孫成坤， 傅 貴

(1.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團有限責(zé)任公司，哈爾濱 150090;2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

不同性質(zhì)外液對煤與瓦斯突出防治效果影響

孫成坤1，2， 傅 貴2

(1.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團有限責(zé)任公司，哈爾濱 150090;2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

針對煤層注水防止工作面煤與瓦斯突出問題，以七臺河新興煤礦92#煤層工作面生產(chǎn)條件為背景，采用數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場工業(yè)試驗相結(jié)合的方法，研究了注入介質(zhì)為純水和表面活性劑溶液時，其對工作面鉆孔圍巖塑性浸潤區(qū)和工作面垂直應(yīng)力分布規(guī)律的影響。結(jié)果表明:具有煤與瓦斯突出危險的回采工作面預(yù)采煤體注液后，能夠降低應(yīng)力峰值、增加峰值距、擴大應(yīng)力增高區(qū)的覆蓋范圍，從而使防突效果提高;防突效果的提高程度與所注入的外液性質(zhì)有關(guān)，表現(xiàn)為表面活性劑溶液強于純水;鉆孔注液后，孔間塑性浸潤區(qū)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)與注液壓力及所注入的流體介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。相同流體介質(zhì)條件下，注液壓力越大，塑性浸潤區(qū)的發(fā)育范圍也越大;在純水中加入表面活性劑之后，其孔間塑性浸潤區(qū)的發(fā)育不僅范圍更大，速度更快，且在各方向上更為均勻。該研究對注水防止煤與瓦斯突出具有很好的實際指導(dǎo)意義。

煤與瓦斯突出;注液;表面活性劑;塑性區(qū);應(yīng)力分布

0 引言

在我國，隨著礦井開采深度的增加，瓦斯含量和瓦斯壓力逐步增加，導(dǎo)致煤與瓦斯突出的幾率也在不斷的加大［1］。目前，從煤與瓦斯突出防治措施的控制范圍來看，主要包括局部防突和區(qū)域防突兩類，前者主要有超前鉆孔、松動爆破、水力割縫、水力沖孔、水力壓裂、煤層注水、水力擠出等，后者則以保護層開采和區(qū)域性瓦斯預(yù)抽為主［2］。煤與瓦斯突出產(chǎn)生的實質(zhì)是原始處于高應(yīng)力狀態(tài)下的含瓦斯煤體，在煤體開挖生產(chǎn)等擾動影響下，瓦斯和煤的耦合平衡體突然失穩(wěn)而產(chǎn)生的。故從其防治著眼點來看，一是從瓦斯入手，通過外加措施來改變瓦斯含量和瓦斯壓力;二是從煤體入手，通過外加措施來改變煤體的力學(xué)性質(zhì)。以此來改變原始處于高應(yīng)力環(huán)境中的煤與瓦斯耦合平衡體的狀態(tài)，從而防止煤與瓦斯突出。

由于處于原始環(huán)境中的含瓦斯煤體是一種氣固耦合平衡體，改變?nèi)魏我环骄鶗瑫r對另一方產(chǎn)生影響，因此，無論采用哪種防治措施，實際上對瓦斯和煤體都是起綜合作用的。相比較來看，煤層注水不僅能對瓦斯和煤體起綜合作用，還能起防塵作用，因此，在國內(nèi)外煤與瓦斯突出的防治中得到了普遍關(guān)注［3－8］。

對含瓦斯煤體進行注液，因外液性質(zhì)不同，相同時間內(nèi)在煤體中的浸潤擴展范圍，及對煤體物理力學(xué)性質(zhì)的改變程度等均不相同，而這些在宏觀上則表現(xiàn)為注液后的鉆孔圍巖塑性浸潤區(qū)范圍及煤體內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律有不同的變化。據(jù)此，從煤與瓦斯突出災(zāi)害防治角度出發(fā)，模擬研究工作面預(yù)采煤體在不同外液注入條件下，外液對孔間圍巖塑性浸潤區(qū)發(fā)展及工作面應(yīng)力分布規(guī)律的影響，以期為煤與瓦斯突出災(zāi)害的防治提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 區(qū)域煤巖概況

