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【摘 要】以郑州矿区松软突出煤层为研究对象，研究底抽巷水力割缝钻进施工工艺对煤层扰动及瓦斯抽采效果的影响。采用物理建模及数值模拟的方法分别建立其松软突出煤层的力学模型、评价割缝扰动引起的煤层应力分布，通过工业试验进一步对比分析割缝钻孔瓦斯抽采的效果。研究表明，通过水力割缝可以显著扰动钻孔周边煤体，增大钻孔周围卸压区面积，割缝之间卸压区域呈现倒“S”型区域；现场测试数据表明，相比于传统钻进工艺，预抽90天割缝钻孔的瓦斯浓度提升45.7%，同时瓦斯浓度衰减现象得以改善。
【关键词】瓦斯抽采；水力割缝；松软突出煤层；扰动
stract：Taking the soft and outburst coal seam in Zhengzhou mining area as subject，influences of hydraulic slotting-drilling technology on disturbances of seam were studied.A mechanical model of soft outburst coal seam was developed by physical modeling and numerical simulation respectively，and the stress distribution of coal seam caused by slot disturbance was evaluated.What’s more，the effect of gas drainage in slotted-holes was further analyzed by industrial tests.The research shows that hydraulic slotting could disturb the coal around the borehole significantly，increasing the area of pressure relief around the borehole，and the more the number of slots，the more the borehole pressure relief is sufficient.And，compared with traditional drilling technology，the gas concentration of the slotted borehole increase by 45.7%.Besides，attenuation phenomenon has been improved.
Keyword：gas drainage；hydraulic slotting；soft and outburst coal seam；disturbance
引言
瓦斯抽采是治理松軟突出煤层的重要技术手段。由于松软突出煤层瓦斯含量大，压力高，直接对松软突出煤层施工顺层钻进工艺时容易面临卡钻、抱钻、煤炮、喷孔等动力现象[1-2]。而对煤层施工底抽巷钻孔可以有效解决上述工程问题[3-5]。针对郑州矿区松软突出煤层厚度大，构造复杂，煤体吸附性强的特点[6]，采用常规工艺进行底抽巷瓦斯抽采钻孔钻进无法保障高效抽采瓦斯，造成采掘接替紧张，增大企业成本投入。
为此，在郑州煤炭工业集团超化煤矿引入了底抽巷水力割缝技术，以期进行高效的煤层瓦斯抽采。笔者采用物理建模及数值模拟的方法分别建立其松软突出煤层的力学模型、评价割缝扰动引起的煤层应力分布，通过工业试验进一步对比分析割缝钻孔瓦斯抽采的效果，研究结果可为同类型矿井提供一定的技术引导。
1 基本理论及建模
1.1.基本假设
1）将煤层及其顶、底板岩体看作是连续的理想弹塑性介质；
2）煤层及其顶、底板岩体失稳破坏服从理想Mohr-Coulumb屈服准则[7]：
为了提高计算速度，取煤层底板厚度15m，煤层厚度30m，底板厚度20m。割缝半径根据钻进过程中的卸煤量进行计算，模拟中取1.5m。钻孔倾角75°，割缝垂直于钻孔轴线，割缝宽度取0.2m，共割缝18刀，缝间距0.75m。边界条件可叙述为：上部施加地应力8MPa，左右边界固定水平方向位移为0，底部边界为固定位移边界。煤岩体的物理力学参数见表1.
