夏永学冲击地压煤层水力扩孔掏槽防冲试验研究

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013022-1夏永学，鞠文君，苏士杰，等.冲击地压煤层水力扩孔掏槽防冲试验研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013022.XIAYongxue，JUWenjun，SUShijie，etal.Experimentalstudyonhydraulicreamingofguttersincoalseamwithimpactpressure[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013022.冲击地压煤层水力扩孔掏槽防冲试验研究夏永学1,2，鞠文君1,2，苏士杰3，陆齐1,2，丁国利3，苏波1,2，陈志杰1,2(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京100013；3.中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿，内蒙古鄂尔多斯017000)摘要：分析了煤层水力扩孔掏槽的防冲机理，研究表明水射流作用在煤岩体表面的内应力与射流压力和喷嘴的直径有关，高压水通过极小射流孔后可形成强大动能对煤岩体表面形成冲击破坏。采用旋转射流器持续冲击煤岩钻孔表面，促使孔壁破坏深度不断增加，同时利用水射流将切割下来的煤渣带出孔外，可使应力集中区内形成体积远大于原卸压孔的巨型空洞，为矿山压力释放提供足够的卸压空间。开发了扩槽孔和排渣孔分离的双孔布置掏槽技术，有效地解决了排渣、卡钻问题，通过对现场3个测点的试验研究表明，掏槽后的空洞大小可达到150mm钻孔的45～60倍，其有效卸压半径能达到4m以上。该技术可显著降低巷道冲击致灾隐患。关键词：冲击地压；水射流；煤层卸压；扩孔掏槽；防冲机理；试验研究中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3022-08ExperimentalstudyonhydraulicreamingofguttersincoalseamwithimpactpressureXIAYongxue，JUWenjun，SUShijie，LUQi，DINGGuoli，SUBo，CHENZhijie(1.CoalMiningandDesigningDepartment，TiandiScience&TechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China；2.MiningDesignResearchBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China；3.HulusuCoalMine，ZhongtianHechuangEnergyCo.，Ltd.，Erdos017000，China)Abstract：Theanti-shockmechanismofthehydraulicreaminggrooveinthecoalseamwasanalyzed.Itshowsthattheinternalstressofthewaterjetonthesurfaceofthecoalrockwasrelatedtothejetpressureandthediameterofthenozzle.Thehighpressurewatercanformastrongkineticenergytothecoalandrockmassafterpassingthroughthesmalljetorifice.Theimpactofthesurfaceformationwasdestroyed.Therotaryjetwasusedtocontinuouslyimpacttheboreholesurfaceofthecoalrock，andthedepthoftheholewalliscontinuouslyincreased.Atthesametime，thecutcoalcinderwastakenoutoftheholebythewaterjet，sothatthestressconcentrationzonewasformeddozensorevenhundredsoftimes.Thegiantcavityofthepressureholeprovidedsufficientpressurereliefspaceforminepressurerelease.Inthispaper，thedouble-holearrangementgroove-groovetechnologyfortheseparationoftheslottedholeandtheslag-dischargingholewasdeveloped，whichcouldeffectivelysolvetheproblemofslaggingandstuckdrilling.Theexperimentalstudyofthreemeasuringpointsonthesiteshowedthatthesizeofthecavityafterthegroovecanreach45-60timesof150mmdrillhole，itseffectivepressurereliefradiuscanreachmorethan4m.收稿日期：2019-05-28修回日期：2019-07-01责任编辑：李青基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804204)；天地科技股份有限公司重点研发资助项目(2018-TD-ZD007)作者简介：夏永学(1980—)，男，湖南临武人，研究员，博士。