王永俊

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處, 河南平頂山467000)

方山礦二1煤水力沖孔壓力考察試驗(yàn)

王永俊

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處, 河南平頂山467000)

針對(duì)無(wú)保護(hù)層、低透氣性煤層預(yù)抽困難的問(wèn)題,采取煤層底板巷水力沖孔,為確定合適沖孔水壓采取了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的辦法,結(jié)果表明:試驗(yàn)地點(diǎn)水力沖孔臨界破煤壓力4 MPa左右,約為f=6.7～10;適宜破煤壓力6～8 MPa,約為f=10～20,該壓力下鉆孔出煤量穩(wěn)定,約0.4 t/m,出煤速度約0.03～0.04 t/min;當(dāng)沖孔水壓超過(guò)10MPa后,會(huì)產(chǎn)生沖孔鉆孔憋孔現(xiàn)象,不僅對(duì)沖孔作業(yè)人員構(gòu)成威脅,而且易引起巷道風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸?試驗(yàn)結(jié)果為確定方山礦二1煤層水力沖孔參數(shù)提供了依據(jù),指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)工作,也為周邊礦井的水力沖孔作業(yè)提供了借鑒。

臨界壓力; 水力沖孔; 透氣性

突出礦井采掘接替緊張是煤礦企業(yè)生產(chǎn)面臨的普遍難題。開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯是區(qū)域性消突的主要措施,方山礦主采二1突出煤層不具備開采保護(hù)層條件,利用煤層底板巷道,采用穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯,是礦井瓦斯治理的首選。由于煤層透氣性低,直接預(yù)抽,效果不明顯,為此必須進(jìn)行增透預(yù)抽。國(guó)內(nèi)外采用的卸壓增透強(qiáng)化抽采的方法主要有:水力壓裂、水力擠出、煤層注水、排放鉆孔、深孔爆破等[1-4]。這些方法在部分礦區(qū)取得了一定的效果,并有效遏制了瓦斯突出事故的發(fā)生或降低發(fā)生突出的強(qiáng)度[5-6],但這些防突措施在施工的安全性、周期性、廣泛適用性均存在一定的不足,如施工工期長(zhǎng)、措施復(fù)雜、操作難度大,有些措施的效果持續(xù)時(shí)間短等缺點(diǎn)。

水力沖孔是以煤(巖)為安全屏障,利用高壓水射流的沖擊力,在煤層內(nèi)部沖刷煤體,形成孔洞,釋放瓦斯?jié)撃芎兔后w彈性能,增強(qiáng)煤體強(qiáng)度,改變鉆孔周邊圍巖的應(yīng)力分布,在降低煤層突出危險(xiǎn)性的同時(shí),能提高煤層透氣性,有利于鉆孔排放瓦斯[2,7-9]。水力沖孔效果的好壞,其關(guān)鍵因素之一是沖孔壓力,沖孔壓力的確定主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn),實(shí)際應(yīng)用中往往出現(xiàn)沖孔效果不佳的問(wèn)題。為了獲得最佳沖孔壓力,對(duì)方山礦二1煤層進(jìn)行了水力沖孔試驗(yàn)研究。

1 方山礦概況

方山礦新井地處禹州市方山鎮(zhèn)境內(nèi),井田南北長(zhǎng)約3.3 km,東西寬約1.2 km,面積約4.0 km2。主采二1煤為煤與瓦斯突出煤層,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為30萬(wàn)t/年。二1煤層位于山西組下部,煤層總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,層位穩(wěn)定,平均厚度4.03 m,傾角10°～18°,平均14°。

水力沖孔試驗(yàn)地點(diǎn)在二1-11061機(jī)巷低抽巷,位于軌道下山北翼,開口水平位置標(biāo)高-58～-72 m。測(cè)定煤堅(jiān)固性系數(shù)f= 0.4～0.6,機(jī)巷低抽巷工程量680 m。根據(jù)預(yù)測(cè),二1-11061綜采面瓦斯壓力為2.12 MPa,瓦斯含量為15 m3/t。煤層直接頂為f= 4～6的3 m厚砂質(zhì)泥巖,直接底為f=3～5的泥巖。

