巷帮钻场扇形钻孔水力造穴增透促抽技术研究_杨宏民.pdf
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1、安全技术与工程doi:10.13301/ki.ct.2023.02.026第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.20230引言我国大部分煤层普遍存在透气性差、煤层瓦斯含量高、抽采难度大的问题,尤其是进入深部开采后巷帮钻场扇形钻孔水力造穴增透促抽技术研究*杨宏民1,2,3,贾镇府1,尹海4(1.河南理工大学 安全科学与工程学院,河南 焦作454000;2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南 焦作454000;3.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心,河南 焦作454000;4.中煤昔阳能源有限责任公司 黄岩汇煤
2、矿,山西 晋中045300)摘要:针对低透气性煤层煤巷掘进工作面掘进过程中瓦斯涌出量大的问题,采用数值模拟结合现场考察的方法,以中煤昔阳黄岩汇煤矿为工程背景,研究了巷帮扇形钻孔水力造穴增透促抽技术。结果表明:巷帮钻场扇形钻孔采用水力造穴增透技术后,越靠近巷道煤壁侧的洞穴周围瓦斯压力越低,水力造穴卸压增透效果越明显;随着洞穴逐渐靠近原始应力煤层区域,受原始煤层应力的影响,越接近原始煤层应力区域,瓦斯压力相对来说越高。经过水力造穴后,试验矿井造穴钻孔与未经过水力造穴的钻孔相比,抽采浓度和纯量分别提高了4.3倍和2.09倍左右;受造穴影响钻孔与未经过水力造穴的钻孔相比,抽采浓度和纯量分别提高了1.2
3、3倍和1.15倍左右。这些表明巷帮钻场扇形钻孔水力冲孔造穴能够对顺层钻孔煤层抽采瓦斯、卸压增透有着明显作用。关键词:水力造穴;卸压增透;促抽;扇形孔中图分类号:TD712.6文献标志码:A文章编号:1008 8725(2023)02 112 05Research on Technology of Hydraulic Cave-making to IncreasePermeability and Promote Drainage for Fan-shaped Drilling inRoadway Side Drilling FieldYANG Hongmin1,2,3,JIA Zhenfu1,Y
4、IN Hai4(1.School of Safty Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.State Collaborativelnnovation Center of Coal Work Safety and Clean Efficiency Utilization,Jiaozuo 454000,China;3.Engineering Center ofMine Disaster Prevention and Rescue of the Ministry of Education
5、,Jiaozuo 454000,China;4.Huangyanhui Coal Mine,China Coal Xiyang Energy Co.,Ltd.,Jinzhong 045300,China)Abstract:Aiming at the problem of large gas gushing during the excavation process of coal roadwayexcavation in low-permeability coal seam,the method of numerical simulation combined with on-siteinsp
6、ection was adopted,taking China Coal Xiyang Huangyanhui coal mine as the engineeringbackground,to study the hydraulic pressure of roadway fan-shaped drilling.Hole-making technology toenhance penetration and promote pumping.The results show that:after the hydraulic hole-making andpermeability-enhanci
7、ng technology is adopted in the fan-shaped drilling of the roadway drilling site,the gas pressure around the cave near the coal wall side of the roadway is lower,and the hydraulicpressure-relief and permeability-enhancing effect is more obvious.The stress coal seam area is affectedby the original co
