水力冲孔对松软煤层回采巷道煤帮变形影响性研究_惠钰博.pdf

水力冲孔对松软煤层回采巷道煤帮变形影响性研究*惠钰博1，郑玉晶2，赵龙刚3，刘建康3，张盛1，邵林3，王帅宾3（1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作454000；2.河南煤业化工集团焦煤集团 九里山矿,河南 焦作454005；3.河南永锦能源有限公司 云盖山煤矿二矿，河南 禹州461670）摘要：采用水力冲孔技术在治理煤层瓦斯的同时，对回采巷道松软煤层的稳定性存在影响，分析了云盖山二矿23304工作面运输顺槽受水力冲孔抽采瓦斯过程中对煤帮变形的影响因素，采用FLAC数值模拟方法研究了冲孔造成孔洞和煤体受水湿润对煤巷围岩变形的影响规律。结果表明，水力冲孔形成的孔洞对煤巷周围有一定卸压作用，但同时会降低煤体强度，再加上煤体受浸水湿润，煤帮容易形成较大变形。巷帮煤体位移与冲煤量符合非线性正函数关系，与钻孔布置间距符合非线性负函数关系，对于煤层实施水力冲孔抽采瓦斯后煤巷变形及围岩控制有一定的参考价值。关键词：水力冲孔；松软煤层；煤帮变形；围岩控制中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 039 05Study on Influence of Hydraulic Flushing on Coal Side Deformation inMining Roadway of Soft Coal SeamHUI Yubo1,ZHENG Yujing2,ZHAO Longgang3,LIU Jiankang3,ZHANG Sheng1,SHAO Lin3,WANG Shuaibin3(1.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China；2.Jiulishan Mine,Henan Coal Chemical Industry Group Coking Coal Group,Jiaozuo 454005,China；3.No.2 Mine of Yungaishan CoalMine,Henan Yongjin Energy Co.,Ltd.,Yuzhou 461670,China)Abstract：It has influence on the stability of soft coal seam in mining roadway while treating coal seamgas with hydraulic flushingtechnology.The influencing factors of coal sidedeformation in the process ofhydraulic flushing gas extraction in 23304 working face in No.2 mine of Yungaishan coal mine wereanalyzed.FLAC numerical simulation method was used to study the influence of holes causedbyhydraulic flushing and coal wetting on surrounding rock deformation of coal roadway.The results showthat the hole formed by hydraulic flushing has a certain pressure relief effect around the coal roadway.However,when the coal strength is reduced and the coal is soaked and wet,the coal wall is easy toform large deformation.In addition,the displacement of roadway wall is in line with the non-linearpositive function relation with coal flushing quantity and the non-linear negative function relation withthe spacing of boreholes.It has a certain reference value for coal sidedeformationand surrounding rockcontrolafter hydraulic flushingin hole gas extraction in coal seams.Key words:hydraulic flushing;soft coal seam;coal sidedeformation;surrounding rock control第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0090引言随着煤矿开采深度和强度的增加，开采条件越来越复杂，煤与瓦斯突出灾害发生的频率也越来越高。水力冲孔可有效实现煤层卸压和增透，达到消除煤与瓦斯突出灾害危险的目的。然而，水力冲孔及其所形成的孔洞对煤层的卸压致裂作用，会造成煤体松软，在采掘应力、地应力和残余瓦斯压力作用下，煤巷软弱两帮相较顶底板更容易出现严重变形。国内外学者更加关注瓦斯抽采效果，对水力冲孔抽采瓦斯后煤巷变形影响方面研究相对较少。冯丹、宝坤、王俊铭、王恩元和王新新等研究穿层水力冲孔后孔洞周围煤体变形规律。郝富昌、张翔等研究了不同条件下有效抽采半径和有效抽采区域变化趋势。郑仰峰等分析了强弱耦合结构防治煤与瓦斯突出机理，提出了穿层注浆加固与水力冲孔强弱耦合防突方法。