1.3.水力割缝煤层应力扰动分析
图2所示为实施水力割缝后煤层的应力分布图。可以看出，实施水力割缝可以使钻孔周围煤体得到显著卸压，其卸压范围分布在缝的附近，呈倒“S”型。在两个缝之间，煤体压力为0.15MPa-5MPa之间，卸压程度37.5%-98.1%.但是，在缝的两侧卸压效果并不明显，说明适当增大割缝半径或者降低割缝钻孔间距可以扩大煤层的卸压范围。
2.工业试验效果分析
在超化煤矿22采区51工作面底抽巷进行水力割缝试验，试验钻孔分别采用割缝工艺和传统钻进工艺，分别试验10个相间布置的钻孔。试验区域平均煤层厚度13m，原始瓦斯含量9.76m3/t，瓦斯压力8.74MPa。钻孔施工完毕后，进行联孔抽采，负压保持在13kPa-20kPa之间。
如图3所示为割缝孔与传统穿层孔平均抽采浓度对比图。可以看出，实施水力割缝的钻孔瓦斯抽采浓度要显著高于传统的穿层钻孔。在抽采第一天，割缝孔平均抽采浓度为66.3%，而传统的穿层孔平均浓度仅为43.6%，这表明割缝扰动所引起的卸压导致煤层透气性增大，促进煤体甲烷的解吸附进程。随着抽采持续，两种钻孔的平均浓度均发生衰减，但40天内传统穿层钻孔的瓦斯浓度便衰减至5%以下，而此时割缝孔浓度维持在30%以上，说明割缝扰动引起的钻孔周边煤体卸压可延缓瓦斯抽采浓度的衰减速度。抽采90天，相比传统穿层孔，割缝钻孔平均瓦斯抽采浓度提高45.7%.
3.结论
（1）通过水力割缝可以显著扰动钻孔周边煤体，增大钻孔周围卸压区面积，割缝之间卸压区域呈现倒“S”型区域，其卸压程度达37.5%-98.1%。
（2）现场测试数据表明，相比于传统钻进工艺，割缝孔抽采初期浓度显著提高。并且，预抽90天割缝钻孔的平均瓦斯浓度提升45.7%，同时瓦斯浓度衰减现象得以改善。
参考文献：
[1] 方俊，李泉新，许超，刘建林.松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术及发展趋势[J].煤炭科学技术，2018，46（05）：130-137+172
[2] 王志明，孙玉宁，王永龙，王振锋.瓦斯抽采钻孔动态漏气圈特性及漏气处置研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（05）：139-145.
[3] 张华.底抽巷施工穿层钻孔在玉溪煤矿的应用[J].资源信息与工程，2018，33（05）：70-71.
[4] 张跃铮，司青，武院院.底抽巷下覆煤层瓦斯治理技术研究及应用[J].煤，2018，27（09）：25-27.
[5] 谢飞杨，王雪，刘伟，周辉.底抽巷水力压裂增透试验研究[J].煤炭技术，2018，37（08）：134-136.
[6] 李晓泉.含瓦斯煤力学特性及煤与瓦斯延期突出机理研究[D].重庆大学，2010.
[7] 王志明，王永龙，刘春，夏同强.基于应变软化模型的抽采钻孔封孔段稳定性研究[J].煤矿安全，2016，47（04）：6-10.
（作者单位：郑州煤炭工业集团 超化煤矿）
【关键词】瓦斯抽采；水力割缝；松软突出煤层；扰动
stract：Taking the soft and outburst coal seam in Zhengzhou mining area as subject，influences of hydraulic slotting-drilling technology on disturbances of seam were studied.A mechanical model of soft outburst coal seam was developed by physical modeling and numerical simulation respectively，and the stress distribution of coal seam caused by slot disturbance was evaluated.What’s more，the effect of gas drainage in slotted-holes was further analyzed by industrial tests.The research shows that hydraulic slotting could disturb the coal around the borehole significantly，increasing the area of pressure relief around the borehole，and the more the number of slots，the more the borehole pressure relief is sufficient.And，compared with traditional drilling technology，the gas concentration of the slotted borehole increase by 45.7%.Besides，attenuation phenomenon has been improved.
Keyword：gas drainage；hydraulic slotting；soft and outburst coal seam；disturbance
引言
瓦斯抽采是治理松軟突出煤层的重要技术手段。由于松软突出煤层瓦斯含量大，压力高，直接对松软突出煤层施工顺层钻进工艺时容易面临卡钻、抱钻、煤炮、喷孔等动力现象[1-2]。而对煤层施工底抽巷钻孔可以有效解决上述工程问题[3-5]。针对郑州矿区松软突出煤层厚度大，构造复杂，煤体吸附性强的特点[6]，采用常规工艺进行底抽巷瓦斯抽采钻孔钻进无法保障高效抽采瓦斯，造成采掘接替紧张，增大企业成本投入。
为此，在郑州煤炭工业集团超化煤矿引入了底抽巷水力割缝技术，以期进行高效的煤层瓦斯抽采。笔者采用物理建模及数值模拟的方法分别建立其松软突出煤层的力学模型、评价割缝扰动引起的煤层应力分布，通过工业试验进一步对比分析割缝钻孔瓦斯抽采的效果，研究结果可为同类型矿井提供一定的技术引导。
1 基本理论及建模
1.1.基本假设
1）将煤层及其顶、底板岩体看作是连续的理想弹塑性介质；
2）煤层及其顶、底板岩体失稳破坏服从理想Mohr-Coulumb屈服准则[7]：
为了提高计算速度，取煤层底板厚度15m，煤层厚度30m，底板厚度20m。割缝半径根据钻进过程中的卸煤量进行计算，模拟中取1.5m。钻孔倾角75°，割缝垂直于钻孔轴线，割缝宽度取0.2m，共割缝18刀，缝间距0.75m。边界条件可叙述为：上部施加地应力8MPa，左右边界固定水平方向位移为0，底部边界为固定位移边界。煤岩体的物理力学参数见表1.
