基于煤與瓦斯突出能量理論的鉆孔造穴誘突技術及工程實踐

岑培山，田坤云，魏二劍，劉 松

(1.鄭州升達經貿管理學院，河南 鄭州 451191； 2.微生物治理瓦斯技術與裝備河南省工程實驗室，河南 鄭州 451191；3.河南工程學院 資源與安全工程學院，河南 鄭州 451191； 4.武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；5.鄭州煤電股份有限公司超化煤礦，河南 鄭州 452385)

針對煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)的研究歷史已有近200年，突出機理目前已有幾十種假說，歸納起來主要是3種類型，即瓦斯主導假說、地應力主導假說和綜合作用假說。其中，綜合作用假說得到了廣泛認可[[1-5]。而基于綜合作用假說的突出過程能量耗散機理及與之相關的突出防治技術被越來越多學者關注和研究。

在突出能量耗散機理研究方面：蔣承林等[6]研究指出，瓦斯內能在突出過程中起決定作用；文光才[7]研究發現，突出過程是煤體彈性勢能和瓦斯內能的突然釋放對煤體破碎、拋出做功的過程；張慶賀[8]、陳鮮展[9]等進一步研究發現，瓦斯膨脹能是突出的主要能量，而解吸瓦斯提供了絕大部分的瓦斯膨脹能,并以此為基礎，進一步研究了工作面條件下突出能量釋放的主要影響因素；師皓宇等[10]研究發現，突出過程中瓦斯勢能釋放與瓦斯壓力、瓦斯含量相關，與煤壁前方塑性區擴展規模相關；姜永東等[11]研究發現，彈性能與煤體應力存在冪函數關系，氣體膨脹能與氣體壓力存在線性關系；熊陽濤等[12]研究表明，煤體力學性質、瓦斯和地應力是突出的主要影響因素；王剛等[13]量化了突出過程中的能量條件，發現煤層瓦斯含量和地應力是影響突出強度的主要因素；舒龍勇等[14]研究了突出啟動的力學和能量判據，詳細闡述了突出煤體的關鍵結構在突出的準備、啟動、發展和終止4個階段的重要作用。

基于突出能量耗散機理的防突技術也取得了大量的研究成果。王亮等[15]研究了鉆孔造穴的增透機理和瓦斯滲透規律，并定量分析了鉆孔造穴基礎參數與鉆孔瓦斯流量的關系，結果表明，鉆孔造穴后防突效果提高明顯；張俊偉[16]在平煤八礦考察了造穴鉆孔瓦斯抽放效果，結果表明，采用水力造穴后鉆孔影響半徑增加了1倍；郝從猛等[17]通過建立造穴煤體結構流固耦合力學模型，并對多物理場進行解算，求得了造穴直徑為0.7 m的鉆孔瓦斯抽放半徑，并經過實踐驗證了解算結果的正確性；沈潤生[18]實測了鉆孔造穴后周圍煤體的應力變化數據，進一步研究發現，造穴后鉆孔周圍由近及遠煤體應力變化幅度由大變小，變化趨勢由單一變復雜，變化時間越來越滯后；于寶種[19]解算了造穴后煤體瓦斯滲透規律，并數值模擬了不同造穴半徑下鉆孔周圍煤體滲透演化特征，結果表明，鉆孔周圍煤體的增透區半徑與鉆孔造穴半徑呈線性遞增關系。

綜上所述，突出是能量轉換的宏觀表現形式，瓦斯含量和煤體應力結構在突出過程中起著至關重要的作用，以此為理論基礎的鉆孔造穴技術達到了較好的防突效果。但在鉆孔造穴誘導突出(以下簡稱“鉆孔造穴誘突”)過程的能量判據和突出后煤層卸壓情況等方面缺乏相關研究。

筆者在前人研究基礎上進一步分析鉆孔造穴誘突煤體能量釋放的主要影響因素，分析鉆孔造穴誘突技術的實施路徑。結合現代通信和遠程控制技術，現場試驗高瓦斯區的鉆孔造穴誘突技術和低瓦斯區的爆破誘突技術，以實現人為制造突出、控制瓦斯的主動防突措施。研究內容可為單一、低透、高瓦斯煤層礦井防災、減災提供參考。

1 突出瓦斯內能解算

忽略煤層頂底板的彈性勢能作用，發生突出時內能關系表述如下[20]：

EP+U=A1+A2

(1)

式中：EP為煤體彈性勢能,kJ；U為瓦斯內能,kJ；A1為煤體破碎功(指煤體彈性能的破碎功),kJ；A2為煤體拋出功,kJ。

1.1 鉆孔造穴誘突煤體結構模型

結合鉆孔造穴誘突工程實踐，建立煤體鉆孔造穴誘突三維結構和微元體力學模型，如圖1所示。假設：①造穴鉆孔為底板穿層鉆孔，垂直于煤層,造穴后形成不規則豎向腔體；②考慮模型x、y2個方向應力，不考慮z方向煤體自重應力；③煤體瓦斯符合徑向穩流條件；④突出過程近似為等溫過程。

