（安全技术及工程专业论文）中硬煤层采煤工作面水力压挤技术应用研究.pdf

安徽理j 1 ：火学硕十学位论文 a b s t r a c t a l t h o u g ht h e r ea r em a n yg a sc o n t r o l sa n dm e a s u r e sf o rr e d u c t i o n si nh i g hg a s ， l o wp e r m e a b i l i t y , m e d i u m - h a r dc o a ls e a m ，h i g hp r o d u c t i o na n dh i g he f f i c i e n c yc o a l f a c e ，t h e r es t i l le x s i t i n gp r o b l e m so fg a sc o n c e n t r a t i o ne x c e e d i n gl i m i t sa n dg r e a t e r c o a ld u s t sd u r i n gm e c h a n i z e dp r o d u c t i o np e r i o d b a s e do nr e v i e w i n gt h ec o a ls e a m w a t e ri n j e c t i o n , h y d r a u l i cf r a c t u r i n ga n dh y d r a u l i ce x t r u s i o nt e c h n i q u e ，t h e p a p e r a n a l y z e dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nh y d r a u l i cp r e s s i n ga n dt h ea b o v eh y d r a u l i cm e a s u r e s u s i n gr o c km e c h a n i c s ，r o c ka n df l u i dm e c h a n i c s ，g a sf l o wa n ds t o r a g ei nc o a l s e a m ，s e e p a g ec o u p l i n g ，e l a s t i c p l a s t i c d a m a g em e c h a n i c s ，f r a c t u r em e c h a n i c sa n d o t h e rt h e o r i e s ，t h ep a p e rr e s e a r c h e dc o a lb o d yf a i l u r ep r o c e s so fh y d r a u l i cp r e s s i n ga s w e l la s t h ei n f l u e n c eo fh i g hp m s s u r ew a t e ro ng a sd e s o r p t i o nl a w , i l l u s t r a t e dt h e m e c h a n i c so f p r e v e n t i n gg a sa n dd u s t o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h eb a s i cp a r a m e t e r s a n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h ee f f e c to fh y d r a u l i cp r e s s i n g ，t h ep a p e r o b t a i n e dt h em o s ti m p o r t a n to r d e ro ft e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dt h eb e s tp a r a m e t e r c o m b i n a t i o n b ya d o p t i n gq u a n t i f i c a t i o nt h e o r y t oe s t a b l i s hc o a l d i s p l a c e m e n t p r e d i c t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e la n du s i n g o r t h o g o n a l t e s t o nt h e b a s i so f s e e p a g e - s t r e s sc o u p l i n gt h e o r y , t h ep a p e re s t a b l i s h e ds e e p a g e s t r e s s - d a m a g ec o u p l i n g m o d