2 沖孔裝備

水力沖孔裝備為鉆、沖、防一體化水力沖孔裝置。其中沖孔鉆孔采用的是鉆沖自動(dòng)切換專用鉆頭,如圖1所示。低水壓(0.5 MPa以下)時(shí),鉆頭的高壓噴頭關(guān)閉,鉆頭原噴嘴出水,清洗打鉆產(chǎn)生的巖粉并冷卻鉆頭,進(jìn)行打鉆作業(yè);高水壓(大于0.5 MPa)時(shí),原噴嘴關(guān)閉,高壓噴頭出水,沖擊鉆頭側(cè)面煤體,實(shí)施水力沖孔。

3 水力沖孔試驗(yàn)

3.1 沖孔方案

設(shè)計(jì)考察8個(gè)鉆孔,分2組進(jìn)行,每組4個(gè)鉆孔,分別命名A、B、C、D,兩組鉆孔的采用下標(biāo)1和2進(jìn)行區(qū)分,每組孔沖孔壓力為4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa。

沖孔過(guò)程中記錄每米鉆孔的沖孔時(shí)間和沖出煤量,并記錄打鉆、沖孔過(guò)程中的異常情況。

另外,統(tǒng)計(jì)2014年4月開始的打鉆報(bào)告單,統(tǒng)計(jì)出鉆孔的沖孔時(shí)間和沖出煤量參數(shù)數(shù)據(jù),分析出鉆孔傾角與出煤量、出煤速度的關(guān)系。

3.2 沖孔過(guò)程

根據(jù)考察方案,沖孔鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)表1。在相關(guān)安全防護(hù)措施前提下,鉆孔沖孔過(guò)程依據(jù)“可沖盡沖”的原則進(jìn)行作業(yè),并詳細(xì)記錄每米沖孔沖出的煤量及時(shí)間,見(jiàn)表2。

圖1 水力沖孔鉆沖專用鉆頭

表1 沖孔鉆孔布置參數(shù)及沖孔記錄

表2 沖孔過(guò)程出煤速度記錄表

3.3 沖孔結(jié)果及分析

試驗(yàn)中,方山礦二1煤層水力沖孔的壓力與出煤量關(guān)系如圖2所示,沖孔壓力與出煤速度關(guān)系如圖3所示。

圖2 沖孔壓力與沖出煤量關(guān)系

圖3 沖孔壓力與出煤速度關(guān)系

結(jié)合沖孔過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)觀察的現(xiàn)象可知:當(dāng)沖孔水壓在4 MPa以下時(shí),出煤量很小,且不連續(xù),可以認(rèn)為沖孔的臨界壓力在4 MPa,為f=6.7～10,與理論破煤臨界壓力值較為一致。

隨著沖孔水壓的上升,出煤量有上升趨勢(shì),當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)觀察到?jīng)_孔過(guò)程中持續(xù)有輕微的憋孔現(xiàn)象,每次憋孔現(xiàn)象持續(xù)約1～3 min,且每米出煤量很不穩(wěn)定,此現(xiàn)象說(shuō)明沖孔產(chǎn)生的瞬時(shí)出煤量大于了鉆孔泄煤能力。這種情況帶來(lái)的后果是鉆孔內(nèi)瓦斯不能快速順利泄排,導(dǎo)致鉆孔內(nèi)氣體壓力上升,易引起噴孔,對(duì)作業(yè)人員構(gòu)成威脅。也就是說(shuō),10 MPa的沖孔水壓相對(duì)于試驗(yàn)地點(diǎn)的煤層條件和鉆孔條件,壓力偏大。將沖孔水壓上調(diào)至12 MPa后發(fā)現(xiàn)憋孔更加嚴(yán)重,鉆場(chǎng)下風(fēng)側(cè)瓦斯探頭T2高值報(bào)警,超過(guò)4%,停沖后瓦斯?jié)舛瘸^(guò)2%的時(shí)間達(dá)2 min的現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)明了試驗(yàn)地點(diǎn)沖孔水壓過(guò)高帶來(lái)的危害,可見(jiàn),沖孔水壓不超過(guò)10 MPa較為合適。

