二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用.pdf
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1、第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期:;:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:宋志强(),男,山西长治人,助理工程师,年毕业于山西大同大学采矿工程专业,现从事煤矿生产与技术管理工作。引用格式:宋志强,郭高峰,史达,等 二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应 煤炭科技,():,():文章编号:()二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用宋志强,郭高峰,史达,荚逸晨,赵宝友(山西三元煤业股份有限公司,山西 长治 ;辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 )摘要:为解决三元煤业综放工作面上隅角悬顶带来的安全隐患,通过理论计算得到了二氧化碳气爆致裂工作面上隅角顶煤的影响半径,设计
2、了相关爆破孔布置方案及参数,开展了数值模拟验证和现场工程应用。研究与应用表明,沿煤柱侧打设一列气爆孔对回采巷道煤柱侧顶煤进行液态二氧化碳相变气爆致裂后,气爆孔间的顶煤均进入塑性屈服状态,煤柱侧、跨中及回采侧巷道顶板的下沉变形不再呈现常规的下凸形式,临近工作面时回采巷道煤柱侧与跨中的顶煤下沉量基本相当且增加较明显;超前综放工作面回采巷道顶煤气爆致裂切顶技术较好地解决了上隅角顶煤悬顶问题。关键词:综放工作面;二氧化碳气爆;上隅角悬顶;致裂切顶中图分类号:文献标志码:,(,;,):,:;:综放工作面上隅角端头悬顶不仅会造成瓦斯在上隅角聚集,引起瓦斯超限,同时大面积悬顶的瞬时 年第 期宋志强,等:二氧
3、化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用第 卷冲击垮落还会带来飓风、扬尘、反风甚至瓦斯及煤尘爆炸的重大安全事故。目前,主要采用爆破预裂和水力压裂技术进行上隅角悬顶的处理 。以往的工程实践和理论研究结果表明,水力压裂切顶裂缝扩展严重依赖于顶板岩层的结构、强度、刚度及应力状态等地质赋存特征,且压裂工序相对复杂,同时要求相关技术人员具备丰富实践经验,导致其实际裂缝扩展与设计偏差较大,一般常用于大尺度覆岩压裂防治冲击地压灾害,对于超前工作面沿煤柱侧预裂切顶来说不易获得理想的效果。尽管化学炸药爆破的预裂切顶技术可实现较精准的切顶效果,但由于爆炸冲击波的高频高强度冲击动载特性,使得炸药爆破预裂巷道浅部煤岩
4、层时不利于巷道顶板稳定性的维护,加之化学炸药爆破存在明火,使之在解决高瓦斯煤层工作面上隅角悬顶问题时存在安全隐患。液态二氧化碳相变气爆致裂技术是利用致裂器内置加热剂使液态二氧化碳迅速吸热升温变为超临界二氧化碳流体,进而导致压力瞬间上升并泄能冲击钻孔周围煤体,达到破碎致裂煤体增渗的目的,是最近几年新兴的瓦斯煤层致裂新技术 。与目前常用的深孔爆破、水力压裂方法相比,液态二氧化碳相变气爆致裂技术不仅充分兼顾它们的优点,而且还摒弃了它们的弊端,是一种经济、安全、高效、无地应力敏感性、无煤层敏感性、无煤层二次污染、驱裂压力可控、可重复冲击致裂、适用范围广的瓦斯煤层致裂新技术。目前,液态二氧化碳相变气爆致
5、裂技术主要应用于低渗透高瓦斯煤层增透领域,将其引入到高瓦斯煤层工作面上隅角悬顶的预裂切顶是否可行有效,还需开展深入研究。工作面概况山西三元煤业股份有限公司(以下简称三元煤业)核定生产能力 万 ,采用走向长壁综合机械化综采低位放顶煤采煤法。现开采的 号煤层位于山西组下部,煤层埋深 ,平均煤层厚 ,普遍含 层炭质泥岩夹矸,属全区可采稳定煤层;煤层直接顶为厚约 的砂质泥岩与粉砂岩互层结构,基本顶为厚约的中粒砂岩;工作面斜长 ,采用一进一回 型通风方式;回采巷道断面为矩形,毛宽 ,毛高 ,均沿煤层底板掘进,留有厚 的顶煤。工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为 ,相对瓦斯涌出量为 ,为典型的高瓦斯煤层,且煤尘