本文针对云盖山二矿突出煤层水力冲孔后对掘进煤巷稳定性影响这一具体问题，分析了煤巷围岩尤其是软弱煤帮变形受水力冲孔影响的因素，揭示了水力冲孔参数对软弱煤帮变形影响效果，对煤帮变形提出优化支护建议措施。研究结果将为相似条件煤层实施水力冲孔抽采瓦斯后煤巷变形及后续支护控制提供依据。1试验煤层状况河南永锦能源有限公司云盖山二矿主采二1煤层，属煤与瓦斯突出矿井。试验煤巷为23304运输顺*国家自然科学基金青年基金项目（52004081）39槽。煤层平均厚度5.14 m，倾角925，平均14，平均密度为1.4 t/m3，普氏硬度系数约为0.98，属软弱煤层。该煤层直接顶板为中粒砂岩，岩性坚硬，直接底板为炭质泥岩，岩性较软，属“两软一硬”煤层。23304工作面运输顺槽设计净宽净高=4.8 m3.5 m，沿煤层顶板布置，其埋深为500 m左右。具体地层综合柱状图如图1所示。图1工作面综合柱状图为实现23304工作面煤层安全高效开采，在开采之前，采取底抽巷打钻孔进行水力冲孔预抽瓦斯的方式消除煤与瓦斯突出危险。运输顺槽底抽巷穿层钻孔设计剖面示意图如图2（a）所示，底抽巷穿层钻孔布置示意图如图2（b）所示，呈三花孔布置，同排钻孔之间相距10 m，异排钻孔之间相距10 m。水力冲孔平均冲煤量为1.5 t/m。（a）底抽巷穿层钻孔设计剖面示意图（b）穿层水力冲孔钻孔布置示意图图2钻孔布置示意图（单位：m）1.煤层2.运输顺槽3.穿层钻孔4.底抽巷运输顺槽原锚网索联合支护，运输顺槽顶板岩性坚硬，煤帮和底板岩层软弱，围岩整体性差、强度低。水力冲孔抽采瓦斯后，在煤层中形成不规则孔洞，煤体松散破碎，抗变形能力减弱。煤巷掘进，顶底板变形量较小，煤帮在采掘扰动应力和孔洞周围应力综合作用下变形量大幅增加，两帮移近量达525 mm，锚杆锚固失效，支护工作困难。2水力冲孔影响煤帮变形的机理分析2.1孔洞形态确定水力冲孔煤体的产出及冲孔后形成孔洞的形态受重力、冲孔水的作用力和周围煤岩体及煤渣的摩擦力共同作用，引用Bergmark-Roos方程并加以改进，所得水力冲孔孔洞最大半径Rr=H(cos m+b-cos G)sin m1+b-cos G（1）其中，最大放矿角度m=arccoscos G-b+(b-cos G)2+84式中G拟合最大移动角，()；b拟合常数；H孔洞长度，m。根据式（1）绘制水力冲孔孔洞形态示意图如图3所示。表明水力冲孔孔洞为一个顶部略大于底部的近似椭球体。图3水力孔洞形态示意图2.2水力冲孔对煤巷变形影响因素分析（1）孔洞卸压水力冲孔之后，由于在高压水射流的冲击作用下，冲蚀破坏周围煤体，大量煤体被冲出，在煤层中形成大的孔洞，孔洞周围塑性区垂直应力降低，形成卸压区。孔洞周围煤体应力分布图如图4所示。煤层经水力冲孔后，在空间上将沿着孔洞径向方向发生大幅度位移和形变，产生剧烈塑性破坏，煤体松散破碎。预掘煤巷范围煤体受水力孔洞卸压作用，在煤巷掘进期间，煤体变形速度及变形量在一定程度上减小。（2）煤体强度弱化水力冲孔过程中，卸压范围内煤体塑性破坏，煤层裂隙扩张和发育，孔隙率和裂隙率增大。松软煤体内部的孔隙能够提供有效的储水空间，煤体内部含水率增加。随孔隙率的增大，煤体最高强度也线性降低，煤体抵抗变形能力减弱，在地应力和采掘扰动应水力冲孔对松软煤层回采巷道煤帮变形影响性研究惠钰博，等第42卷第02期Vol.42 No.022.537.655.571.608.785.620.699.785.620.105.494.50.346.105.01.154.132.2511.375.6204.59.511.75柱状累厚/m地层厚度/m岩石名称岩性细粒砂中粒砂岩二1煤炭质泥岩泥岩粉砂岩灰色，中厚层状，成分以石英为主，次为长石及岩屑，局部颗粒近似中粒砂岩，铁硅质胶结，具水平层理，局部显斜层理灰白色、灰色，中厚层状，成分以石英为主，次为长石，具水平层理，底部含菱铁质碎块及燧石碎块，有裂隙黑色，粉末状、质软，局部层间挤压，原生结构遭到破坏时、呈现构造煤特征褐黑色、黑色，薄层状或鳞片状，具滑面，局部夹煤线，层间偶见钙质薄膜质软灰、深灰色，块状，致密，含植物化石碎片深灰色，薄层状或板状，局部有细粒砂岩303010101234141#2#3#4#5#6#7#8#10510煤巷3030垂直方向RrH0.6HO水平方向40力的作用下引起煤巷变形量增大。图4孔洞周围煤体应力分布.破碎区.塑性区.应力集中区.原岩应力区.切向应力r.径向应力0.原岩应力3水力冲孔后掘进煤巷围岩应力和位移变化规律3.1数值模型建立建立FLAC3D数值计算模型如图5所示。图5数值模型建立（单位：m）为避免边界效应影响，建立模型尺寸XYZ=150 m10 m78 m。模型侧边与底部限制移动，上边界施加11.375 MPa垂直载荷以模拟埋深500 m时上覆岩层重量，取侧压系数为0.8，屈服准则选用Mohr-Coulomb准则。模拟煤巷断面宽高=4.8 m3.5 m，按图2中水力冲孔参数设计布置穿层钻孔。煤岩力学参数如表1所示。表1煤岩力学参数3.2水力冲孔孔洞对煤巷围岩影响（1）数值模拟方案设计设计3种不同方案下煤巷掘进对比实验。方案A：无孔洞的原始状态开挖煤巷；方案B：先进行水力冲孔，煤体物理力学强度未改变，进行煤巷掘进；方案C：先进行水力冲孔，弱化煤体物理力学强度，进行煤巷掘进。（2）结果分析煤巷围岩变形规律3种方案煤巷左右帮水平位移随着位置变化趋势图如图6所示。煤巷掘进后，方案A方案C左帮水平位移分别为127.21、84.33、154.72 mm；右帮水平位移分别为101.97、90.58、163.66 mm。对比分析可知，方案B掘进煤巷比方案A巷帮水平位移平均减小27.7 mm，减小24.17%；方案C的巷帮水平位移比方案A平均增加46.09 mm，增长40.22%，比方案B的巷帮水平位移平均增加73.79 mm，增长85.2%。（a）煤巷左帮水平位移（b）煤巷右帮水平位移图6煤巷两帮测线水平位移煤层