8、al seam stress.The closer to the original coal seam stress area,the higher the gaspressure is.After hydraulic hole making,compared with the drilling hole without hydraulic holemaking,the extraction concentration and scalar volume were increased by about 4.3 times and 2.09times respectively.Compared
9、with the hole-making hole,the extraction concentration and scalar volumewere increased by about 1.23 times and 1.15 times,respectively.These show that the hydraulicpunching and hole making of fan-shaped boreholes in the roadway side drilling yard can play anobvious role in gas drainage,pressure reli
10、ef and permeability enhancement of coal seams.Key words:hydraulic cave-making;pressure relief and increase permeability;promote drainage;fan-shaped drilling*国家自然科学基金资助项目(52074104)112尤为严重,导致瓦斯抽采效率低、抽采达标时间较长,瓦斯抽采难度较大,严重制约了高瓦斯和突出矿井的安全生产。解决这一问题的关键就是提高煤层的透气性。目前,各煤炭企业主要采取的增透技术有保护层开采、预裂爆破、水力压裂、水力冲孔、水力造穴、水力
11、割缝等,其中水力冲孔卸压增透应用最为广泛。但是,水力冲孔措施多采用穿层钻孔方式,主要用于煤层巷道掘进区域的增透和强化抽采,而针对于顺煤层钻孔的水力化冲孔增透措施研究较少。随着钻进和高压水射流冲孔技术的进步,近年来针对本煤层钻孔的“钻孔-造穴”一体化增透技术逐渐应用并推广,但其工艺技术、工程效果以及作用机理尚未形成完整的技术和理论体系。中煤集团昔阳公司黄岩汇煤矿煤层透气性较低,瓦斯抽采效率不高,提高煤层透气性是解决问题的必经之路。结合黄岩汇煤矿的实际情况,选择巷帮扇形钻孔作为水力冲孔造穴增透促抽的工程试验条件,采用理论分析、数值模拟和现场考察的方法对其增透和促抽效果进行研究和评价。1水力造穴技术
12、基本原理水力造穴主要以高压水射流为载体,利用高压水射流喷射时产生的动能对煤层进行扩孔造穴,随着高压水射流持续冲击煤层,大量破碎煤体被冲出孔外,煤层内部暴露出来更多的表面积,同时,洞穴的产生破坏了煤层原有的应力平衡,应力重新分布,且应力集中向孔洞深部转移,洞穴周围的煤体应力得到降低,在一定程度上起到了卸压作用;在地应力的影响下,洞穴周围的煤体会膨胀变形,原本煤层内封闭、闭合的孔隙以及裂隙会重新张开,并且增大,不同孔隙、裂隙向外延伸、连接和贯通,扩大了瓦斯运移通道,也使得煤层透气性得到了增加。顺层孔造穴是采用水力冲孔的方法,在顺煤层钻孔中造出一系列相互间隔的洞穴,孔洞能起到增加煤壁暴露面积和周围煤
13、体裂隙的增透作用,间隔部分能起到对钻孔的有效支撑作用,维护钻孔通畅。2工程应用背景黄岩汇煤矿巷帮钻场扇形钻孔水力造穴增透促抽试验15#煤层在15117轨道顺槽掘进工作面3#4#钻场进行。15#煤层倾角310,平均5;煤层厚度4.36.2 m,平均5.5 m;实测最大相对瓦斯压力0.45 MPa,实测最大原始瓦斯含量5.32 m3/t;放散初速度14.742 mmHg;坚固性系数0.320.90;煤体破坏类型,多为、IV类,为突出危险性煤层。煤层透气性0.070 8 m2/(MPa2d),抽采流量平均衰减系数0.024,属较难抽采煤层。现场实施扇形钻孔水力造穴的钻孔布置如图1所示。图1巷帮钻场水
14、力造穴钻孔布置平面图3扇形钻孔水力造穴卸压效果数值模拟3.1模型的建立基于黄岩汇煤矿试验现场实际情况,构建了1个长宽高=100 m40 m5 m的三维模型,如图2所示。图2扇形孔水力造穴三维模型3.2模型的主要参数模型计算主要参数:煤弹性模量E/GPa2.56煤体体积模量/GPa1.4煤体泊松比0.12煤视密度/kgm-31 400初始孔隙率0.043 6初始渗透率/m21.7710-18瓦斯动力黏度/Pas1.08710-5吸附常数a/m3t-142.032吸附常数b/MPa-11.223钻孔内绝对压力/MPa0.075顶板压力/MPa8.75巷帮煤壁压力/MPa0.13.3扇形钻孔水力造穴
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