e lo fc o a lb o d yr u p t u r ep r o c e s s ，r e c o n s t r u c t i n gr u p t u r ea n dd i s p l a c e m e n tp r o c e s s u n d e rh i g hw a t e rp r e s s u r e b ym e a n so ff - r f p a 2 dt h a tc a ng e n e r a t es t r e s sf i e l d s ， a c o u s t i ce m i s s i o nf i e l d sa n dd i s p l a c e m e n tf i e l d si ns i m u l a t i o n t h r o u g ht h eh y d r a u l i c p r e s s i n ge x p e r i m e n t sc a r r i e do u ti nq i n a nc o a l m i n eo fh u a i b e im i n i n gg r o u p ，t h ep a p e r s h o w e dt h es i g n i f i c a n te f f e c to f g a se x t r u s i o na n d d u s tp r e v e n t i o n f i g u r e 2 6 】t a b l e 【9 】r e f e r e n c e 【6 3 】 k e y w o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s i n g ，k e yp a r a m e t e r s ，f - r f p a 2 d ，h o m o g e m z i n gg a s e m i s s i o n ，d u s td e c r e a s i n g c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 713 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀理里太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：叠陋日期：立孕年一月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：尚仫哈签字日期：彦0 年月，。日 导师签名： ) 7 【多，签字日期：溯夕年乡月日 引言 己i吉 ji f j 我国是一个“富煤、少油、缺气的国家，煤炭是我国最主要的资源。目前， 煤炭在我国能源一次消费构成占7 0 左右。同时我国也是世界上产煤最多的国家， 2 0 0 4 年原煤产量1 9 5 6 亿吨，2 0 0 5 年增至2 1 9 亿吨，2 0 0 6 年高达2 3 8 亿吨，2 0 0 7 年再创新高达2 5 3 6 亿吨，2 0 0 8 年在国际经济危机的形势下产量达到2 7 3 9 亿吨 居世界首位1 1 1 。其中9 5 以上的煤炭来自地下开采，在煤矿地下开采过程中，容 易诱发各种事故。2 0 0 4 年我国煤矿百万吨死亡率为3 0 8 ，2 0 0 5 年为2 8 1 ，2 0 0 6 年为2 0 4 1 ，2 0 0 7 年为1 4 8 5 ，2 0 0 8 年下降为1 1 8 2 1 2 j ，是历史以来的最低水平， 但是和其他产煤国家相比，我们煤矿安全状况仍然相当落后，比如印度、南非、 波兰的煤矿百万吨死亡率约在0 5 左右，美国和澳大利亚则更低，分别为0 0 3 和 0 0 5 。最近几年，我国煤矿安全形势虽然有所好转，但是煤矿重大特大事故多发 势头仍然没有得到有效遏制。据统计p j ，2 0 0 8 年1 月至9 月份，全国煤矿发生瓦 斯事故1 3 9 起，死亡6 1 6 人，同比分别减少7 l 起、1 3 6 人。但瓦斯防治形势依然 严峻，重特大瓦斯事故发生1 3 起，死亡2 5 6 人，同比起数持平，死亡人数上升 2 2 5 。因此，防治煤矿瓦斯事故是煤矿安全生产工作中的重中之重。 粉尘危害主要有两方面：一是对人体的危害，如果人的肺部长期吸入大量的 矿尘，就可患尘肺病，尘肺病是目前危害较大的一种矿工职业病。二是煤尘爆炸 危害，煤尘爆炸是煤矿的严重灾害之一，它严重威胁着矿井安全1 4 1 。截至2 0 0 2 年 底，我国的尘肺病患者累计达5 8 力余例，现存活4 4 万余例，但是每年仍在增加 l 万多例新生病人，其中煤矿尘肺病患者占总数的4 6 ，约达2 l 万1 5 】。据近两年 煤炭行业的不完全统计，现有尘肺病人约1 7 5 万，死亡人数每年约2 5 0 0 3 0 0 0 人， 新增尘肺病人约4 5 0 0 人，每年国家用于该项的医疗等费用高达3 5 亿元人民币， 每年造成的直接经济损失达8 0 亿元人民币。2 0 0 2 年原国有重点煤矿有5 3 2 处矿 井煤尘有爆炸危险，占8 7 4 。