔造穴后周围煤体的应力变化数据，进一步研究发现，造穴后钻孔周围由近及远煤体应力变化幅度由大变小，变化趋势由单一变复杂，变化时间越来越滞后；于宝种[19]解算了造穴后煤体瓦斯渗透规律，并数值模拟了不同造穴半径下钻孔周围煤体渗透演化特征，结果表明，钻孔周围煤体的增透区半径与钻孔造穴半径呈线性递增关系。

综上所述，突出是能量转换的宏观表现形式，瓦斯含量和煤体应力结构在突出过程中起着至关重要的作用，以此为理论基础的钻孔造穴技术达到了较好的防突效果。但在钻孔造穴诱导突出(以下简称“钻孔造穴诱突”)过程的能量判据和突出后煤层卸压情况等方面缺乏相关研究。

笔者在前人研究基础上进一步分析钻孔造穴诱突煤体能量释放的主要影响因素，分析钻孔造穴诱突技术的实施路径。结合现代通信和远程控制技术，现场试验高瓦斯区的钻孔造穴诱突技术和低瓦斯区的爆破诱突技术，以实现人为制造突出、控制瓦斯的主动防突措施。研究内容可为单一、低透、高瓦斯煤层矿井防灾、减灾提供参考。

1 突出瓦斯内能解算

忽略煤层顶底板的弹性势能作用，发生突出时内能关系表述如下[20]：

EP+U=A1+A2

(1)

式中：EP为煤体弹性势能,kJ；U为瓦斯内能,kJ；A1为煤体破碎功(指煤体弹性能的破碎功),kJ；A2为煤体抛出功,kJ。

1.1 钻孔造穴诱突煤体结构模型

结合钻孔造穴诱突工程实践，建立煤体钻孔造穴诱突三维结构和微元体力学模型，如图1所示。假设：①造穴钻孔为底板穿层钻孔，垂直于煤层,造穴后形成不规则竖向腔体；②考虑模型x、y2个方向应力，不考虑z方向煤体自重应力；③煤体瓦斯符合径向稳流条件；④突出过程近似为等温过程。

(a)钻孔造穴诱突三维结构

(b)微元体力学模型

1.2 钻孔造穴诱突煤体弹性势能解算

煤层中钻孔造穴形成腔体后，周围煤体应力重新分布。从腔体中心向外延伸，煤体分为3个应力区，即塑性区、弹性区和原岩应力区[21-22]。塑性区煤体发生破坏，煤体保有残余强度；弹性区煤体处于弹性变形阶段，储备有弹性势能；原岩应力区煤体未受到外力影响。

根据莫尔—库仑强度准则，利用微分方程，钻孔造穴后煤层释放的弹性势能为：

(2)

(3)

联合几何方程和微分方程，利用弹性力学理论，弹性区的应力分布方程为：

(4)

(5)

式中：w0为煤的原始总应力,MPa；r为煤微元体距离腔体中心的距离,m；a2为弹性区中单位煤体表面孔隙比,%；p0为煤体的原始压力,MPa；C为煤的黏聚力，kPa；φ为煤的内摩擦角，(°)。

钻孔造穴形成的腔体多为不规则形状，采用插值求积公式求解不规则腔体的体积表达式，进而得其弹性势能表达式：

(6)

(7)

经过对弹性势能方程引入固定常数k1、k2和k3，并简化计算，最终得到钻孔造穴后煤层的弹性势能方程：

(8)

k2=(3-6μ)σ2(1-a2)2

(9)

(10)

(11)

式中σ为煤体的原始有效应力，MPa。

1.3 突出煤体瓦斯内能

突出过程煤体瓦斯内能主要由瓦斯膨胀能和压力释放能两部分构成，其中瓦斯膨胀能UP表达式如下[23]：

(12)

式中：V0为突出后游离瓦斯膨胀后的体积(对应巷道瓦斯压力p1),m3；p0为煤层原始瓦斯压力，Pa;p1为巷道瓦斯压力,Pa。

突出煤体瓦斯压力释放的能量UJ计算公式如下[20]：

(13)