E-mail：[e-mail]夏永学等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013022013022-2Keywords：rockburst；waterjet；coalseampressurerelief；reaminggroove；anti-crushmechanism；experimentalstudy受自重应力、构造应力和采动应力叠加的影响，巷道周边煤体存在静应力集中区，这是产生冲击地压等煤岩动力灾害的根本原因。采用煤层卸压能够降低高应力区的集中程度，同时使应力峰值远离巷道，能够减缓或避免冲击地压灾害的发生。目前煤层卸压的主要方法有煤层爆破、钻孔卸压、煤层注水等，其中钻孔卸压是最常规的技术手段，其原理是通过高应力区内钻孔的变形、塌孔释放一部分应力，达到降低冲击危险性的目的。但是受孔径的限制，其卸压范围较小且应力短时间内容易重新恢复，因此需要2次甚至多次卸压，不仅工程量大，而且破坏巷道支护，降低了巷道抗冲击能力。水力扩孔掏槽通过高压旋转水射流的切割作用，使钻孔内形成大于钻孔直径的人造空洞，使卸压空间更大。该技术在煤层底板穿层钻孔瓦斯增透中已有应用，对提高瓦斯抽采率，降低瓦斯突出危险具有积极意义。对于冲击地压防治来说，也可以采用水射流技术对煤层大直径钻孔进行掏槽卸压，使煤层高应力核区形成数十倍甚至上百倍的巨型人造空洞，不仅大大降低钻孔施工密度，减小防冲成本和对支护的损伤，而且有望从根本上显著降低冲击危险，实现冲击地压源头治理。但是煤层底板穿层钻孔水射流时，钻孔倾角大，岩石孔不易塌孔，排渣难度小，但在本煤层中进行煤层钻孔水射流掏槽，钻孔排渣困难，难以顺利完成扩孔。为此，本文研究了一种新的煤层卸压防冲方法，通过采用专用排渣孔，有效地解决了排渣难的问题，通过现场试验，取得良好效果，研究成果有望成为一种高效实用的防冲新技术。1水射流机理及工艺1.1水切割机理分析射流水与物体表面的相互作用过程如图1所示(图中，v为水射流速度，m/s；c为水中声速，m/s)。水射流接触到表面时，速度发生了变化，从而导致水内部压力及接触点材料内部应力场均发生突变，在液-固接触面上存在一个极高的压应力区域，其对材料破坏过程起着重要作用。当水的压力超过50MPa时，从喷嘴中流出的水即成超音速，如此高速的水射流作用在物体表面可以看成一个冲击过程，突然的冲击会引起速度突变，从而导致射流内压力剧增，形成水锤压力。在这样的速度和压力下，作用力迅速增加至脆性材料的临界水平，即可产生脆性变形破坏。vvvvcc图1水射流与物理表面相互作用过程Fig.１Waterjetinteractionwithphysicalsurface煤岩体为脆性材料，根据弹性理论，每一次高压水射流冲击煤岩体表面时，会在距冲击点一定距离的某一点上产生最大剪应力，此处即产生微观裂纹，反复冲击后，裂纹扩展至煤岩体表面，其动能可表示为22328kmvDvE(1)式中，m为水射流的质量，kg；v为水射流的速度，m/s；ρ为水射流的密度，kg/m；D为水射流的直径，m。假设水射流作用于材料表面，反射后速度大小不变，根据动量定理：22114(cos)(cos)DFtQvvt(2)21(cos)Pv(3)式中，F为水射流的总打击力，N；Q为水射流的体积流量，m/s；t为一次冲击作用时间，s；P为水射流压力，MPa；β为水射流方向变化的角度(图2)，(°)。从式(3)可以看出，当β=180时，水射流完全反射，总打击力F达到最大，此时，ρ=2ρv则2162kPDPE(4)水射流作用在煤岩体内的平均应力为夏永学等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013022013022-3mPDL(5)式中，L为水射流穿入煤岩体的深度，m；mDL为水射流与煤岩体的接触面积，m。mPLD(6)因此可得：2kmPEPLD(7)由式(4)，(7)可得：23162PD(8)可见，水射流作用在煤岩体的内应力与射流压力和喷嘴的直径有关，高压水通过极小射流孔后能对煤岩体表面形成强大的冲击作用，并将其能量传递给物体。这种内应力足够克服微粒间结合的分子作用力，造成一定深度范围内的煤岩体破坏。则煤层水力扩孔掏槽的机理为：采用旋转射流器不断地冲击煤岩钻孔表面，能够使孔壁破坏深度不断增加，通过缓慢后退钻杆，最终实现扩孔的目的。1.2射流工艺煤层钻孔施工完成后，采用水射流切割技术对孔内高应力集中区进行扩孔掏槽。即利用高压泵将水进行加压，可达到50～100MPa甚至更高压力，水获得压力能，通过高压胶管、高压密封钻杆将高压水输送至孔内射流器，从射流器中特制的细小喷嘴喷射而出，将压力能转换为动能，从而形成高速水射流，由钻机带动高压密封钻杆边旋转边缓慢后退，利用高速水射流的动能实现对孔壁的持续冲击破坏，并利用水射流将切割下来的煤渣带出孔外，使孔内形成数十倍甚至上百倍于原卸压孔的巨型空洞(图3)。通过空洞的坍塌变形释放矿山压力，使巷道近场围岩处于低应力区，显著降低巷道冲击致灾隐患，同时减小巷道变形尤其是底臌对正常生产的影响。51020253035侧向应力/MPa0123456789101112131415卸压前的侧向应力卸压后的侧向应力AB巷道1人造空洞封孔段高应力区1640距巷帮距离/m图3煤层扩孔掏槽对侧向应力分布影响示意Fig.3Schematicdiagramoftheinfluenceofcoalseamreaminggrooveonlateralstressdistribution水力扩孔掏槽主要包括2个环节：一是水力扩孔；二是水力排渣。扩孔的宽度和效率取决于压力和流量，选用大流量超高压泵完全可以满足工程要求。但是现场试验表明，在高应力巷道煤层钻孔内进行射流时常常出现塌孔、大块煤堵孔问题，极易造成排渣困难，甚至出现钻杆卡死现象，处理难度极大。为了实现顺利扩孔，笔者创新性地提出采用扩槽孔和排渣孔分离的双孔布置方式来解决扩孔过程中出现的排渣困难及卡死钻杆问题，