小煤矿中9 1 3 5 煤矿的煤尘具有爆炸危险，其中 高达5 7 7 1 的具有强爆炸性，煤尘爆炸及瓦斯爆炸时参与煤尘爆炸所造成的重大 特大事故占煤矿事故的很大比重1 6 j 。 高瓦斯工作面的高产问题一直是煤炭企业急需解决的重大安全技术难题，其 成功解决将对我们煤炭和能源生产发展起重要作用。高产高效工作面通常指煤层 瓦斯含量不大，出于机械化程度高，开采强度大，产量集中，采面生产过程中， 瓦斯涌出量较大，经常造成上隅角和回风瓦斯超限。在全国5 1 个高产高效工作面 矿井，有1 7 个属于高瓦斯或瓦斯突出矿井，占总数的3 3 ，有6 8 的高产高效 安徽理。i ：人学硕十论文 工作面存在着严重的瓦斯超限问题，在瓦斯含量仅为5 - 8 m 3 t 的低瓦斯矿井，高 产高效工作面由于瓦斯超限影响生产的时间约为正常时间的1 8 一l 1 2 ，而在高瓦 斯矿井或突出矿井，则高达1 3 1 4 【7 1 。尽管在采掘前采取了一系列的瓦斯治理 措施，但其在生产过程中的机械割煤期间，瓦斯浓度仍然达到或超过1 的最高 允许值，造成超限，这不仅具有较大的安全隐患，而且严重地影响着采掘工作面 的产量或进尺。个别高瓦斯综采工作面最严重时的t l 探头竟一天高报5 0 多次， 采煤机时走时停，产量无法得到提高。同时，由于现在机械化采煤程度的普遍， 综采配套设备的工艺创新，特别是大采高放顶煤的推广，其煤尘量更大，比分层 开采高出1 3 倍，但是没有很好地实施有效的防、降、除尘措施，采掘煤工作面 的煤尘很大，例如：在无防尘措施条件下，机采时的粉尘浓度可达 1 0 0 0 3 0 0 0 m g m 3 ，综采时则高达4 0 0 0 8 0 0 0 m g m 3 i 引。工人的劳动环境非常恶劣， 严重地威胁着工人健康。因此迫切需要寻求一种既能有效防治瓦斯，又能有较好 的降尘效果，适合采煤工作面的一种技术。 目前普遍采用的煤层注水技术，在低渗透性中硬煤层中很难实施，效果很差， 且由于封孔深度很小，对采煤工作面前方煤体的瓦斯防治效果不明显，所以煤层 注水的目的主要是防尘。煤层水力压裂技术是通过穿层钻孔或顺层长钻孔高压注 水致裂煤体，虽然能增加深部煤体的渗透性，但由于水力压裂没有作用到近工作 面的一段煤体，没有形成通达煤壁的裂隙通道，深部的瓦斯也不能自然释放出来， 一般应辅之以抽采措施解决瓦斯问题。水力挤出虽然是将近工作面煤体压裂，能 挤出大量的瓦斯，但由于其使用的主要目的是用于掘进工作面消除煤层的煤与瓦 斯突出危险性，封孔深度较大，对近工作面煤体松动的范围过大，必然造成顶板 管理的困难，容易发生采煤工作面冒顶事故，且封孔器末端及孔底的充水段长度 较小，煤体湿润的范围降低，降尘效果不理想。 在这种背景下，作者参与了导师的高瓦斯矿井采煤工作面水力压挤综合防治 瓦斯矿尘技术研究项目( 安徽省科技攻关计划重大项目) ，解决了上述几种水力化 措施在采煤工作面使用时不能同时防治瓦斯煤尘的问题。 第l 章绪论 l绪论 1 1国内外相关技术研究现状 水力压挤概念是在综合了煤层注水、水力压裂和水力挤出技术的基础上提出 来，因此，了解水力压挤相关技术的发展和研究现状对深刻理解水力压挤致裂煤 体的机理至关重要。 1 1 1 煤层注水技术研究现状 煤层注水防尘的实质是用水预先湿润尚未开采的煤体，使其在开采过程中大 幅度减少粉尘产生量。煤层注水是通过煤体中的注水钻孔将水压入煤体，使水均 匀分布于煤层中无数细微的裂隙和孔隙之中，达到预先湿润煤体的目的【9 】。 1 8 9 0 年德国首次在萨尔煤田进行实验【l o j ，随后煤体预注水减尘方法逐步引起 了各国的重视。法国从1 9 4 3 年开始短孔煤层注水的试验研究和应用。1 9 6 0 年前 后，德国、英国、i j 苏联、美国和比利时等几个主要产煤国家对煤层注水做了大 量的试验研究，并将实验结果在井下推广应用。1 9 4 3 年德国鲁尔煤田开始使用短 钻孔注水，发现降尘效果显著，1 9 4 8 年在该煤田的所有矿井推广使用。但由于短 钻孔存在一些难以克服的困难，后又改用长钻孔注水1 1 1 】。 为了使煤层注水状况适应于被湿润煤体的渗透特点，前苏联乌克兰科学院矿 山力学研究所等研制出能自动调节注水参数的o f 型注水泵，它能根据煤层的渗透 性和注水压力自动调整注水量，实现最佳的煤层注水参数，提高了液体在煤体中 分布的均匀性旧。法国煤炭中心研制了流量控制器和连续注水装置，使煤层注水 实现了自动化。 煤层注水技术的广泛使用，有效的控制了井下粉尘浓度，根据r 内瓦国际防 尘会议的资料在条件合适的煤层里，正确使用煤层注水会使空气中的含尘量比综 合使用所有其它防尘措施( 不包括煤层注水) 时要低3 - - 4 倍，而且利用煤层注水 时，落煤的生产效率还可以提高2 5 1 1 3 】。 我国建国以来，矿井防尘工作从无到有，取得一定成绩。在五十年代就开始 了煤层注水的试验工作。但是作为一项矿井防尘措施在煤矿推广应用还是从七十 年代才开始的。最近几年，煤层注水防尘技术发展很快，注水防尘的矿井遍及我 国南北各省。