临空宽煤柱超高压水力割缝卸压防冲技术研究

2023-11-13郝英豪丁国利黄振飞

矿业安全与环保 2023年5期

郝英豪,赵乾,丁国利,黄振飞

(1.中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿,内蒙古鄂尔多斯 017212; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037; 3.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

随着煤矿开采深度不断增加,冲击地压灾害日益凸显,目前我国经鉴定确认的冲击地压矿井已达到132个。国内外学者对此进行了广泛研究,先后提出了强度理论[1-2]、刚度理论[3]、能量理论[4-5]、冲击倾向性理论[6]及“三准则”[7]、“三因素”[8]理论。随着数值计算能力的提高与试验监测设备的进步,冲击地压发生的理论及预警也取得了显著进展。窦林名等[9]基于强度弱化的防冲理论,提出了通过降低煤岩体强度的方式减弱冲击危险性;潘俊锋[10]将冲击地压类型重新归纳为集中静载荷型和集中动载荷型,分析了冲击发生的时空对应关系,提出了统一冲击地压启动理论;高明仕等[11]认为强弱结合的力学模型能通过应力转移、能量耗散等方式影响巷道围岩稳定性,提出应通过设置弱结构、提高支护强度等措施来防范冲击矿压动力灾害;齐庆新等[12]认为减小周期来压步距能降低应力峰值并使其远离煤壁,由此提出了深孔爆破断顶防冲工艺技术。冲击预警方面,姜福兴等[13]分析了冲击前兆信息的关联性,提出了针对临场预警、中期预警及远期预警的关键监测参数;袁亮等[14]基于冲击地压的多相多场耦合灾变孕育演化机理,提出利用多源前兆信息挖掘方法实现冲击地压的深度感知与精准判识。

超高压水力割缝技术利用喷嘴将高压势能转换为射流的动能[15],通过对煤层切割预置缝槽,在地应力作用下裂隙闭合,从而实现局部范围内的应力卸压,因此被引入冲击地压防治中[16]。杨增强[17]将强度弱化减冲理论应用于割缝煤层应力分析,认为割缝产生的弱结构区是防止冲击地压发生关键因素;毛瑞彪[18]、尹亮亮[19-20]等通过数值分析研究了割缝后煤层应力分布规律,认为割缝通过改变区域内的应力分布状态实现割缝区域的局部卸压;李超[21]、池明波[22]等通过电磁辐射、应力及微震效果考察,认为水力割缝能使煤岩应力重分布,从而降低冲击地压发生危险;张啸等[23]对不同射流参数切割效果进行试验并同大直径钻孔的卸压效率进行对比,认为水力割缝对设备要求较低,是效率更高的防冲工艺。

笔者提出应用超高压水力割缝技术进行冲击地压防治,首先分析煤岩割缝的卸荷减载作用,研究割缝煤层的卸压防冲机制,模拟割缝后临空宽煤柱的应力分布特征,最后在葫芦素煤矿21105工作面进行超高压水力割缝卸压技术现场应用。

1 超高压水力割缝卸压防冲技术

1.1 射流切割深度

在高压水射流切割煤层时有效靶距内的环境阻力远低于射流携带的能量,因此将其近似认为射流内不同断面的动量通量守恒:

(1)

式中:ρ为射流密度,kg/m3;u0为喷嘴处射流轴向速度,m/s;A0为喷嘴面积,m2;u为射流内任一点轴向速度,m/s;dA为喷嘴面积微分,m2。

射流内部由于流体黏性及惯性,不同断面间射流轴向速度存在自模拟性,同时射流断面半径同喷距线性相关,因此射流速度可由初始条件确定:

(2)

式中:p为射流压力,Pa;h为射流喷距(切割深度),m;R为喷嘴半径,m;r为到射流轴线的距离,m。

水射流循环冲击产生的脉动压力及水楔作用下煤体出现材料软化,使已形成的裂纹再次扩展最终从煤岩体中整体剥离,因此当射流轴心处的冲击力超过Mohr-Coulomb准则定义的材料强度时可认为射流能对煤体有效切割,此时射流对煤岩体的切割深度为:

(3)

式中:φ为煤体内摩擦角,(°);τ为煤体的抗剪强度,Pa;C为煤体的黏聚力,Pa。

1.2 割缝煤层卸荷减载机制

割缝时通过改变切割压力控制缝槽深度、沿钻进方向来回拖动钻杆控制缝槽宽度的方式控制钻孔割出煤量。钻孔周边煤体切割后由于承力的拱形结构被破坏,在地应力下切割缝隙将会逐渐闭合并引起割缝钻孔附近煤体的相对变形,钻孔割出煤量同割缝位置上方顶板沉降量间存在线性关系:

ΔH=Ksh

(4)