1.3.水力割缝煤层应力扰动分析
图2所示为实施水力割缝后煤层的应力分布图。可以看出，实施水力割缝可以使钻孔周围煤体得到显著卸压，其卸压范围分布在缝的附近，呈倒“S”型。在两个缝之间，煤体压力为0.15MPa-5MPa之间，卸压程度37.5%-98.1%.但是，在缝的两侧卸压效果并不明显，说明适当增大割缝半径或者降低割缝钻孔间距可以扩大煤层的卸压范围。
2.工业试验效果分析
在超化煤矿22采区51工作面底抽巷进行水力割缝试验，试验钻孔分别采用割缝工艺和传统钻进工艺，分别试验10个相间布置的钻孔。试验区域平均煤层厚度13m，原始瓦斯含量9.76m3/t，瓦斯压力8.74MPa。钻孔施工完毕后，进行联孔抽采，负压保持在13kPa-20kPa之间。
如图3所示为割缝孔与传统穿层孔平均抽采浓度对比图。可以看出，实施水力割缝的钻孔瓦斯抽采浓度要显著高于传统的穿层钻孔。在抽采第一天，割缝孔平均抽采浓度为66.3%，而传统的穿层孔平均浓度仅为43.6%，这表明割缝扰动所引起的卸压导致煤层透气性增大，促进煤体甲烷的解吸附进程。随着抽采持续，两种钻孔的平均浓度均发生衰减，但40天内传统穿层钻孔的瓦斯浓度便衰减至5%以下，而此时割缝孔浓度维持在30%以上，说明割缝扰动引起的钻孔周边煤体卸压可延缓瓦斯抽采浓度的衰减速度。抽采90天，相比传统穿层孔，割缝钻孔平均瓦斯抽采浓度提高45.7%.
3.结论
（1）通过水力割缝可以显著扰动钻孔周边煤体，增大钻孔周围卸压区面积，割缝之间卸压区域呈现倒“S”型区域，其卸压程度达37.5%-98.1%。
（2）现场测试数据表明，相比于传统钻进工艺，割缝孔抽采初期浓度显著提高。并且，预抽90天割缝钻孔的平均瓦斯浓度提升45.7%，同时瓦斯浓度衰减现象得以改善。
参考文献：
[1] 方俊，李泉新，许超，刘建林.松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术及发展趋势[J].煤炭科学技术，2018，46（05）：130-137+172
[2] 王志明，孙玉宁，王永龙，王振锋.瓦斯抽采钻孔动态漏气圈特性及漏气处置研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（05）：139-145.
[3] 张华.底抽巷施工穿层钻孔在玉溪煤矿的应用[J].资源信息与工程，2018，33（05）：70-71.
[4] 张跃铮，司青，武院院.底抽巷下覆煤层瓦斯治理技术研究及应用[J].煤，2018，27（09）：25-27.
[5] 谢飞杨，王雪，刘伟，周辉.底抽巷水力压裂增透试验研究[J].煤炭技术，2018，37（08）：134-136.
[6] 李晓泉.含瓦斯煤力学特性及煤与瓦斯延期突出机理研究[D].重庆大学，2010.
[7] 王志明，王永龙，刘春，夏同强.基于应变软化模型的抽采钻孔封孔段稳定性研究[J].煤矿安全，2016，47（04）：6-10.
（作者单位：郑州煤炭工业集团 超化煤矿）