我国科研部门于一九七六年研制成功我国第一台煤层注水专用泵 ( 5 d 2 1 5 0 型注水泵) ，以后又研制出5 b d ，5 b z ，5 b g ，7 b z ，7 b g ，k b z 等各种 3 安徽理i ：人学硕十论文 型号的注水泵；研制出煤层注水自动封孔器( ( 2 y y 一5 0 1 型封孔器) ，后来多次改 进发展为y p a 型，还发展了水泥砂浆、化学合成材料封孔等方法；在注水专用机 具及测试仪表研究方面也有较大进展【1 4 】。随着我国煤炭工业的迅速发展，矿井采 掘机械化程度的不断提高，尤其是综采放顶煤开采工艺的推广应用，工作面煤尘 浓度很高，防尘任务重，要求煤层注水预湿煤体的防尘技术的研究更加成熟。 1 1 2 煤层水力压裂技术研究现状 地面钻孔水力压裂技术在石油开采中用的较早，1 9 4 7 年在美国堪萨斯州试验 成功，之后这一技术被广泛应用于其他工程领域。美国广泛应用地面钻孔水力压 裂技术开采煤层气，在阿拉巴马州有4 0 0 0 个地面钻孔开采煤层气。从1 9 7 0 年开 始，我国白沙红卫煤矿、阳泉一矿、抚顺北龙风井、焦作中马村矿和沈阳有关矿 等先后开展了地而和井下钻孔煤层水力压裂抽采瓦斯试验，有的收到了较好效果， 有的发现了一些问题，取得了一些经验。 地下深处埋藏的煤层，承受着上部覆盖岩层的重量，所以煤层内裂隙受压缩 而处于闭合或半闭合状态，因此煤层的原始透气性一般都比较小。水力压裂技术 就是通过钻孔向煤层压入液体( 主要为水) ，当液体压入的速度远远超过煤层的自 然吸水能力时，由于流动阻力的增加，进入煤层的液体压力就逐渐上升，当超过 煤层上方的岩压时，煤层内原来的闭合裂隙就会被压开形成新的流通网路，煤层 渗透性就会增加，而当压入的液体被排出时，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创 造了良好条件【l5 1 。水力压裂就是以水作为动力，使煤体裂隙畅通的一种措施。 阳泉一矿七尺煤层( f 值为1 2 2 0 ) 、白沙红卫矿煤层( f 值为o 2 o 6 ) 和 抚顺北龙风井煤层( f 值为1 ) 三个煤层的水力压裂经验是：当泵压超过地层垂直 静压力、压裂液压入速度大于o 5 m 3 m i n 时，用水作动力是可以将煤层裂缝压开， 在煤层内形成张开裂隙网络的，砂子能充填在裂隙内。后来在压裂区采煤时，对 砂子分布情况的观察说明，水力压裂压开的裂缝形状，有沿层面贯通的水力裂缝。 如阳泉那样，也有成树枝状的倾斜裂缝，如白沙红卫矿，砂子最大分布范围( 直 径) 可达1 0 0 多米。由于煤层被压丌裂缝后，钻孔瓦斯抽采量能不能增加还要取 决于其它条件，如：煤质坚硬程度、致密程度，煤层内裂隙是否发育及有无地质 构造，煤层的原始透气性系数，压裂液的注入速度，水力压裂施工及回排水时是 否带出大量的煤炭等，都影响压裂孔的瓦斯抽采效果由于地面钻孔水力压裂或泡 沫压裂的工艺技术比较复杂，石油部门的压裂设备都较庞大，只适用于地面钻孔 进行水力压裂施工，所以当煤田的地形地貌较复杂时，采用地面钻孔水力压裂强 4 第1 章绪论 化措施抽开采煤层瓦斯就受到很大的限制。为了在煤矿井下进行强化抽放瓦斯， 前苏联在卡拉干达等矿区试验了井下钻孔水力破裂法抽放瓦斯措施。水力破裂法 与水力压裂法的差别在于：前者是在井下施工，压裂液为清水，不带砂，一般也 不加其它添加剂( 如增粘剂、表面活性剂等) ，压裂液向煤体压入的速度一般较小， 在0 5 m 3 m i n 以下，钻孔附近存在自由暴露煤面，施工时要求压裂钻孔与邻近钻 孔和巷道暴露面压通破裂，煤层内的煤、水能较顺利地排出，在钻孔周围有卸压 作用；而地面钻孔水力压裂都是在无自由面的情况下进行施工的，消耗的功能大。 为了表示二者之问的差异，前苏联把井下钻孔清水小排量、有自由面的压裂法称 为水力破裂法。 井下水力破裂的孔间距为4 0 5 0 m ，用膨胀水泥封孔，钻孔的密封性应能经 受住18 2 0 m p a 的压力，套管要下到钻孔内3 0 , - - 4 0 m 处。 从井下巷道打钻孔采用水力破裂法提高开采煤层瓦斯抽放量的效果是：当单 纯用水力破裂钻孔抽放瓦斯时，在控制范围内的煤层瓦斯抽放率为1 0 , - - 2 0 ；当 煤层经水力破裂措施施工后，在破裂区内再补打抽瓦斯钻孔，用施行水力破裂的 钻孔及新补的抽放钻孔联合抽瓦斯时，抽放率可达5 0 , - - 6 0 ，能显著地提高开采 煤层的瓦斯抽放量 采用井下水力破裂这一技术措施时，必须有大功率高压水泵、高压管线、阀 门及接头、深孔封孔材料及装置等适合于井下应用的装备。 1 1 3 煤层水力挤出技术研究现状 借鉴水力压裂原理，前苏联马凯耶夫煤矿安全研究院提出了煤层近工作面部 分的水力挤出方法，二十世纪八十年代在前苏联顿巴斯矿井的突出危险煤层回采 工作面和掘进巷道获得了比较广泛的试验和应用。 马凯耶夫煤矿安全研究院的专家们认为：实施水力挤出措施时，向工作面打 钻孔并以较高的压力供水，注入钻孔中的水挤压钻孔壁，急剧增高该地点煤体的 载荷，使得从封孔器末端到注水钻孔底这部分煤层逐渐被破坏，而后发生煤体的 移动；当煤层中有一个或数个揉皱分层时，煤体不会沿巷道的全部断面，而只是 沿单个分层发生移动，直到煤被压出和裂开，这时围岩的靠拢速度就增长，不稳 定平衡状态消除，变形停滞和消失，因而发生突出的前提也被消除，但前苏联专 家对水力挤出措施防突机理的认识只局限于微观层面上，且大多是在作了许多假 设的理想状况下进行论证的，没有从现场实际对水力挤出措施的各项参数以量化 指标来说明；对合理注水参数的选择，虽然给出了一些理论公式，但过于理想化， 5 安徽理ji ：人学硕十论文 现场可操作性差，无法应用于实际施工过程6 。 