潘西煤矿低瓦斯煤层喷孔动力显现规律研究.pdf

第45卷 第3期 2019年3月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 3 Mar. 2019 分析研究t 令 _ 丨l丨_ ♦ - _ 丨l丨■令_ 丨1 丨■令丨丨- 令丨令 文章编号671-251X201903-0012-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17400 潘西煤矿低瓦斯煤层喷孔动力显现规律研究 聂凤祥1 ， 郭海峰3 1.中国矿业大学北京）资源与安全工程学院， 北 京 100083 2 9 矿业 公司，山 东 济 南 271100 2.Laiwu Wanxiang Mining Co. ,Ltd. ’ Jinan 271100, China; 3. School of Civil and Resource Engineering’ University of Science and Technology Beijing’ Beijing 100083, China 扫码移动阅读 Abstract In order to reveal dynamic appearance regularity of blow-out from drilling hole in deep low gas coal seam of Panxi Coal Mine’ field tests of gas content and mining stress were carried out in 6198 working face of Panxi Coal Mine’ and simulation analysis of stress distribution in front of 6198 working face was also done by use of FLAC3 D software. Distribution regularities of gas content and stress in the working face were studied’ and dynamic appearance mechanism of blow-out from drilling hole in low gas coal seam was analyzed. The study results show that gas content in 6198 working face is low in general’ and the greater mining depth is’ the higher gas content is. Affected by faults’ the maximum stress concentration factor in front of the working face is 1.36. Dynamic appearance of blow-out from drilling hole in low gas coal seam in 6198 working face of Panxi Coal Mine is a process of coal body crushing under 收稿日期 2019-01-22;修回日期 2019-02-16;责任编辑 李明。 基金项目 国家重点研发计划资助项目（ 2016YFC0801408。 作者筒介 聂凤祥（ 1965 ），男，山东新泰人， 高级工程师，博士研究生，研究方向为瓦斯灾害治理，E-mail niefx65 163. com。 引用格式 聂凤祥， 郭 海 峰 .潘 西 煤 矿 低 瓦 斯 煤 层 喷 孔 动 力 显 现 规 律 研 究 工 矿 自 动 化 ， 2019， 4532-17. NIE FengxiangGUO Haifeng. Research on dynamic appearance regularity of blow-out from drilling hole in low gas coal seam of Panxi Coal Mine[J]. Industry and Mine Automation，019，53 12-17. 