式中：λ为解吸单位体积瓦斯时释放的内能,kJ；n为Airey常数，甲烷气体n=1/2；D为瓦斯在煤层中的扩散系数，m2/s；T为突出周期，s；d为煤颗粒的平均直径，m。

将公式(12)和(13)相加并引入固定常数k4，简化计算得到瓦斯总内能U方程：

(14)

U=V0p0[a2ln(p0/p1)+λk4]

(15)

1.4 钻孔造穴煤体突出能量分析

按照突出能量理论，突出煤体的弹性能对煤体做破碎功，瓦斯内能做搬运和抛出功。在煤体造穴诱突三维结构模型中，突出煤体的弹性能主要存储于弹性区内(见图1)，而弹性区体量的大小由R0决定。根据煤体弹性势能方程(11)可知，Ep与R0存在幂函数递增关系，所以，增大R0是诱导钻孔内突出的必要条件。根据突出煤层瓦斯内能方程(15)可知，U与p0呈指数函数递增关系，所以，煤层原始瓦斯压力(含量)的大小决定了钻孔造穴突出是否发生及突出强度的高低。

2 钻孔造穴诱突技术工程

2.1 试验矿井概况

郑州煤电股份有限公司超化煤矿位于郑州矿区新密煤田东部，矿井核定生产能力2.1 Mt/a，属突出矿井。所采二1煤层为单一、松软、低透、高突煤层。

2.2 钻孔水力造穴诱突技术实践

1)造穴设备及参数：水力造穴作业通过远距离视频操作，作业机由现场自动控制钻机和远程操控平台两部分组成，远程操控系统导入现场视频和瓦斯监控系统。钻孔施工直径113 mm，防喷孔系统排渣管直径150 mm，防喷孔箱体积容量5 m3。

2)地点选取及设计：试验地点选择在21121底板抽放巷(下)，区域煤层瓦斯含量7.96～12.41 m3/t，煤层埋深473～493 m，煤层厚度4.0～5.9 m。钻孔与煤层夹角65°～90°，钻孔终孔点间距15 m。水力造穴作业期间采用防喷孔装置控制瓦斯并进行水、煤、气分离，造穴水压为0.5～15.0 MPa。

3)孔内突出情况：据现场监控画面显示，随着水力造穴作业的实施，孔内造穴腔体进一步被扩大，在瓦斯和应力作用下煤体达到了突出条件，突出发生时有大量煤粉和瓦斯喷出，如图2所示。经现场勘验，突出煤呈干燥粉末状，粒径在5 mm以下。

图2 水力造穴诱突现场

2.2.1 数据统计与计算

通过查阅文献和实验测试获取突出煤体相关参数，按照公式(11)和(15)计算突出能量值；统计钻孔造穴卸煤量、突出煤量，并计算造穴半径。不同煤层原始瓦斯含量条件下各造穴钻孔的突出强度及瓦斯内能见表1，同瓦斯含量条件下各钻孔的造穴半径、弹性势能和突出强度见表2。

表1 突出内能计算及突出参数统计

表2 突出弹性势能计算及突出参数统计

2.2.2 结果分析

表1中突出强度与瓦斯内能呈正相关关系，两者关系曲线如图3所示。表2中突出强度与弹性势能也呈正相关关系，两者关系曲线如图4所示。经对图3和图4中关系进行线性拟合，发现图3中线性拟合度R2=0.94，图4中线性拟合度R2=0.74，拟合度较高。由此可见，瓦斯内能是突出强度的主要影响因素，弹性势能是影响突出强度的重要因素。对比瓦斯内能和弹性势能值，发现前者数值大小约是后者的103倍，可见突出过程中瓦斯内能起主要作用。