近年来，焦作煤业集团有限责任公司和中国矿业大学针对焦作地区煤层瓦斯 含量高、透气性差、突出危险严重等特点，研究了中高压注水综合防突技术的防 突机理，结合现场试验考察了注水参数和防突效果，研究人员还根据现场试验考 察制定了注水参数，建立了注水压力的数学模型1 8 l 。 李志强、王兆丰利用a n s y s 软件对水力挤出的措施过程进行了数值模拟 1 1 9 1 1 2 0 】【2 l l 。认为实施水力挤出措施后，工作面前方的煤体的卸压带加长，集中应力 带向煤层深部移动，煤体中应力整体下降，应力分布均匀。力学性质发生变化， 弹性降低、塑性增加，弹性潜能缓慢释放，发动突出的危险性降低；注水后煤体 破碎，煤体透气性增强，瓦斯涌出量和抽放量增大，减小了煤体中的瓦斯潜能。 刘明举教授在结合水力挤出现场效果的基础上，分析了水力挤出防突机理和 对注水参数的选择陋1 1 2 3 1 。研究认为水力挤出后由于煤体的挤出，使得工作面前方 煤体的应力发生改变，集中应力带向煤体深部转移，卸压带增宽，是水力挤出措 施的主要防突机理之一；由于煤体的压裂产生大量的裂隙，煤层透气性增强，煤 层瓦斯含量降低，瓦斯压力减小，是水力挤出的主要防突机理之二。 1 2 水力压挤的概念 通过以上对煤层注水、煤层水力压裂和水力挤出技术的分析，提出了水力压 挤技术，它是一种可用于采掘工作面综合防治瓦斯煤尘的新技术。所谓水力压挤 技术，就是在进行采掘作业前，在工作面前方煤体中打若干个一定深度的钻孔， 在钻孔中用水力自动封孔器封孔并向前方煤体进行中高压注水，将靠近煤壁一定 深度范围内的煤体压裂，使煤体发生张裂和位移，产生水平和纵向裂隙，提高煤 层的渗透性，增大瓦斯涌出量，释放煤体内部应力，同时达到降尘效果的一种技 术。在工作面实施水力压挤措施后，煤、水和瓦斯三者之间相互作用，形成一种 三相耦合的平衡体系。煤层注水后煤层中水的存在状态可以分为：存在于孔隙及裂 隙空间中的自由水、吸附于孔隙及裂隙表面的水和被煤吸收的水。不同存在状态 的水对煤的力学性质和瓦斯运移方式产生不同的影响。其机理如图1 所示 6 第1 章绪论 高压注水压裂前方煤体位移 上、r 应力集中带前移 i l 煤体应力释放 裂隙中煤体被湿润 、，上 。t 卸压带增宽 煤体透气性增大 破碎、软化煤体 、 ，、r 高压水封堵深部瓦斯 煤体浅部瓦斯解吸释放 、r 产尘量降低 、r 1r 抵抗突出能力增强 浅部瓦斯被捉前排出 r il 连续的降尘作用 上上 降低煤与瓦斯突出危险性 高压水封堵深部瓦斯 、r 避免落煤时瓦斯 积聚超限 图l 水力压挤防治瓦斯煤尘机理示意图 f i g ls c h e m a t i cd i a g r a mf o rp r e v e n t i n g g a sa n dc o a ld u s to fh y d r a u l i cp r e s s i n g 1 3 水力压挤与相关技术的区别 1 3 1水力压挤与煤层注水的区别 1 使用条件的不同 煤层注水在透气性较好的煤层中效果比较理想，但是在低渗透性中硬煤层中 很难实施，效果很差。而煤层水力压挤技术采用比煤层注水更高的水压及合理的 封孔深度，能够致裂中硬煤体。裂纹的沟通提供了导水通道，解决了低渗透性中 硬煤体注水较难的问题。 2 使用目的的不同 现有的煤层注水主要是长时间、小流量注水为主，水在煤体中的运动主要是 渗流，因此其效果主要是用来防尘，对瓦斯的防治效果不明显。而水力压挤技术 是通过大流量、快速地将水注入到采掘工作面前方一定深度的煤体中，将靠近煤 7 安徽理下入学硕十论文 壁一定深度范围内的煤体压裂，使煤体产生一定的松动和位移，从而使煤体裂隙 中的游离瓦斯在检修班内提前挤排出来，还可以使松动煤体中的一部分吸附状态 的瓦斯快速解吸，并通过裂隙排放到采掘空间。起到降低落煤时瓦斯涌出的峰值， 均化采煤工作面瓦斯涌出的作用，同时也可有效降低采掘工作面的粉尘浓度。 1 3 2 水力压挤与水力压裂的区别 1 使用地点的不同 水力压裂是在地面或顺槽施工的，而水力压挤是在采掘工作面内施工的； 2 使用方法的不同 水力压裂是以在煤层形成着干条压裂长缝，为进一步实施瓦斯抽采，提高抽 采率提供支持，需要辅助的抽采设施。而水力压挤是以将封孔段煤体向采掘空间 产生一定程度的位移，加快煤体瓦斯释放，降低采掘工作面瓦斯浓度峰值为主要 目的，不再利用注水孔实施进一步的抽采； 3 注入液体的不同 水力破裂注水时需要添加支撑剂，而水力压挤只采用乳化液或清水注入； 4 注液设备的不同 水力压裂施工工艺复杂，需要专用大型设备，而水力压挤施工工艺较简单， 使用常用采掘工作面的注水设备即可。 1 3 3水力压挤与水力挤出的区别 1 水力挤出技术存在的问题【2 4 1 水力压挤主要是在借鉴了水力挤出的基本思想的基础上提出来的，虽然水力 挤出技术在一些试验矿井的煤巷快速掘进消除煤与瓦斯突出方面取得了一定的效 果，但实践证明，水力挤出技术在使用中仍然存在以下问题： 1 ) 水力挤出的封孔深度5 - - - 6 m ，基本上是处于掘进工作面前方煤体的应力集 中带中，加上水力挤出的注水压力较高( 1 5 2 0 m p a ) ，这对于以地质构造应力为 主导因素引发突出的情况来说，在近工作面煤体内施以如此高的注水压力，对煤 体的平衡状态产生的扰动较大，容易诱发煤体发生压出。