2 0 1 9 年 第 3 期聂 凤 祥 等 潘 西 煤 矿 低 瓦 斯 煤 层 喷 孔 动 力 显 现 规 律 研 究 13 high stress and then spraying under gas pressure. Internal potential released by coal body and gas internal energy can provide energy for coal body to break and move. Compared with shallow coal seam, threshold of gas expansion energy decreases which causes dynamic appearance of blow-out from drilling hole in deep low gas coal seam. Keywords coal mining; deep mining; low gas coal seam； dynamic appearance; blow-out from drilling hole; low index; gas content; mining stress 〇 引言 随着国民经济的发展， 中国对能源的需求日益 增加， 煤炭开采深度以平均每年1025 m 的速度 递增， 煤岩动力灾害时有发生， 严重威胁矿井安全生 产 。目前， 中国开采深度超过1 000 m 的矿井达 7 座 ， 最大开采深度达1 500 m[1]。深部煤层赋存条 件复杂， 特别是高应力条件下， 煤岩流变性增强， 表 现出与浅部煤层不同的变形破坏特征， 煤岩动力灾 害机制发生变化， 致灾门槛降低， 无法应用浅部开采 的灾害判别方法。部分在浅部煤层尚未达到灾害发 生临界值的矿井， 进人深部开采后灾害频发， 对深部 开采矿井的安全生产造成重大威胁。深部开采条件 下 ， 煤岩动力灾害变得更加复杂， 预测和防治难度 更大[ 2 5 。 针对煤炭深部开采过程中低指标灾害的机制及 防治技术， 国内学者进行了大量研究。谢和平等； 认为深部岩石力学行为明显区别于浅部， 加之赋存 环境的复杂性， 致使深部开采中发生的灾害比浅部 更多， 强度更大， 致灾机理更加复杂。何满潮等[7D] 认为随着煤层埋深增大， 强度低的围岩塑性会增强含夹矸 1 3 层 ， 夹 矸 厚 度 为 0. 10〜1. 06 m,平均厚度为 0. 23 m,结构较复杂， 夹矸厚度由西向东逐渐变大。 煤层以暗煤为主， 镜煤和亮煤次之， 层理节理发育， 硬度小， 较松散， 断口呈参差状或贝壳状， 属半亮型 煤 。煤的普氏系数为0. 506〜0. 513。由于煤层应 力较大， 煤层在地应力作用下发生破坏， 导致钻孔变 形较大， 钻孔内煤体破坏后被瓦斯带出而发生喷孔 的风险大。矿井地质构造复杂， 工作面受断层影响 严重，煤体周围空间的地应力分布不均勻， 在断层附 成较大的 集中区。 1.2 喷孔动力显现 在潘西煤矿后六采区6198工作面进行瓦斯含 量测试过程中， 取样点钻孔排出大量煤粉， 期间一直 伴随卡钻、 吸钻等现象， 钻进速度缓慢， 严重影响施 工进 ， 发生 孔 ， 的 煤和煤 被瓦斯不断从钻孔深部带出， 但该区域实测瓦斯含 14 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 量仅 有 1. 88m3/t。 在 6198工作面运输巷与石门连接处进行瓦斯 压力测试时， 取样点在打钻过程中出现卡钻、 抱钻等 现象， 由于应力较大， 钻机轴部发生断裂， 导致井下 瓦斯解吸试验无法进行。 在一1100辅助运输巷进行瓦斯含量测试时， 取 样点在钻孔施工过程中出现卡钻、 顶钻等现象， 煤层 顶板频繁出现动力现象， 且声音较大。钻孔钻进速 度缓慢， 排出的煤粉量巨大， 当 钻 机 钻 进 8 m 时发 生喷孔现象， 再继续钻进过程中出现响煤炮现象， 巷 道瞬间布满粉尘和煤尘， 能见度极低， 但实际测试该 区域的瓦斯含量仅有2. 1 3 m3/t。 以上均是在煤层瓦斯含量较低的情况下发生的 喷孔和其他动力显现现象， 即低指标现象。这在以 往浅部开采时较为少见。为研究低指标喷孔的发生 机制， 深入研究了 6198工作面的瓦斯与应力分布 情况。 2测试方案 况 ， 研究采动应力分布规律。 3测试结果分析 3. 1 6198工作面瓦斯分布规律 井下瓦斯含量取样点分布如图3 所示。根据井 下瓦斯解吸量和实验室瓦斯解吸量， 得 到 6198工作 面煤层不同区域瓦斯含量， 见 表 1 。 为分析潘西煤矿6198工作面喷孔动力显现规 律 ， 本文对瓦斯含量和工作面的应力分布情况进行 了现场测试。其 中 ， 煤层原始瓦斯含量测试根据 GB/T 232502009 煤层瓦斯含量井下直接测定方 法 进行。 