式中:ΔH为顶板沉降高度,m;K为沉降系数;s为切割缝槽宽度,m。

当割缝位置煤体顶板小幅度沉降后,割缝位置及其两端煤体形成一个新的受力结构,此时受力状态为塑性区顶板压力Fw、割缝区顶板压力Fs,以及未割缝区煤体顶板压力Fc。割缝区域煤体受力模型如图1所示。

图1 割缝区域煤体受力模型

由于割缝形成的扰动导致的煤层顶板微小位移尚难以造成煤柱直接顶断裂,此时约束条件为:

(5)

式中:ΔHw为塑性区顶板垂直位移,m;ΔHc为未割缝区顶板垂直位移,m;ΔHs为割缝区顶板垂直位移,m;Δθc为未割缝区顶板扰动角,(°)。

将顶板视为完整岩梁,应用材料力学理论可求得,当顶板沉降高度为ΔH时的割缝区域顶板压力为:

(6)

式中:E为直接顶弹性模量,Pa;L为钻孔割缝段长度,m;H为直接顶高度,m;l为割缝区域长度,m;q为顶板压力,Pa。

割缝后的煤柱顶板应力曲线如图2所示。割缝区域的顶板压力随着上方顶板沉降高度的增加而降低,因此可以通过控制割缝压力、割缝间距及钻孔拖动距离等参数调整割缝钻孔上方顶板沉降量,实现割缝范围内的煤岩体精准卸压。

图2 割缝区域应力转移示意图

1.3 煤层割缝卸压防冲机制

井下采掘空间开挖后从煤体边缘到深部依次会出现塑性区、弹性区及原岩应力区。对于采掘空间煤壁位置发生的黏滑型冲击地压,在煤岩体组合中只有弹性区范围内煤体具备积累大量弹性能的能力,为黏滑型冲击提供冲击动力,为主要冲击蓄能空间;煤壁至塑性区边界范围内煤岩体起到阻碍冲击发生的作用,为冲击屏障区。

对弹、塑性区交界处的单位宽度煤体进行受力分析,如图3所示。其中,单位宽度煤体一侧水平应力为σx,另一侧由于位置的改变水平应力则为σx+(∂σx/∂x)dx。

图3 煤体受力分析

该段煤体失稳时顶底板阻力由静摩擦力突然降低为动摩擦力,因此必要条件为两侧水平应力差超过顶底板所能够提供最大摩擦力[24]:

(7)

式中:M为煤层厚度,m;f0为煤层静摩擦系数;σy为垂直应力,Pa。

以整个塑性区为分析对象,在塑性区及弹性区交界处取水平坐标x=0,若弹性区积聚的高额弹性应变能产生的水平应力大于顶板压力施加给冲击屏障区的静摩擦力时为冲击地压发生的临界条件,此时的应力平衡如下:

(8)

式中x0为巷道塑性区宽度,m。

巷道塑性区宽度取决于煤层赋存条件、煤岩力学特征及巷道支护参数,结合黏滑型冲击判定准则,冲击地压的发生同塑性区构成的冲击屏障区的黏滞阻力相关,塑性区宽度越大形成的冲击屏障区的阻滞能力也越强,冲击发生的临界条件越严苛。

超高压水力割缝卸压防冲机制如图4所示。通过超高压水力割缝技术对巷道塑性区外的煤体进行切割,首先降低了采掘空间近场应力峰值,令高应力区远离采掘空间,削弱了近场冲击地压发生的动力来源;其次高压射流切割后钻孔周边煤体产生的拉伸破坏及剪切破坏,增大了巷道塑性区的范围,相当于人为扩展了冲击屏障区的宽度,提高了黏滑型冲击地压的发生门槛;最后高压切割时煤层注水导致的煤体颗粒间黏聚力、结构面摩擦力降低,使煤岩体强度降低、脆性减小,全应力—应变曲线趋于平缓,物理性质显著变化,导致煤体冲击倾向减弱甚至丧失。

图4 超高压水力割缝卸压防冲机制

2 临空煤柱割缝的数值分析

2.1 模型构建

以葫芦素煤矿工程地质条件为背景,应用FLAC3D软件建立临空宽煤柱割缝钻孔围岩应力场计算模型。模型构建采用不等分划分单元,分析21105回风巷两侧煤柱及实体煤应力分布、变化情况,模型网格从上到下依次为老顶、直接顶、煤层和底板岩层,模型尺寸长×宽×高为145 m×80 m×70 m,模型网格数量127 820个。模型内设计钻孔半径0.1 m、钻孔长度20～25 m,割缝半径1 m、间距2 m。临空巷道割缝卸压数值模型如图5所示。