而且，封孔深度越大， 挤出煤体需要的注水压力也越大。如果注水压力的增大值超过封孔深度增大附加 的抵抗力时，煤体原有的力学平衡将会打破，诱发煤的压出。 2 ) 由于巷道两帮煤体的支承作用，掘进工作面一次松动和挤出5 , - - 6 m 范围的 煤对顶板稳定性的影响可能不会太大，但对采煤工作面来说，对近工作面煤体松 8 第1 章绪论 动的范围过大，必然造成顶板管理的困难，容易发生采煤工作面冒顶事故。同时， 煤壁大面积、大幅度的外移，造成煤炭在采煤机溜槽内大量堆积( 对机采工作面) ， 给采煤机的正常运行造成困难。或堵塞工作空间，推倒支柱( 对炮采工作面) ，影 响工作面j 下常生产。 3 ) 过深的封孔还将导致煤体被挤出后封孔器被埋住拔不出来，煤体压埋封孔 器和注水高压软管的问题不好解决。 4 ) 目前手持式钻机功率和排渣等问题的限制，注水孔的可钻深度也受到限 制。在一定的钻孔深度下，封孔深度越大，封孔器末端至孔底的充水段长度也就 越短，注水湿润煤体的深度也就越小，影响降尘效果。 2 水压压挤与水力挤出的区别 1 ) 使用目的上的不同： 水力挤出以将应力集中区向深部转移，实现消突为主要目的；而水力压挤是 使煤壁产生一定的松动和位移，增大煤体渗透性排挤瓦斯，均化采掘工作面的瓦 斯涌出，降低采掘工作面落煤时的瓦斯浓度峰值为主要目的。 2 ) 技术参数上的不同： 水力挤出的注水压力一般高于1 5 m p a ，封孔深度通常不小于5 m ；而水力压 挤的注水压力一般要为6 1 2 m p a ，封孔深度一般为2 5 3 5 m 。由于两者封孔深度 的不同，表现为所需的最低致裂水压也相差较大。 水力压挤技术的封孔长度较短，注水孔的有效渗水面积较大，对煤体湿润范 围大，降尘效果比水力挤出好；所需注水压力较小，一次挤出的煤量和瓦斯释放 量较小，不容易引起挤出过程中的瓦斯超限，不易诱导煤与瓦斯突出，工作面冒 顶和压埋封孔器的问题也不易出现。 1 4 本文主要研究内容与方法 本论文研究的总体思路是：以理论研究为指导，以现场试验和数值模拟研究 为手段，通过分析现场试验测定数据，并借助数值模拟结果，得出适合采煤工作 面水力压挤的合理技术参数及效果验证评价方法。具体研究内容如下： 1 通过对煤层注水、水力压裂、水力挤出的研究分析，提出水力压挤的技术 原理，通过理论分析高压注水对煤体的破坏过程及高压水对煤体瓦斯解吸规律影 响的实验分析，阐述水力压挤防治瓦斯和煤尘的机理。 2 分析和研究注水孔深度、孔间距、封孔长度、孔深、注水压力、注水流量 和注水时问等这些关键技术参数对防治瓦斯和粉尘效果的影响，并采用数量化理 9 安徽理t 大学硕十论文 论和正交试验方法得出祁南矿水力压挤措施注水参数的最佳组合，为水力压挤系 统设计提供依据。 3 结合淮北矿业集团祁南矿的实际情况，收集和测定与水力压挤有关的基础 参数，运用煤体破裂过程渗流应力一损伤耦合模型，借助f - r f p a 2 d 软件模拟水力 压挤过程中煤体的应力场、声发射场、位移场的变化情况。 4 通过现场工业性试验，考察采煤工作面水力压挤技术的实施效果，包括注 水过程中工作面前方煤体位移情况、挤排瓦斯效果、消突效果和降尘效果等。 1 5 论文课题来源 本论文依托以下主要相关科研项目完成： 1 安徽省科技攻关计划重大项目：高瓦斯矿井采煤工作面水力压挤综合防治 瓦斯矿尘技术研究，项目编号0 7 0 1 0 3 0 1 0 2 1 。 2 安徽省教育厅自然科学研究项目：水力致裂增透提高煤层瓦斯预抽效果的 研究；项目编号2 0 0 6 k j 0 0 6 b 。 3 淮北市科技计划项目：水力致裂增透提高煤层瓦斯预抽效果的试验研究， 项目编号0 6 0 1 。 1 0 第2 章水力压挤技术理论分析 2 水力压挤技术理论分析 2 1 煤体受压破坏机理 煤在压应力作用下所产生的变形由两部分组成，第一部分是煤材料实体受力 产生的形状和体积的变化，称之为材料实体变形，它与应力成正比；第二部分是 煤体内部裂隙在压应力作用下的逐渐闭合所引起的变形。在应力不超过某一极限 的情况下，外力除去以后，煤的材料实体的变形可以即刻消失，但裂隙的受压闭 合则仅能恢复一部分，保留一定的残余变形。当应力超过煤体的极限应力时，煤 体将发生塑性变形，外力除去以后，煤的材料实体变形和裂隙的受压闭合都不能 完全恢复原形。 为了认识煤的强度和变形，前人对煤进行了大量研究2 5 1 。h o b b s 研究了三轴压 缩状态下煤的应力一应变特征：e v a n s 和p o m e r o y 等研究了煤的压缩强度；刘宝深等 利用刚性加载系统和扫描电子显微镜进行了煤的力学实验。其实验结果说明，煤 的内部存在大量的天然裂隙，在压力作用下裂隙沿长度方向发展并且在应力达到 一定值后产生新的裂隙。煤的变形呈非线性，包括大部分可逆变形及小部分不可 逆变形，变形过程由四个阶段组成t 2 6 1 。 1 ) 弹性及压密阶段 应力埴变曲线呈上凹状，变形模量随应力的增加而增加。