瓦斯含量测试方案 选择无地质构造区域施工 顺层钻孔取样， 钻 孔 长 度 为 20 m，将取出的煤样迅 速放入煤样罐中， 用排水法测试井下瓦斯解吸量， 现 场记录观测数据， 直到液面不再下降， 现场解吸结 束 。井下瓦斯解吸测试如图1 所示。 1一吊环； 2 量 管 ；3排水口； 4一底塞；5弹簧夹； 6排气管受 采 动 影 响 较 大 的 区 域 ， 应 力 高 达 61.0 MPa， 约为原始应力的1.95倍 。受采动影响 后 ， 煤岩体原始 平衡被 ， 采动 体系开始 寻求新的平衡， 重新分布的应力在工作面前方出现 集中区。随着回采 的增大， 采动 一直 变化的过程， 当重新分布的 过煤岩体屈 服强 ， 工作面周围的煤岩体发生破坏。 研究结 明， 工作 存在卸压区、 应力集 中区和原始应力区。在卸压区， 煤体已发生屈服， 内 部形成大量裂隙， 煤体已大 ， 其内部赋存的大 部分弹性 ， 承载 降低， 煤体 向深 处转移； 在工作面前方 0〜60 m 区域， 由卸压区进 入应力集中区， 应力越来越高， 且达到峰值， 此处煤 体变 裂过程强烈， 煤体承 大 ； 工 作 面 前 方 120〜130 m 之后， 煤体应力越过应力集 中区， 进入原始应力区。 4低瓦斯煤层喷孔动力显现机制分析 由 表 1 可知， 6198工作面煤层瓦斯含量不大， 较低的煤层， 但 过程中发生喷 孔 、 响煤炮等 ， 标动 煤层。其原 ， 西煤矿 部矿 ， 工作 过 1 200 m， 垂向应力超过30 MPa， 煤体在高应力环 16 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 境下发生流变变形， 煤体强度远低于周围载荷水平， 煤层破坏严重， 煤质多呈粉末状， 手捻即可粉碎。因 此 ， 煤层回采前， 工作面煤体即处于稳态向非稳态的 临界状态， 动力现象发生的阈值比常规情况下低。 煤矿井下巷道、 采掘工作面等处煤岩体在地应力、 瓦 斯压力共同作用下产生变形， 微破裂不断发生、 发 展 。当煤岩体变形达到临界状态时， 遇到打钻工艺 扰动后， 煤岩体变形失稳， 蓄能的弹性变形区煤岩体 释放能量， 发生喷孔现象； 当蓄能的弹性变形区煤岩 体与储存的瓦斯同时或先后释放能量时， 发生应 力-瓦斯作用的动力灾害。 喷孔现象是煤体在内部潜能和瓦斯内能共同作 用下， 将煤体进行破碎并从煤层钻孔中拋出的过程。 喷孔作为动力显现现象， 其发生过程遵守能量守恒 定律， 即喷孔前后总能量不变。在喷孔过程中， 煤体 内部潜能和煤体中集聚的瓦斯内能为煤体破碎和移 动提供动力， 这些能量分别为煤体的破碎和拋出提 供能量（ 即破碎功和拋出功 含瓦斯煤的破坏由煤体弹性潜能和瓦斯膨胀能 共同提供动力。当煤体物理参数和破碎程度一定 时 ， 采动应力越大， 煤层可释放的潜能越大。 浅部矿井地应力较小， 煤体完整程度较高， 煤体 破碎需要瓦斯做功， 消耗一定量的瓦斯膨胀能， 发生 喷孔现象需要有较大的瓦斯压力。当开采延伸至深 部 ， 煤体处于较高的应力作用下， 内部潜能较大， 能 为煤体的破碎提供更多动力。一旦受到较大扰动， 如采掘速度加快或遇到断层， 煤体受到较大的不均 衡力后破碎充分， 只需很少的瓦斯膨胀能就可将煤 体喷出， 发生喷孔等动力显现现象。深部开采条件 下低瓦斯煤层喷孔发生过程如图6 所示。 图6低瓦斯煤层喷孔发生过程 Fig. 6 Occurrence process of blow-out from drilling hole in low gas coal seam 研究表明， 潘西煤矿6198工作面低瓦斯煤层喷 孔现象的本质为构造应力和采动应力影响下煤体弹 性潜能增大， 使煤体充分破碎， 从而降低了动力显现 现象所需的瓦斯膨胀能阈值， 导致煤层在较少的瓦 内 发生动 3结论 1潘西煤矿6198工作面整体瓦斯含量较低， 且采深越大， 瓦斯含量越高。 “ 现场实测表明， 潘西煤矿6198工作面前方 应力的分布状态与理论一致， 存在卸压区、 应力集中 区和原始应力区， 受断层影响， 最大应力集中系数 为 1. 36。 “ 潘 西 煤 矿 6198工作面低瓦斯煤层喷孔等 动力显现现象是高应力作用下煤体破碎、 瓦斯压力 作用下煤体从钻孔喷出的过程。煤体释放的内部潜 能和瓦斯内能为煤体破碎和移动提供能量， 与浅部 煤层相比， 深部低瓦斯煤层喷孔动力显现所需的瓦 膨胀 值降 参 考 文 献 （ References [ 1]袁亮.我 国 深部 煤 与瓦斯共采战略思考[Q].煤炭学 报 ，2016,411-6. 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