(a)鉆孔造穴誘突三維結構

(b)微元體力學模型

1.2 鉆孔造穴誘突煤體彈性勢能解算

煤層中鉆孔造穴形成腔體后，周圍煤體應力重新分布。從腔體中心向外延伸，煤體分為3個應力區，即塑性區、彈性區和原巖應力區[21-22]。塑性區煤體發生破壞，煤體保有殘余強度；彈性區煤體處于彈性變形階段，儲備有彈性勢能；原巖應力區煤體未受到外力影響。

根據莫爾—庫侖強度準則，利用微分方程，鉆孔造穴后煤層釋放的彈性勢能為：

(2)

(3)

聯合幾何方程和微分方程，利用彈性力學理論，彈性區的應力分布方程為：

(4)

(5)

式中：w0為煤的原始總應力,MPa；r為煤微元體距離腔體中心的距離,m；a2為彈性區中單位煤體表面孔隙比,%；p0為煤體的原始壓力,MPa；C為煤的黏聚力，kPa；φ為煤的內摩擦角，(°)。

鉆孔造穴形成的腔體多為不規則形狀，采用插值求積公式求解不規則腔體的體積表達式，進而得其彈性勢能表達式：

(6)

(7)

經過對彈性勢能方程引入固定常數k1、k2和k3，并簡化計算，最終得到鉆孔造穴后煤層的彈性勢能方程：

(8)

k2=(3-6μ)σ2(1-a2)2

(9)

(10)

(11)

式中σ為煤體的原始有效應力，MPa。

1.3 突出煤體瓦斯內能

突出過程煤體瓦斯內能主要由瓦斯膨脹能和壓力釋放能兩部分構成，其中瓦斯膨脹能UP表達式如下[23]：

(12)

式中：V0為突出后游離瓦斯膨脹后的體積(對應巷道瓦斯壓力p1),m3；p0為煤層原始瓦斯壓力，Pa;p1為巷道瓦斯壓力,Pa。

突出煤體瓦斯壓力釋放的能量UJ計算公式如下[20]：

(13)

式中：λ為解吸單位體積瓦斯時釋放的內能,kJ；n為Airey常數，甲烷氣體n=1/2；D為瓦斯在煤層中的擴散系數，m2/s；T為突出周期，s；d為煤顆粒的平均直徑，m。

將公式(12)和(13)相加并引入固定常數k4，簡化計算得到瓦斯總內能U方程：

(14)

U=V0p0[a2ln(p0/p1)+λk4]

(15)

1.4 鉆孔造穴煤體突出能量分析

按照突出能量理論，突出煤體的彈性能對煤體做破碎功，瓦斯內能做搬運和拋出功。在煤體造穴誘突三維結構模型中，突出煤體的彈性能主要存儲于彈性區內(見圖1)，而彈性區體量的大小由R0決定。根據煤體彈性勢能方程(11)可知，Ep與R0存在冪函數遞增關系，所以，增大R0是誘導鉆孔內突出的必要條件。根據突出煤層瓦斯內能方程(15)可知，U與p0呈指數函數遞增關系，所以，煤層原始瓦斯壓力(含量)的大小決定了鉆孔造穴突出是否發生及突出強度的高低。

2 鉆孔造穴誘突技術工程

2.1 試驗礦井概況

鄭州煤電股份有限公司超化煤礦位于鄭州礦區新密煤田東部，礦井核定生產能力2.1 Mt/a，屬突出礦井。所采二1煤層為單一、松軟、低透、高突煤層。

2.2 鉆孔水力造穴誘突技術實踐

1)造穴設備及參數：水力造穴作業通過遠距離視頻操作，作業機由現場自動控制鉆機和遠程操控平臺兩部分組成，遠程操控系統導入現場視頻和瓦斯監控系統。鉆孔施工直徑113 mm，防噴孔系統排渣管直徑150 mm，防噴孔箱體積容量5 m3。

2)地點選取及設計：試驗地點選擇在21121底板抽放巷(下)，區域煤層瓦斯含量7.96～12.41 m3/t，煤層埋深473～493 m，煤層厚度4.0～5.9 m。鉆孔與煤層夾角65°～90°，鉆孔終孔點間距15 m。水力造穴作業期間采用防噴孔裝置控制瓦斯并進行水、煤、氣分離，造穴水壓為0.5～15.0 MPa。

3)孔內突出情況：據現場監控畫面顯示，隨著水力造穴作業的實施，孔內造穴腔體進一步被擴大，在瓦斯和應力作用下煤體達到了突出條件，突出發生時有大量煤粉和瓦斯噴出，如圖2所示。經現場勘驗，突出煤呈干燥粉末狀，粒徑在5 mm以下。

圖2 水力造穴誘突現場

2.2.1 數據統計與計算

通過查閱文獻和實驗測試獲取突出煤體相關參數，按照公式(11)和(15)計算突出能量值；統計鉆孔造穴卸煤量、突出煤量，并計算造穴半徑。不同煤層原始瓦斯含量條件下各造穴鉆孔的突出強度及瓦斯內能見表1，同瓦斯含量條件下各鉆孔的造穴半徑、彈性勢能和突出強度見表2。