6、具有爆炸性。以往生产实践表明,受煤柱侧实体煤的支撑与约束作用,综放工作面两端头均存在端头悬顶现象,尤其是工作面回采初期和首采工作面,工作面推进 后端头顶板才开始垮落,工作面正常回采期间端头滞后采空区悬顶 ,使得上隅角瓦斯浓度有时超过 的安全警戒限值,严重影响着工作面的安全回采。三元煤业以往主要采用超前工作面煤柱侧水力压裂技术进行端头悬顶的压裂切顶,但由于水力压裂裂缝的可靠性差,导致上隅角悬顶压裂切顶效果并不理想。鉴于三元煤业 号煤层属于典型的高瓦斯煤层,拟尝试采用液态二氧化碳相变气爆致裂技术进行上隅角悬顶的致裂切顶。二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤方案设计 理论分析气爆孔打设后煤体气爆前气爆孔周围任
7、意一点的应力状态为 :()()()()()()()()()()()()()式中,、分别为以气爆孔中心为极点的极坐标系下气爆前煤体任一点处的应力分量;为水平地应力分量比值;和 分别为水平地应力分量;和 分别为气爆孔半径和煤体任一点的极径;为极坐标与水平方向的夹角。气爆应力波在气爆孔周围煤体内产生的周向拉应力 为:()()()式中,为气爆孔孔壁处的应力波峰值压力;为衰减系数,();为煤体的泊松比。因此,气爆过程中气爆孔周围煤体的总切向应力 为:()年第 期煤炭科技第 卷当裂缝尖端周向应力 小于煤体拉强度 时,径向初始裂缝才停止扩展,据此得到气爆应力冲击致裂煤体的径向裂缝长度 的计算公式为 :()(
8、)()已知气爆冲击波峰值压力 和 、等参数,可计算得到气爆应力波冲击致裂煤体的径向裂缝长度 。现有研究成果表明 ,煤岩体爆破致裂是初期爆生应力波和中后期爆生气体共同作用的结果,爆生气体的气楔压裂影响范围可达爆生应力波冲击致裂的 倍。据此可估算出三元煤业回采巷道顶煤气爆致裂的影响半径为 。因此,二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤的气爆孔理论间距为 。方案设计综放工作面上隅角顶煤悬顶的主要原因:顶煤完整性较好且力学强度较高;煤柱侧巷帮实体煤的支撑约束效应,最终使得工作面上隅角形成弧三角形悬顶。基于顶煤气爆致裂裂缝扩展的理论分析结果,结合三元煤业综放工作面实际情况,设计距巷道煤柱侧 向采空区与水平呈 打设一
9、列爆破孔,孔深 ,垂深 ,孔径 ,孔间距 。二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤的爆破孔参数设计如图 所示。二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤方案数值模拟分析及现场应用 数值模拟分析依据爆破孔设计方案,建立三元煤业综放工作面上隅角顶煤悬顶气爆致裂的 数值模型,模型几何尺寸为长 宽 高(),含 个气爆孔。气爆动力模拟前模型四周及底面采用面法向位移约束,气爆动力模拟过程中模型四周及底板采用粘弹性边界条件,且在气爆孔孔壁施加气爆压力曲线 ,如图 所示;模型顶部施加 埋深对应的 竖向自重应力,水平两向施加 的地应力;煤岩层均采用拉剪复合破坏屈服准则的理想弹塑性本构模型,基本物理力学参数见表 。气爆动力致裂模拟过程中监测
10、距巷道顶板 处 个位置的力学反应,监测点布置如图 所示。图 二氧化碳气爆致裂上隅角顶煤的爆破孔布置 与巷道横断面呈 夹角剖面内的顶煤气爆致裂塑性区分布如图所示。由图可知,、过气爆孔的剖面及 两气爆孔之间的剖面上,朝向煤柱侧的上隅角顶煤气爆致裂影响范围为 ,朝向回采侧的上隅角顶煤气爆致裂影响范围为 ;剖面上的 顶煤已处于塑性屈服状态,即沿巷道走向的上隅角顶煤气爆致裂影响范围可达 ;气爆孔孔底煤体的气爆致裂影响深度约 。年第 期宋志强,等:二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用第 卷图 二氧化碳气爆压力时程曲线 表 煤岩体基本物理力学参数 煤岩层弹性模量 泊松比抗拉强度 黏聚力 内摩擦角 (
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