該模型以七臺河礦業(yè)集團新興煤礦三采區(qū)正在回采92#煤層右一回采工作面為例，該煤層具有煤與瓦斯突出的危險，開采區(qū)域煤層賦存深度平均為760 m，工作面回采工藝為走向長壁高檔普采，工作面長130 m，煤層傾角平均 13°，煤層瓦斯壓力2.6 MPa，煤質(zhì)為1/3焦煤，其回采區(qū)域的煤巖層組成情況及相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 區(qū)域煤巖組成及力學(xué)參數(shù)Table 1 Area coal and rock form and mechanics parameters

1.2 模型建立

模擬采用FLAC3D軟件，由于文中研究的是具有煤與瓦斯突出危險的煤體在注入外液條件下，其對鉆孔圍巖塑性浸潤區(qū)發(fā)育和工作面前方垂直應(yīng)力分布規(guī)律的影響，故采用流固耦合計算模塊，并采用有限差分法進行模擬，同時為了研究方便，將煤體視為均質(zhì)連續(xù)體。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)與生產(chǎn)條件，建立工作面開采三維模型，計算模型的立體圖如圖1所示，模型走向長200 m，傾向長100 m，高度為70 m。注液鉆孔沿工作面中部布置，共布置16個鉆孔，鉆孔間距8 m，孔長為5 m(圖2)。模擬中注入的外液一種是純水，另一種為OP－10與CaCl2復(fù)配的表面活性劑溶液，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%。

圖1 模型立體圖Fig.1 Model stereogram

圖2 煤壁鉆孔布置Fig.2 Drilling arrangement diagram on coal wall

2 外液對鉆孔周圍塑性浸潤區(qū)分布的影響

2.1 注入純水的塑性浸潤區(qū)分布

在注入純水條件下，其注入壓力P分別為5、10 MPa，模擬鉆孔圍巖塑性浸潤區(qū)的發(fā)展情況分別如圖3和4所示。

圖3 注水后鉆孔周圍塑性浸潤區(qū)分布Fig.3 Plastic infiltration area around drilling after water injection

圖4 注水后鉆孔周圍塑性浸潤區(qū)分布Fig.4 Plastic infiltration area around drilling after water injection

由圖3和圖4對比可知，孔內(nèi)注液壓力不同，鉆孔圍巖塑性浸潤區(qū)的發(fā)育范圍也不一樣，注液壓力越高，在相同時間內(nèi)其發(fā)育范圍也越大。

2.2 注入表面活性劑溶液的塑性浸潤區(qū)分布

在注入表面活性劑溶液條件下，其注入壓力為10 MPa，模擬鉆孔圍巖塑性浸潤區(qū)的發(fā)展情況如圖5所示。由圖4和圖5對比可知，在相同的注液壓力作用下，當(dāng)注入介質(zhì)為表面活性劑溶液時，孔間塑性浸潤區(qū)的貫通不僅速度快，而且相對均勻。相對而言，當(dāng)注入介質(zhì)為純水時，孔間塑性浸潤區(qū)的貫通不僅速度慢，而且具有局部方向性。

圖5 注表面活性劑溶液后鉆孔周圍塑性浸潤區(qū)分布Fig.5 Plastic infiltration area around drilling after surfactant solution injection

2.3 塑性浸潤區(qū)半徑與計算步驟的關(guān)系

結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，可獲得注液后鉆孔圍巖塑性浸潤區(qū)半徑R與計算步驟n之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 孔周塑性浸潤區(qū)半徑與計算步驟的關(guān)系Fig.6 Between radius of plastic infiltration area around drilling and calculation steps

