复合煤层水力冲孔卸压增透机制及高效瓦斯抽采方法研究

摘要:构造煤是原生煤在经历了复杂地质构造作用后形成的一种极度破碎粉化煤体,具有强度低,瓦斯含量高,渗透性差的特点,导致绝大部分的煤与瓦斯突出事故都发生在有构造煤的地方。在我国焦作矿区,由于经历了多期复杂地质构造运动,形成了一种特殊的复合煤层,煤层上部为受构造作用破坏较轻的坚硬煤体(本文称为原生煤),下部为受构造破坏严重的松软构造煤。该复合煤层煤体性质差异大,瓦斯抽采异常困难。许多传统的单一煤层瓦斯抽放措施应用效果均不明显,导致煤与瓦斯突出事故频发。本文针对该复合煤层瓦斯治理的难题,以古汉山矿16采区为研究背景,通过理论分析,现场考察及实验室研究,获得复合煤层中原生煤和构造煤的基础物性参数、孔隙结构、瓦斯吸附解吸性能以及力学损伤行为和渗透率演化特性。基于煤层特性,提出了水力冲孔瓦斯抽采技术,利用数值模拟、实验室实验和理论分析相结合的方法揭示了复合煤层水力冲孔卸压增透机理。在现场开展大量的工程试验,对复合煤层水力冲孔瓦斯抽采技术的实际应用效果进行考察研究。本文的主要结论如下:  (1)构造煤在经历了特殊地质构造运动后,微观物理结构被严重破坏,孔隙裂隙系统显著发育,微孔和小孔孔容分别为原生煤的8.20~9.48倍和10.41~10.97倍。微观结构的差异导致构造煤比原生煤具有更强的吸附解吸性能,构造煤的极限瓦斯吸附量为47.29m3/t,高于原生煤的40.68m3/t,瓦斯放散初速度高达33.8~44.4mmHg,是原生煤的1.6~2.2倍。构造煤的坚固性系数平均值仅为0.2,原生煤坚固性系数是其7.5倍。复合煤层中的构造煤分层更容易积聚大量的瓦斯能,且其具有很低的力学强度和较高的初始瓦斯解吸放散能力,使煤与瓦斯突出风险极大增加。  (2)复合煤层中的原生煤的力学强度显著高于构造煤,其单轴抗压强度为构造煤的3.63倍,三轴抗压强度为构造煤的2.05~2.70倍,内聚力为构造煤的3.3倍,平均弹性模量为构造煤的8.8倍,泊松比为构造煤的62.5%。在加轴压卸围压力学路径下,原生煤和构造煤的平均峰值强度分别降低到加轴压定围压力学路径下的31%和42%,加轴压卸围压力学路径导致两种煤体更容易同时发生破坏。  (3)静水压50MPa卸载到2MPa的过程中,原生煤的渗透率提高了792.2倍,构造煤的渗透率提高了76.3倍。表明即使煤体没有发生宏观破坏,但通过卸荷仍可以实现煤体渗透率的增加。加轴压定围压力学路径下煤体发生损伤后,构造煤的渗透率没有发生明显的提高,原生煤的渗透率增加到初始渗透率的65.9~117.0倍;加轴压卸围压力学路径下煤体发生损伤后,构造煤的渗透率提高了1.8~7.2倍,原生煤的渗透率提高了108.9~3127.5倍。渗透率测定结果表明, 原生煤损伤后的渗透率增加幅度要显著大于构造煤,且增透路径要更加优于构造煤。单纯的“损伤”无法使构造煤煤体获得有效的增透,“损伤”后有效的“卸荷”才是其增透的主要途径。  (4)复合煤层进行高压水力冲孔后,构造煤体能够被有效冲出,钻孔平均出煤率为0.48t/m,复合煤层钻孔几何结构为下部构造煤分层直径1.5m,上部原生煤分层直径0.1m。数值模拟实验表明,孔洞的形成使复合煤层中的应力扰动范围显著扩大,与普通钻孔相比,应力扰动的范围提高了4.8~8.5倍。钻孔周围煤体的应力演化路径为最大主应力不断增加,最小主应力不断减小的过程,对应于三轴力学实验中的加轴压卸围压力学路径。水力冲孔使单个钻孔周围发生损伤破坏的煤体体积提高了78.5倍。钻孔周围渗透率发生显著提高的范围在总体上扩大了8倍,钻孔瓦斯抽采有效半径提高了2.4~3.3倍。  (5)采用先进的高压水力冲孔一体化装备,完善采掘、分离、抽采及监测系统保障,同时制定明确的施工工艺流程,极大地提升了水力冲孔瓦斯抽采技术。现场实测结果表明,与普通钻孔相比,水力冲孔能够显著提高钻孔瓦斯抽采效率,确保煤巷安全掘进。对复合煤层进行水力冲孔瓦斯抽采一年后,煤层渗透率由初始的0.0007mD提高到0.06mD,增加了87倍;孔洞的形成为煤层膨胀提供了充足的空间;水力冲孔钻孔高浓度瓦斯抽采期提高了4.9~10倍,365天内平均百米瓦斯抽采纯量由普通钻孔的0.018m3/min.hm提高到0.072m3/min.hm;水力冲孔钻孔数目仅为普通钻孔数89.7%的前提下,瓦斯预抽期由普通钻孔的1425天降低到336天。复合煤层水力冲孔瓦斯预抽结束后,煤巷平均掘进速度提高了1.6倍,达到4.4m/d,掘进期间突出危险性显著降低。

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