沖孔水壓為6～8 MPa時(shí),鉆孔每米出煤量相差不大,約0.4 t/m,且出煤速度也相近,約0.03～0.04 t/min。可以認(rèn)為,該試驗(yàn)地點(diǎn)正常沖孔水壓在6～8 MPa,約為f= 10～20較為適宜。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)方山礦二1煤水力沖孔壓力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得到如下結(jié)論:水力沖孔過(guò)程中沖出煤量和沖孔水壓有著密切的聯(lián)系,隨著沖孔水壓由低到高變化,沖出煤量會(huì)相應(yīng)增加;當(dāng)沖孔水壓達(dá)到一定值時(shí),煤體才能在沖孔水壓下發(fā)生破壞,隨水流排出鉆孔,該壓力為臨界壓力,試驗(yàn)地點(diǎn)臨界壓力約4 MPa,是煤堅(jiān)固性系數(shù)f=6.7～7倍范圍;沖孔水壓超出臨界壓力后,沖孔水壓越大,單位時(shí)間沖出煤量越多,受鉆孔直徑、煤體強(qiáng)度和沖孔水流量等因素的綜合制約,孔口出煤速度與沖孔水壓之間并非成線性增長(zhǎng)關(guān)系,當(dāng)沖孔水壓達(dá)到一定程度后,孔口出煤速度會(huì)減緩;沖孔水壓超出一定值后,會(huì)產(chǎn)生憋孔現(xiàn)象,并引起巷道風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸?試驗(yàn)地點(diǎn)的上限水壓約為10 MPa。

[1] 王新新,石必明,穆朝民.水力沖孔煤層瓦斯分區(qū)排放的形成機(jī)理研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2012, 37(3):467-471.

[2] 劉明舉,崔凱,劉彥偉,等.深部低透氣性煤層水力沖孔措施防突機(jī)理分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(2):45-48.

[3] 王兆豐,范迎春,李世生.水力沖孔技術(shù)在松軟低透突出煤層中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2012,40(2):52-55.

[4] 溫世平.水力沖孔孔洞瓦斯造成掘進(jìn)工作面瓦斯超限的的原因及控制措施[J].煤礦安全, 2015,46(8):171-173.

[5] 馮文軍,蘇現(xiàn)波,王建偉,等.“三軟”單一煤層水力沖孔卸壓增透機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2015,43(1):100-103.

[6] 劉勇,劉建磊,溫志輝,等.多級(jí)破煤水力沖孔強(qiáng)化松軟低透煤層瓦斯抽采技術(shù)研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2015,11(4):27-32.

[7] 郝富昌,孫麗娟,劉明舉.考慮卸壓和抽采效果的水力沖孔布孔參數(shù)優(yōu)化研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2014,31(5):756-763.

[8] 徐東方,黃淵躍,羅治順,等.底板巷水力沖孔卸壓增透技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(2):42-44,48.

[9] 陳攀.水力沖孔技術(shù)在九里山礦15071底抽巷的應(yīng)用[J].煤礦安全,2013,44(5):139-141.

Study on Water Pressure of Hydraulic Flushing at the Second Coal Seam of Fangshan Coalmine

WANG Yong-jun
(Pingdingshan Tian'an Coal Mining Corp.Ltd., Pingdingshan Henan 467000)

For the reason of bad gas pre-drainage,hydraulic flushing was used in low gas permeability and no protective coal seam,and field test was done to determine water pressure.The results show that the critical pressure breaking coal seam is about 4MPa,which is 6.7-10 f.And the suitable water pressure is 6-8MPa(about 10-20 f).Under this condition,the broken coal particle by water from borehole is stable,about0.4t/m,and coal output is about 0.03-0.04t/min.when water pressure over 10MPa, there is blocked in the borehole by mixed coal and water,which is a threaten to operators and a reason of gas concentration over limitation.

critical pressure; hydraulic flushing; gas permeability

TD713+.34

B

1671-4733(2015)06-0001-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.06.001

2015-10-10

王永俊(1987-),女,河南平頂山人,助理工程師,研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程,電話:15137582237。