通過對圖3～6的分析可知，在孔內(nèi)注液壓力作用下，煤體內(nèi)裂隙的發(fā)展與外液的浸潤同步進行，但注入的流體介質(zhì)不同，其裂隙發(fā)展速度與外液浸潤速度有較為明顯的差別。在注入介質(zhì)為純水的條件下，裂隙的發(fā)展速度明顯大于外液的浸潤速度，表現(xiàn)為塑性浸潤區(qū)的發(fā)育具有一定的方向性和不均勻性。相反在注入介質(zhì)為表面活性劑溶液的條件下，裂隙的發(fā)展速度與外液的浸潤速度相當(dāng)，表現(xiàn)為塑性浸潤區(qū)發(fā)育較為均勻。

3 外液對工作面前方應(yīng)力分布的影響

根據(jù)礦山壓力理論，工作面前方煤體存在彈性區(qū)和塑性區(qū)，塑性區(qū)的寬度L*可表示為［9］:

式中:Kk——穩(wěn)定后的應(yīng)力集中系數(shù);K*——煤體強度性能系數(shù)。

式中:σmax——最大應(yīng)力，MPa;

γ——巖石容重，N/m3;H——賦存深度，m。

由式(1)可以看出，注水后煤體的強度系數(shù)K*減小，塑性區(qū)的寬度將增加。

實際工作面開采過程中，煤體前方應(yīng)力重新分布具有時間效應(yīng)。應(yīng)力集中系數(shù)與工作面停止推進后的時間關(guān)系為［10］:

式中:A、β——常數(shù);

λ——流變參數(shù);

t——時間，h;

m——煤層厚度，m;

Lt——工作面停止推進t時集中應(yīng)力帶應(yīng)力峰值離工作面的距離，m;

L0——開始時集中應(yīng)力帶應(yīng)力峰值離工作面的距離，m;

Lk——穩(wěn)定后集中應(yīng)力帶應(yīng)力峰值離工作面的距離，m。

通過數(shù)值模擬，獲得工作面前方煤體在不同外液注入條件下的應(yīng)力分布圖(圖7)以及垂直應(yīng)力變化曲線(圖8)。由圖7和8分析可知:未注液前垂直應(yīng)力峰值位于工作面前方5 m左右，卸壓帶寬2 m;煤層注水后，垂直應(yīng)力峰值位于工作面前方9 m，卸壓帶寬5 m，相比不注水時，垂直應(yīng)力峰值深移增加約40%，卸壓帶寬增長約50%;而添加表面活性劑溶液與注純水相比，卸壓帶增寬值和應(yīng)力峰值前移距離更大，卸壓帶寬度更寬。

圖7 注液前后應(yīng)力變化云圖Fig.7 Cloud map of stress changes pre and post solution injection

圖8 不同注液條件下穩(wěn)定后的應(yīng)力分布曲線Fig.8 Distribution curve of stress changes under different condition of external solution injection

從理論上來說，當(dāng)煤體注液后，煤體的含水率增大，煤體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，彈性能降低，塑性增加，致使工作面前方塑性區(qū)卸壓帶增大，工作面集中應(yīng)力區(qū)前移，從而使具有突出危險的煤體內(nèi)的瓦斯能夠在暴露前提前釋放，工作面安全屏障加大。瓦斯提前釋放、集中應(yīng)力區(qū)前移、塑性卸壓帶增大，意味著工作面前方煤體抵抗發(fā)生瓦斯突出的能力提高。表面活性劑溶液會使相同條件下煤體的含水率大幅提高，因此會提高防突效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，在七臺河新興煤礦三采區(qū)92#煤層右一回采工作面進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗，相同注液壓力下采用注純水和表面活性劑溶液兩種方式，并相應(yīng)測試注液后的滲透半徑和工作面應(yīng)力分布情況。滲透半徑的測定采用刻槽法，工作面應(yīng)力分布測定則采用鉆屑法。注液前后工作面應(yīng)力分布對比測定比較易于實施，即在注水前后沿工作面推進方向各打一個鉆孔(孔深h)，分別測定鉆孔的每米鉆屑量S。而注純水和注表面活性劑溶液的工作面應(yīng)力分布對比，則采用相同推進循環(huán)進行比較。測定結(jié)果如表2和圖9所示，從圖表中可以看出，現(xiàn)場實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。表明注入表面活性劑溶液后的防突效果會大大提高。