在原有裂隙的两端 产生应力集中，致使局部煤材料破坏，裂隙沿长度方向发展。与此同时，煤材料 本身也发生一定的变形。当应力除去之后，煤材料的变形立即完全恢复。但被压 闭合的裂隙不能完全恢复原状，因而留下一部分残余变形。应力水平越高，残余 变形越大。 2 ) 线弹性阶段 应力埴变呈直线关系，原有裂隙继续发展并产生新的裂隙。煤的变形主要是 煤材料实体的变形，卸压后有残余变形。 3 ) 脆性破坏阶段 当仃仃0 9 4 时，煤发生细微声响，表面出现肉眼可见的纵向裂缝，有细小 煤渣从试样上脱落，但应力应变仍保持直线关系。在应力达到强度极限时，煤样 突然产生大量纵向裂缝，承载能力急剧下降。应力盯称为破裂不稳定发展的起始 点或峰值应力。 4 ) 破裂发展阶段 安徽理l ：人学硕十论文 过峰值应力仃。以后，随应变增大而应力下降，变形模量为负值。在破坏过程 中发生声发射、振动及煤块抛掷现象。在现场，此类现象称为煤爆。 这个结果和x o a o v ( 1 9 6 1 ) 所作的实验结果( 岩石破坏实验) 非常相似，这说明煤 体的应力埴变曲线与普通岩石并没有本质上的差别，完全可以借用岩石断裂破坏 的研究成果阐述煤的断裂破坏过程。 2 2 水力压挤过程中煤的破坏过程 水力压挤过程中煤的破坏过程与上面所说的煤体单轴受压破坏过程是不相同 的【2 7 1 。高压水对煤层的结构破坏过程不同于实验室里单轴压缩条件下的破坏过程。 单轴压缩作用下煤的破坏是煤体在外力作用下的破坏，煤在受压下的破坏是压剪 破坏；而水力压挤措施中煤的破坏是借助高压水在钻孔周围张拉产生裂缝，流体 水支撑裂缝，使裂缝尖端继续张裂、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割。这 种分割过程一方面通过弱面的张开和扩展增加裂隙等弱面的空间体积，另一方面 通过裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之问的连通，从而形成一个相互交织的多裂隙 连通网络。正是由于这种裂隙连通网路的形成，致使煤层的渗透率大大提高2 8 1 。 进一步注水，克服煤体层间摩擦力，压挤煤体向工作面自由端方向移动。 水力压挤措施过程中压力水对煤体的破坏过程大体分为以下几个阶段：低压 注水渗流阶段；高压注水起裂阶段；继续高压注水，裂纹扩展阶段；最后，煤体 被挤出阶段，措施结束。 2 2 1 低压渗流阶段 水力压挤措施在刚开始注水时，要维持一定时间的低压注水，这一阶段为低 压渗流阶段。在此阶段，煤体内的水以渗流为主，保持渗流工作状态的一个特点 是压力水的最大压力不应超过某一极限值。 这一阶段水在煤体裂缝中的渗流符合达西定律： q = 乙弓 ( 2 - 1 ) 式中： r 注水量，l m i n ； p 一注水压力，m p a ； t 。一渗流系数，m d 。 随着低压注水的时问推移，煤体的力学性质发生改变，煤体的破坏由脆性向 塑性转化，降低了煤体的突出危险性，扩大了注水参数选择的空问，提高了水力 第2 章水力压挤技术理论分析 压挤措施的安全系数，也有利于下一步中、高压注水时破裂煤体直至位移的产生。 2 2 2 高压注水起裂阶段 在实施水力压挤措施的试验中，选 取注水孔附近很小的一个j 下方体作为 研究对象，采用的钻孔处于被测煤体区 域应力场中。沿垂直方向建立力学模型 如图2 所示。以钻孔为中心，孔内受到 水压户的连续作用，而钻孔外部远场受 到地应力场的作用。假设煤体上部受上 覆应力仉，煤体左右受侧向应力1 9 ，、1 7 ， ( 仉 o r ，= 仃，) ，工作面自由端不受力。图2 孔口开裂力学模氆 三三主三二三：仁二訇二季二妻三二三：仁二喜i 曼s 2 口 c 2 2 ，= 丢c q 叫+ 升等一三c q 训i + 等i c o s 2 臼i 1 3 安徽理一i ：人学硕十论文 在r = r 的孔壁处，有 o r = ：p o - 0 ( q + o - 2 一尸) 一2 ( q c r 2 ) c o s 2 0 ( 2 3 ) i - 一， 【= ( q + 一尸) 一2 ( q 一 当o = 0 时，e r e 有最小值( 压应力为正，拉应力为负) ，即 o - , 卵 ( 2 4 ) 【o - e l n i n = 3 0 2 一q p 从上式中，可以得到如下结论： ( 1 ) 若p 3 c r = 一o r , ，则钻孔表面的上下两端首先出现拉应力，径向拉伸成为可 能。这就是内压引起的钻孔水力破坏的最简单情况。 ( 2 ) 若p = 0 ，3 0 - 2 o - t 时，则钻孔壁围岩任何点处无拉应力。由于吧0 4 3 0 - 。， 所以在没有注水时3 仉 o - ! 永远成立。根据无拉力准则，煤( 岩) 内只要出现拉应 力，就会遭到破坏。这与现实是相符的。 当孔壁发生破裂时，则： c r 瓦”“e t z - a ) l o p = 3 0 2 一q + 瓦 ( 2 - 6 ) 当煤( 岩) 体内存在孔隙水压力只时，那么 尸= 3 0 2 一0 5 + 瓦+ 昂 ( 2 7 ) 将式中各参数代换，得到： p = 0 2 9 0 l + 瓦+ 昂 ( 2 8 ) 此时，考虑到管路损失p ，煤体的起始开裂压力应为： p = 0 2 9 0 i + 瓦+ 昂+ 尼 ( 2 - 9 ) 当0 = 0 ，万时的钻孔周围上下两端出现应力最小值，也就是拉应力最大值：在 口= 万2 ，3 万2 时的钻孔周围左右两端出现应力最大值，也就是压应力最大值。