构造煤层掘进工作面区域性顺层水力造穴强化瓦斯抽采机制与工程应用

我国含煤地层在成煤之后经历了多期强烈的地质构造运动。在构造应力作用下,煤体不断发生挤压、剪切、碎粒和揉皱等变形,其原生结构被破坏,导致构造煤广泛发育。构造煤层往往具有高地应力、高瓦斯、低力学强度和低渗透率特征,瓦斯抽采难度大,煤与瓦斯突出灾害严重。本文针对构造煤层掘进工作面煤与瓦斯突出防治和瓦斯抽采难题,以阳泉矿区新景矿、寺家庄矿和新元矿三个典型突出矿井为研究对象,通过理论分析、实验室实验和现场试验相结合的研究方法对阳泉矿区构造煤演化及突出灾害特征、构造煤体力学和渗透特性以及构造煤孔隙特征和瓦斯吸附解吸动力学特性进行了系统性研究,获得了构造煤的高效增透‐增扩‐增流途径,在此基础上提出了区域性顺层水力造穴瓦斯抽采技术,并采用数值分析方法揭示了区域性顺层水力造穴的强化瓦斯抽采机制,最后构建了钻冲一体化水力造穴技术体系,对造穴参数进行了优化,进而对新技术的瓦斯抽采效果和抽采成本进行了现场考察。

本文的主要研究结论如下:

1)阳泉矿区含煤地层在成煤之后主要经历了三期地质构造运动,导致褶皱构造广泛发育并相互叠加。在此过程中,含煤地层内水平应力可达垂向应力的1.4~2.0倍,构造煤大量发育。构造煤形成过程中微裂隙的发育使得其坚固性系数仅有0.22~0.48,破碎比功比原生煤低1~2个数量级。同时,含煤地层在中生代晚期经历了岩浆热事件,导致煤层R_(o,max)值高达2.0%以上。在岩浆热演化作用下,煤中生气量大增,而致密围岩则为瓦斯储存提供了有利条件,因此煤层瓦斯压力和瓦斯含量普遍较高,局部可达2.48MPa和24m~3/t。此外,高地应力环境使得当前回采深度下煤层的渗透率仅有0.003~0.015mD。鉴于阳泉矿区构造煤层的高地应力、高瓦斯、低力学强度和低渗透率特征,煤与瓦斯突出灾害严重。

2)与原生煤相比,构造煤具有较低的力学强度和抗变形能力,单轴抗压强度、粘聚力和平均弹性模量分别为原生煤的23.62%、26.49%和15.50%;同时,常规三轴加载应力路径下,构造煤与原生煤的损伤破坏特征也截然不同,构造煤发生多重剪切破坏,而原生煤发生剪切破坏;此外,峰前卸围压应力路径下,围压卸载对煤体的力学强度产生劣化作用,构造煤和原生煤的粘聚力分别降低49.0%和38.8%,而且煤体发生拉剪破坏,损伤破坏程度明显提高。

3)当应力以静水压力方式由24MPa卸载到3MPa时,构造煤的渗透率仅增加约4倍,因此无宏观损伤卸荷无法对构造煤高效增透;同时,常规三轴加载应力路径下,煤体发生损伤后渗透率仅增加约0.5~1.1倍,因此加载损伤同样无法对构造煤高效增透;然而,峰前卸围压应力路径下,煤体发生损伤后渗透率可增加61.6~111.0倍,因此卸荷损伤才是构造煤的高效增透途径。

4)构造粉煤N_2(77K)吸附实验结果表明,与1~3mm煤样相比,0.074mm煤样的吸附/脱附等温线倾向于闭合、孔隙结构分形维数降低2.82~13.43%、且孔容和BET表面积分别增加3.07~9.85倍和4.03~19.68倍,表明基质损伤使得构造煤孔隙结构变得较为简单,孔隙连通性显著改善,且有新生孔隙生成。伴随着基质损伤过程中基质尺度的降低以及孔隙特征的改变,构造煤的瓦斯吸附解吸动力学特性显著增强:与1~3mm煤样相比,0.074mm煤样吸附常数a值增加14.31~43.45%,b值增加6.25~9.58%,同时初始瓦斯解吸速度增加1.50~4.19倍,初始有效扩散系数增加6.11~13.83倍。鉴于基质损伤可以有效增强煤体的瓦斯扩散特性,因此卸荷损伤不仅能对构造煤高效增透,同时也可对其高效增扩。随着煤体渗透特性和瓦斯扩散特性的增强,其瓦斯流动特性同样显著增强,因此卸荷损伤是构造煤的高效增透-增扩-增流途径。

5)根据构造煤的高效增透-增扩-增流途径,提出了区域性顺层水力造穴的掘进工作面瓦斯抽采技术。数值分析结果表明,造穴过程中四周煤体的应力演化路径为最小主应力σ_3卸载,中间主应力σ_2和最大主应力σ_1加载,对应于三轴力学和渗透实验过程中的峰前卸围压应力路径。因此,煤体发生了卸荷损伤,渗透率增幅可达2~3个数量级,瓦斯吸附时间可由1d降低到5min左右。鉴于煤体获得了充分的增透-增扩-增流,经过10d的瓦斯抽采,半径0.4~0.6m造穴洞室的有效抽采半径可达2.65~3.45m。此外,群穴条件下距离较近的造穴洞室之间可能发生穴间互扰,引起单穴的卸荷损伤范围增大并相互叠加,从而进一步强化了煤体的增透-增扩-增流和瓦斯抽采效果。鉴于此,区域性顺层水力造穴是通过诱导煤体发生卸荷损伤,增强其渗透特性、瓦斯扩散特性和流动特性来强化瓦斯抽采的。

6)采用了先进的钻冲一体化水力造穴装备,完善了煤-水分离及出煤计量系统,建立了高、低浓度瓦斯抽采系统,从而构建了钻冲一体化水力造穴技术体系;在此基础上,在新景矿3#煤层6条巷道内进行了工业性试验,掩护巷道掘进6460m。同时,基于试验情况,一方面根据考察的临界出煤率指标对造穴间距进行了优化,在钻孔间距较小的区域内增大造穴间距,在钻孔间距较大的区域内减小造穴间距,解决了顺层钻孔发散特性所造成的掘进工作面瓦斯抽采不均衡问题,另一方面提出了前进式造穴工艺,利用造穴洞室的卸压作用来降低钻进前方煤体的地应力和瓦斯压力,解决了构造煤层顺层钻孔施工过程中喷孔、顶钻和卡钻现象频发的难题,同时打钻速度提高4.8倍,打钻距离增加20m。

7)与普通顺层钻孔瓦斯抽采技术相比,采用优化后的区域性顺层水力造穴瓦斯抽采技术之后,掘进工作面的瓦斯抽采效果显著改善:钻孔工程量降低75.0%,瓦斯抽采周期由45d降低到10d,瓦斯抽采率由26.6%提高到32.5%,同时巷道掘进过程中残余瓦斯含量和K_1值等有所降低。此外,加之采用前进式造穴工艺之后打钻速度的提高以及打钻距离的增加,双巷掘进情况下每个掘进队的掘进速度由58m/月提高到168m/月。与此同时,采用新技术之后,钻孔工程量的大幅降低使得掘进工作面中煤体的直接瓦斯抽采成本下降35.1%。

本文中共有图127副,表51个,参考文献178篇。

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