表1 突出內能計算及突出參數統計

表2 突出彈性勢能計算及突出參數統計

2.2.2 結果分析

表1中突出強度與瓦斯內能呈正相關關系，兩者關系曲線如圖3所示。表2中突出強度與彈性勢能也呈正相關關系，兩者關系曲線如圖4所示。經對圖3和圖4中關系進行線性擬合，發現圖3中線性擬合度R2=0.94，圖4中線性擬合度R2=0.74，擬合度較高。由此可見，瓦斯內能是突出強度的主要影響因素，彈性勢能是影響突出強度的重要因素。對比瓦斯內能和彈性勢能值，發現前者數值大小約是后者的103倍，可見突出過程中瓦斯內能起主要作用。

圖3 突出強度與瓦斯內能關系

圖4 突出強度與彈性勢能關系

基于鉆孔造穴誘突過程中突出能量和突出強度的關系分析，鉆孔造穴誘突能量耗散機制符合突出能量理論，所構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)選取瓦斯含量為10 m3/t區域50個水力沖孔鉆孔(未采取造穴誘突措施)的平均瓦斯抽放量與造穴誘突鉆孔做對比。抽放40 d時，造穴誘突鉆孔平均單孔抽放瓦斯量4 331 m3，是普通水力沖孔鉆孔的3.4倍。

2)經過統計同瓦斯含量區域采取不同瓦斯治理措施后各巷道掘進時突出預測指標q、S值，發現采用水力造穴誘突技術措施后，q、S值分別降低了54%和14%。

2.3 鉆孔爆破誘突技術

在統計不同區域鉆孔造穴誘突成功率等參數時，發現鉆孔造穴誘突成功率在煤層瓦斯含量為9 m3/t左右時明顯增大，如圖5所示。

圖5 造穴誘突成功率與煤層平均瓦斯含量的關系

基于突出綜合作用假說和突出能量理論，并結合造穴誘突工程實踐分析，認為當煤層瓦斯含量低于9 m3/t時，在誘突過程中瓦斯總內能的主要控制作用不明顯，只有繼續增大造穴腔體的體積，使突出的綜合條件發生演變，最終達到突出條件時才能發生突出。但是，若瓦斯含量過低，煤層中較低的瓦斯壓力很難拋出煤體做功[12]，造穴就很難誘發突出。可見，試驗礦井煤層瓦斯含量低于9 m3/t時，鉆孔造穴誘突的成功率較低。所以，當煤層瓦斯含量較低時，利用造穴腔體形成的煤壁應力自由面，借助爆破沖擊力來破碎、拋出煤體不失為一種選擇。

綜合考慮抽放規劃、設計、施工效率和施工組織等因素，采用煤層瓦斯含量9 m3/t作為鉆孔造穴誘突和爆破誘突的“閾”值。

1)地點選取及設計：試驗地點選擇在21121底板抽放巷(上)，區域煤層瓦斯含量7.22～7.83 m3/t，煤層埋深423～473 m，煤層厚度4.5～5.5 m，鉆孔與煤層夾角63°～90°。爆破鉆孔位于導向鉆孔中間，鉆孔終孔間距15 m。導向孔為水力造穴鉆孔，施工孔徑113 mm，單孔卸煤量為1.5 t/m，爆破鉆孔孔徑94 mm，采用乳化炸藥爆破，煤孔段滿裝。

2)爆破誘突情況：據現場監控畫面顯示，爆破孔起爆后導向孔噴出大量煤屑(如圖6所示)，同時瓦斯監控數據顯示回風流瓦斯濃度超限。經現場勘驗，突出煤以粉末狀居多，其中夾雜有較大顆粒煤塊(最大直徑為35 mm)，煤粉干燥。

圖6 爆破誘突現場

分析認為：爆破應力破碎了導向孔和爆破孔之間的煤體，瓦斯得到釋放，在瓦斯內能和爆炸能共同作用下搬運、拋出破碎的煤體，致使導向孔內發生突出。

3)瓦斯抽放效果考察：①選取瓦斯含量為8 m3/t區域50個水力沖孔鉆孔(未采取爆破誘突措施)的平均瓦斯抽放量與爆破誘突鉆孔做對比。抽放40 d時，爆破誘突鉆孔平均單孔抽放瓦斯量1 809 m3，是水力沖孔鉆孔的1.85倍。②經過統計同瓦斯含量區域采取不同瓦斯治理措施后各巷道掘進時突出預測指標q、S值，發現采用鉆孔爆破誘突技術措施后，q、S值分別降低了45%和12%。

3 結論

1)鉆孔造穴誘突過程中能量耗散機制符合煤體造穴誘突三維結構模型和推導的瓦斯能量方程。

2)試驗礦井煤層瓦斯含量大于9 m3/t時宜采用水力造穴誘突技術，反之宜采用爆破誘突技術，以此為閾值搭配使用2種誘突技術措施，可提高防突效果。

3)水力造穴誘突過程容易造成巷道內瓦斯超限，帶來安全問題。大容量、高密封、智能除渣的防噴孔裝置有待進一步研發，造穴智能化施工裝備技術有待進一步完善。