表2 不同注液條件下的滲透半徑Table 2 Infiltrating radius under different solution injection condition

圖9 注水前后鉆屑量分布Fig.9 Distribution of drill cuttings before and after coal seam infusion

5 結(jié)論

(1)對于鉆孔注液防突而言，在相同時間內(nèi)，注液壓力越大其鉆孔圍巖的塑性浸潤區(qū)發(fā)育范圍也越大。

(2)在孔內(nèi)注液壓力作用下，煤體內(nèi)裂隙的發(fā)展與外液的浸潤同步進行，注入的流體介質(zhì)不同，其裂隙發(fā)展速度與外液浸潤速度也不相同。注入純水時，裂隙的發(fā)展速度明顯大于外液的浸潤速度，表現(xiàn)為塑性浸潤區(qū)的發(fā)展具有一定的方向性和不均勻性。注入表面活性劑溶液時，裂隙的發(fā)展速度與外液的浸潤速度相當(dāng)，表現(xiàn)為塑性浸潤區(qū)發(fā)育較為均勻。

(3)在相同的注液壓力作用下，當(dāng)注入介質(zhì)為表面活性劑溶液時，孔間塑性浸潤區(qū)的貫通不僅速度快，且相對均勻，而當(dāng)注入純水時，孔間塑性浸潤區(qū)的貫通不僅速度慢，且具有局部方向性。

(4)在純水中加入表面活性劑之后，能夠大大改善水對煤體的滲透浸潤作用，縮短注水時間，增加工作面前方塑性區(qū)卸載帶的寬度，并降低應(yīng)力峰值大小，從而使防突效果更加明顯。

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Different kinds of external solution impact on prevention and cure effect of coal and gas outburst

SUN Chengkun1，2， FU Gui2
(1.Heilongjiang Longmay Mining Hoiling Group Co.Ltd.，Harbin 150090，China;2.Faculty of Resource＆ Safety Engineering，China University of Mining＆ Technology，Beijing 100083，China)

Aimed at addressing the problem resulting from injecting water into coal seam to prevent coal and gas outburst，this paper builds on coal face production condition of Qitaihe Xinxing colliery 92#coal seam and describes the use of the combined method of numerical simulation research and the industrial test to study the impact of pure water and surfactant solution on plastic infiltration area around drill hole and vertical stress distribution of coal face.The results show that injecting external solution into the preliminary coal body vulnerable to coal and gas outburst danger contributes to reducing stress peak，increasing stress peak distance，expanding overage of stress increase area，and thus improving the outburst prevention effect.The outburst prevention effect depends on external solution properties in such a way that surfactant solution is better than pure water.Solution injection into drill hole leads to the correlation between the development state of plastic infiltration range on the one hand and drill holes，injection pressure，and fluid medium properties on the other hand.With the same fluid medium condition，a higher injection pressure results in a wider the plastic infiltration area range around drill hole;adding surfactant into pure water allows plastic infiltration area between drill holes to develop not only at a greater range and higher speed faster，but also with a better uniformity in each direction.The study is of significance to preventing coal and gas outburst by using water injection.

coal and gas outburst;injection solution;surfactant solution;plastic range;stress distribution

TD713

A

1671－0118(2012)05－0447－05

2012－08－08

孫成坤(1971－)，男，黑龍江省七臺河人，高級工程師，博士，研究方向:礦山安全與管理，E-mail:sck1971@sina.com。

(編輯 王 冬)