图3 突出强度与瓦斯内能关系

图4 突出强度与弹性势能关系

基于钻孔造穴诱突过程中突出能量和突出强度的关系分析，钻孔造穴诱突能量耗散机制符合突出能量理论，所构建的突出能量模型是合理、可行的。

2.2.3 瓦斯抽放效果考察

1)选取瓦斯含量为10 m3/t区域50个水力冲孔钻孔(未采取造穴诱突措施)的平均瓦斯抽放量与造穴诱突钻孔做对比。抽放40 d时，造穴诱突钻孔平均单孔抽放瓦斯量4 331 m3，是普通水力冲孔钻孔的3.4倍。

2)经过统计同瓦斯含量区域采取不同瓦斯治理措施后各巷道掘进时突出预测指标q、S值，发现采用水力造穴诱突技术措施后，q、S值分别降低了54%和14%。

2.3 钻孔爆破诱突技术

在统计不同区域钻孔造穴诱突成功率等参数时，发现钻孔造穴诱突成功率在煤层瓦斯含量为9 m3/t左右时明显增大，如图5所示。

图5 造穴诱突成功率与煤层平均瓦斯含量的关系

基于突出综合作用假说和突出能量理论，并结合造穴诱突工程实践分析，认为当煤层瓦斯含量低于9 m3/t时，在诱突过程中瓦斯总内能的主要控制作用不明显，只有继续增大造穴腔体的体积，使突出的综合条件发生演变，最终达到突出条件时才能发生突出。但是，若瓦斯含量过低，煤层中较低的瓦斯压力很难抛出煤体做功[12]，造穴就很难诱发突出。可见，试验矿井煤层瓦斯含量低于9 m3/t时，钻孔造穴诱突的成功率较低。所以，当煤层瓦斯含量较低时，利用造穴腔体形成的煤壁应力自由面，借助爆破冲击力来破碎、抛出煤体不失为一种选择。

综合考虑抽放规划、设计、施工效率和施工组织等因素，采用煤层瓦斯含量9 m3/t作为钻孔造穴诱突和爆破诱突的“阈”值。

1)地点选取及设计：试验地点选择在21121底板抽放巷(上)，区域煤层瓦斯含量7.22～7.83 m3/t，煤层埋深423～473 m，煤层厚度4.5～5.5 m，钻孔与煤层夹角63°～90°。爆破钻孔位于导向钻孔中间，钻孔终孔间距15 m。导向孔为水力造穴钻孔，施工孔径113 mm，单孔卸煤量为1.5 t/m，爆破钻孔孔径94 mm，采用乳化炸药爆破，煤孔段满装。

2)爆破诱突情况：据现场监控画面显示，爆破孔起爆后导向孔喷出大量煤屑(如图6所示)，同时瓦斯监控数据显示回风流瓦斯浓度超限。经现场勘验，突出煤以粉末状居多，其中夹杂有较大颗粒煤块(最大直径为35 mm)，煤粉干燥。

图6 爆破诱突现场

分析认为：爆破应力破碎了导向孔和爆破孔之间的煤体，瓦斯得到释放，在瓦斯内能和爆炸能共同作用下搬运、抛出破碎的煤体，致使导向孔内发生突出。

3)瓦斯抽放效果考察：①选取瓦斯含量为8 m3/t区域50个水力冲孔钻孔(未采取爆破诱突措施)的平均瓦斯抽放量与爆破诱突钻孔做对比。抽放40 d时，爆破诱突钻孔平均单孔抽放瓦斯量1 809 m3，是水力冲孔钻孔的1.85倍。②经过统计同瓦斯含量区域采取不同瓦斯治理措施后各巷道掘进时突出预测指标q、S值，发现采用钻孔爆破诱突技术措施后，q、S值分别降低了45%和12%。

3 结论

1)钻孔造穴诱突过程中能量耗散机制符合煤体造穴诱突三维结构模型和推导的瓦斯能量方程。

2)试验矿井煤层瓦斯含量大于9 m3/t时宜采用水力造穴诱突技术，反之宜采用爆破诱突技术，以此为阈值搭配使用2种诱突技术措施，可提高防突效果。

3)水力造穴诱突过程容易造成巷道内瓦斯超限，带来安全问题。大容量、高密封、智能除渣的防喷孔装置有待进一步研发，造穴智能化施工装备技术有待进一步完善。