图5 临空巷道割缝卸压数值模型

模拟采用Mohr-Coulomb模型,材料屈服遵从莫尔—库仑准则;模型左右边界限制x方向的位移,施加随深度变化的水平压应力;下部边界限制z方向的位移;上部施加均布自重应力14.5 MPa;煤层参数如下:体积模量1.7 GPa、切变模量0.8 GPa、黏聚力2.4 MPa、内摩擦角26.9°、抗拉强度1.2 MPa、密度1 336 kg/m3。试验方案为模拟21105回风巷临空煤柱在不割缝、割缝范围距巷道7～20 m、割缝范围距巷道7～25 m时最大主应力变化规律。

2.2 割缝煤层应力转移规律

图6～8为采取超高压水力割缝措施卸压后煤柱范围内最大主应力云图,最大主应力变化曲线如图9所示。未采取水力割缝措施时最大主应力分布符合一般规律,此时煤柱作为主要承载结构承受上覆岩层压力,平均最大主应力10～12 MPa,在靠近采空区5～10 m位置形成应力增高区,最大主应力为14 MPa。

图6 煤柱未割缝时最大主应力云图

图7 割缝钻孔深度20 m时最大主应力云图

图8 割缝钻孔深度25 m时最大主应力云图

图9 最大主应力变化曲线

实施超高压水力割缝对煤柱进行卸压,临采空区保留10 m煤柱时,割缝区域应力集中程度显著降低,平均最大主应力为6～7 MPa,靠近采空区一侧区域应力增高,应力峰值达到16 MPa;临采空区保留5 m煤柱时,煤柱割缝区域应力集中程度并未进一步降低,平均最大主应力6～7 MPa,靠近采空区一侧应力增高区范围更小,应力峰值达到16 MPa。

采用超高压水力割缝技术对煤岩体进行切割卸压,相同割缝参数下煤岩体卸压程度基本一致,卸压范围取决于割缝范围。煤岩体整体卸压后高应力区远离采掘空间,向未被切割破坏的深部煤岩体转移,从而增大冲击屏障区的范围,有效预防冲击地压事故发生。

3 现场试验

3.1 试验区域概况

临空宽煤柱超高压水力割缝卸压防冲试验地点为葫芦素煤矿21105回风巷,2-1煤层采用综合机械化开采,煤层平均厚度2.67 m、平均埋深636 m、密度1.31 g/cm3。试验煤层平均动态破坏时间45.6 ms、平均弹性能量指数20.76、平均冲击能量指数10.03、平均单轴抗压强度28.52 MPa,煤层冲击倾向性属于Ⅲ类,具有强冲击倾向性。煤层顶、底板岩层的弯曲能量指数分别为43.37 kJ和69.51 kJ,冲击倾向性均属于Ⅱ类,为弱冲击倾向性岩层。

3.2 试验方案

超高压水力割缝卸压试验钻孔设计间距3 m,深度25 m,倾角0°～3°,钻孔总数为333个。钻孔施工后自孔底开始割缝,每刀割缝间距2 m,割缝自25 m位置起至距离孔口7 m位置结束,割缝压力100 MPa、割缝时间15 min。试验钻孔布置如图10所示。

图10 试验钻孔布置示意图

3.3 试验效果考察

1)微震数据考察

21105工作面采用ARAMIS-ME微震监测系统监测工作面范围内微震事件,探头布置原则为运输巷、回风巷各布置2个,探头交错布置且随工作面的推进不断调整。

葫芦素煤矿21105工作面开采强度较大,因此数据收集时只考察100 J以上微震事件。根据ARAMIS-ME微震监测系统考察数据,相邻对比区域平均微震事件能量113 J、工作面单位进度平均能量180 J/m,9 324 m割缝试验区域内平均微震事件能量86 J、工作面单位进度平均能量142 J/m,分别降低23.89%、21.11%。

2)应力数据考察

21105工作面应力计超前300 m安装,正常区域应力计安装组间距30 m,强冲击危险20 m;每组安装2个应力计,分别位于煤柱内9、15 m位置,如图11所示。应力计监测数据如图12所示。

图11 应力计安装示意图

结合应力计每小时自动收集数据及该时刻工作面的位置,在测点位于工作面超前压力范围以外时,未割缝区域浅基点应力计读数平均值为4.77 MPa、深基点应力计读数平均值为4.70 MPa;割缝区域浅基点应力计读数平均值为3.64 MPa、深基点应力计读数平均值为3.70 MPa,分别较未采取措施区域降低23.68%、21.28%。在测点位于工作面超前压力范围时,未割缝区域浅基点应力计读数平均值为7.80 MPa、深基点应力计读数平均值为7.83 MPa;割缝区域浅基点应力计读数平均值为6.27 MPa、深基点应力计读数平均值为6.36 MPa,分别较未采取措施区域降低19.61%、18.77%。

3)钻屑量考察

21105工作面试验区域及相邻对比区域每间隔200 m施工3个钻屑量考察钻孔,孔径42 mm、孔深20 m、开孔高度1.5 m。割缝及相邻对比区域平均钻屑量如图13所示。