但 由于煤体抗拉强度远远小于抗压强度【3 0 1 ， 两端最先丌裂。此时，压力水进入裂隙， 裂缝。 煤体只会在最薄弱的地方，也就是上下 由于尖端效应，压力水能够进一步劈开 实际情况中，由于煤体是孔隙和裂隙非常发育的二重介质，因此，在水力压 挤措施中打的钻孔可能正好通过很多或至少一个裂隙。注水时压力水就会首先进 入裂隙，随之充满裂隙，形成楔形。于是在裂隙尖端就会产生应力集中，形成尖 端效应。 进一步提高压力，裂缝会在压密上下煤体的同时慢慢向前扩展，这样就会出 现压力值在某个数值左右波动，压力继续升高，随着注水量的增加，在尖端处煤 第2 章水力压挤技术理论分析 体就会被劈开，形成大的裂隙，此时压力值会下降。 2 2 3裂缝扩展及煤体被挤出阶段 裂缝产生后，进一步注水，同样发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程。依 此规律反复发展下去，直至进入煤层中的微裂隙，达到对煤层的逐级分割作用。 此时，水力压挤措施裂缝的扩展可能有以下两种形式：( 1 ) 当裂缝扩展一定距离之 后，是否仍将保持起裂时的原有方向继续延伸；( 2 ) 裂缝扩展一定程度后，为何有 时会在工作面自由端产生裂缝，有时煤体会被挤出 2 7 1 3 0 1 1 3 1 1 1 3 2 j 【3 3 1 。 1 裂纹的扩展准则 在断裂力学中，对于穿透性平面裂纹体，按其裂纹的位嚣与应力的方向间的 关系，裂纹的扩展有三种类型，分别称为i 型一张丌型裂纹、i i 型一滑丌型裂纹( 或 滑移型) 、i i i 型一撕开型裂纹，如图3 所示。 i 型一张开型裂纹，所施加的正应力垂直于裂纹面。裂纹尖端张开，且裂纹的 扩展方向垂直与应力方向。由于煤( 岩) 体的抗拉强度都比较低，因此，这是工 程上最常见、最危险的裂纹扩展形式。 图3 裂纹扩展的三种形式 f i 宙t h r e et y p e so fc r a c kd e v e l o p m e n t i i 型一滑开型裂纹，即裂纹在平行与裂纹面垂直裂纹前缘线的剪应力的作用 下，使裂纹的上下两表面产生滑移扩展。这种裂纹扩展方式需要克服的是煤层之 间的凝聚力和摩擦力。 i 型一撕开型裂纹，即裂纹在平行于裂纹面又平行于裂纹前缘线的剪应力的 作用下，可使裂纹的上下两表面错丌，裂纹沿原方向向前扩展。 2 裂纹的扩展方向 裂缝在煤体中传播，始终沿着最小阻抗的路径扩展，即裂续在延伸过程中裂 缝面始终垂直于最小主应力的方向，这已经为大量的实验与现场试验所证实【3 0 l 。 1 5 安徽理一i ：人学硕十论文 如图4 所示，在钻孔的封孔段内，由于 应力集中的影响，裂纹的起裂方向是垂 直于水平最小主应力的。由于垂直主应 力远大于水平侧向应力，在孔壁上起裂 的垂直裂缝扩展后会转变为水平裂缝 【2 们。此时，会出现下面三种情况： 1 ) 当工作面煤体结构大致相同 时，如果裂缝扩展过程中没有较大的阻 力，随着注水量的增加，裂缝会一直延 伸到工作面自由端，在工作面自由端形 图4 煤体内稳定开裂力学模型图 f i 酗c m p ho f c r a c kd e v e l o p m e n t 成大的裂缝，煤层透气性增大，从而使得煤层中的游离瓦斯得到大量的释放，注 水过程中瓦斯涌出量增加，均衡了工作面的瓦斯涌出。 2 ) 当工作面煤体结构大致相同，但由于工作面煤体和顶底板的粘结力小于煤 层之间粘结力，裂缝扩展的同时，会在顶底板产生离层现象，煤体整体向工作面 方向移动，从而发生煤壁片帮和挤出现象，煤层透气性增大，从而使得煤层中的 游离瓦斯得到大量的释放，注水过程中瓦斯涌出量增加，均衡了工作面的瓦斯涌 出。 3 ) 当工作面煤体中央杂有其他杂物，或有软分层等时，随着注水量的增加， 注水压力维持不变或下降，煤体克服层间摩擦力和凝聚力被水平方向的应力挤压 产生离层现象，煤层中出现滑开型裂纹，直至部分煤体向工作面推移，形成鼓包 现象，煤层透气性增大，煤层中的游离瓦斯得到大量的释放，注水过程中瓦斯涌 出量增加，均衡了工作面的瓦斯涌出。 3 裂缝失稳扩展所需的压力 水力压挤措施裂缝失稳扩展所需压力可以借鉴水力压裂措施中裂缝扩展所需 压力。根据线弹性断裂力学的理论，对水力压挤裂纹的扩展规律做如下讨论f 3 0 】： 一般情况下，可将垂直裂缝看作是无限长大平板中的一条高度为2 l 的i 型穿透性裂 纹，裂纹内承受有很高的压力p ，在与裂纹面相垂直的方向上最用着最小的水平 侧向应力0 7 。 线弹性断裂力学研究表明，裂纹尖端附件的应力场与应变场正比于裂纹端部 的“应力强度因子”足，当k ，达到临界值k 盯时，则裂纹发生失稳扩展。k 酊是 个材料常数，又称断裂韧性，其值可由实验确剧3 0 1 1 3 4 】，参考岩石的断裂韧性如 下： 1 6 第2 章水力压挤技术理论分析 坼愚 式中： ( 2 1 0 ) e 一弹性模量，m p a ； u 一泊松比； 7 一比表面能，山。 根