王龍康　李祥春　李安金　劉艷麗　梁敏　張如明　常溪　尤沖(.中國礦業(yè)大學(北京)管理學院,北京市海淀區(qū),0008; .中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區(qū),0008; .中煤盤江重工有限公司,貴州省貴陽市,550009; .國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京市朝陽區(qū),0009)

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復合水力化措施在霍爾辛赫煤業(yè)的應(yīng)用?

王龍康1,2李祥春2李安金2劉艷麗2梁敏3張如明4常溪1尤沖1
(1.中國礦業(yè)大學(北京)管理學院,北京市海淀區(qū),100083; 2.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區(qū),100083; 3.中煤盤江重工有限公司,貴州省貴陽市,550009; 4.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京市朝陽區(qū),100029)

摘 要針對霍爾辛赫煤業(yè)瓦斯含量高、煤層透氣性低、不具備保護層開采條件等問題,選擇在西回風大巷和8＃聯(lián)絡(luò)巷試驗復合水力化卸壓增透措施,闡述了復合水力化措施的工藝流程及泄壓增透機理。研究表明,采取復合水力化卸壓措施后,抽采濃度、日抽采純量及純瓦斯抽采流量得到有效提高,同時,在采取復合水力化卸壓增透措施后,在巷道掘進過程中,效檢指標鉆屑瓦斯解析指標K1和鉆屑量S的超標率明顯降低,提高了巷道的掘進速度,有效緩解了工作面接替緊張的局面。

關(guān)鍵詞水力化措施 泄壓增透 抽采濃度 抽采純量 鉆屑瓦斯解析指標 鉆屑量

近年來,隨著開采深度的增加,地壓也不斷增大,煤與瓦斯動力災(zāi)害的威脅也越來越大,特別是一些高應(yīng)力、大采深、無煤柱保護的低透氣松軟煤層,瓦斯抽采難度大,嚴重影響了工作面的采掘進度。因此,如何在大采深、低透氣性煤層中有效解決瓦斯抽采效率低下,工作面采掘進度慢,接替緊張等問題,確保煤巷快速安全掘進是礦井瓦斯災(zāi)害防治急需解決的關(guān)鍵問題。為了提高瓦斯抽采效率,有效預防煤與瓦斯突出,國內(nèi)學者及現(xiàn)場工作人員針對無保護層開采的煤層先后試驗應(yīng)用了松動爆破、超前排放鉆孔、深孔控制卸壓爆破和預抽煤層瓦斯等多項防突措施,有效減少了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生,取得了明顯的防突效果,但是這些消突措施都具有相對的局限性。水力沖孔及水力割縫等水力化泄壓增透措施工藝流程相對簡單,不易誘導煤與瓦斯突出,是一種可靠的泄壓增透措施。水力沖孔泄壓增透措施利用巖石巷道為安全屏障,利用帶壓水流作用沖出部分煤體和瓦斯,并在煤體中沖出孔洞,引起孔洞周邊煤巖體應(yīng)力降低及應(yīng)力重新分布,提高煤層的透氣性,實現(xiàn)采掘工作面的安全快速采掘。由于水力沖孔沖出煤量多,煤體卸壓和排放瓦斯充分,從而能夠快速消除工作面的突出危險性。

霍爾辛赫煤業(yè)瓦斯含量高,煤層透氣性低,屬于難以抽采煤層,同時不具備保護層開采條件,造成采掘進度慢,工作面接替緊張,選擇在西回風大巷和8＃聯(lián)絡(luò)巷試驗采取水力沖孔和孔底切割相結(jié)合的復合水力化卸壓增透措施,有效解決工作面接替緊張局面。

1　試驗區(qū)概況

霍爾辛赫煤業(yè)3＃煤層瓦斯含量為10.93m3/t,瓦斯壓力為0.18 MPa,煤層透氣性低,瓦斯難以抽采。試驗地點選在西回風大巷盡頭和主運大巷與西回風大巷之間的8＃聯(lián)絡(luò)巷。兩條巷道形狀均為矩形,西回風大巷試驗區(qū)巷斷面尺寸為4.35m× 5.5m(高×寬);8＃聯(lián)絡(luò)巷試驗區(qū)巷斷面尺寸為3.8m×5.3m (高×寬)。主運大巷為掘進工作面,所選試驗區(qū)處于主運大巷的回風流中,風量滿足工作要求。試驗區(qū)煤層為近水平,煤層底板等高線平均為＋430 m,地面標高平均為＋926.5 m,煤層厚度5～6m,根據(jù)現(xiàn)場觀察8＃聯(lián)絡(luò)巷試驗區(qū)煤層裂隙較發(fā)育,西回風大巷試驗區(qū)煤層裂隙發(fā)育較差,且在打鉆時有多個孔見矸。

2　復合水力化措施在現(xiàn)場的應(yīng)用

2.1水力化措施孔的布置方式

在西回風大巷和8＃聯(lián)絡(luò)巷共布置20個鉆孔用于實施復合水力化措施。開孔位置距離底板1.5m,為考察復合水力化措施的有效影響半徑, 20個措施孔分為五組,每組4個鉆孔,組間距為5 m,其中8＃聯(lián)絡(luò)巷布置鉆孔間距為4m的一組鉆孔,西回風大巷布置鉆孔間距為2.5 m、3 m、3.5m、4.5m的四組鉆孔,孔高1.5m,呈“一”字型布置,措施鉆孔的布置見圖1,鉆孔施工參數(shù)見表1。

圖1　措施鉆孔布置圖

2.2技術(shù)參數(shù)與工藝過程

此次試驗鉆孔均為順層鉆孔,鉆孔全段處于煤層中,考慮到采用聚氨酯封孔長度12m,從孔口向里預留15m封孔段不進行強化增透,剩余段進行水力強化增透。水力強化增透試驗從10＃鉆孔開始,根據(jù)10＃鉆孔試驗時返水情況、攜帶煤渣情況和煤渣塊度,確定試驗采用10～16MPa的水壓沖洗鉆孔,35～36MPa的水壓切割鉆孔;由內(nèi)向外每0.5～0.6m作為一個沖孔循環(huán),每個循環(huán)沖孔時間為1.5min,每后退1～3 m觀察返水情況、攜帶煤渣情況和煤渣塊度。

復合水力化增透試驗情況統(tǒng)計見表2。根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)記錄,返水正常情況下,攜帶的煤渣塊度大多是棗核到杏核般大小,此時的返水較清;當出現(xiàn)返水量變小的情況下,有較大的煤塊堵塞鉆孔,此時會出現(xiàn)較短時間的大量噴水,水渾濁且攜帶大量煤渣,煤渣塊度最大有拳頭般大小;沖出煤量均在1t左右。根據(jù)現(xiàn)場瓦斯探頭檢測,沖孔前和沖孔后試驗區(qū)巷道中瓦斯?jié)舛葞缀醪蛔兓?/p>

表1　措施孔施工參數(shù)表

表2　水力沖孔卸壓增透試驗情況統(tǒng)計

2.3 效果考察分析

采取復合水力化增透措施的有15個鉆孔,其中5?？着c8?？子捎诳湛谄茐膰乐?封孔存在漏氣情況,故這兩個未并入抽采管路。由于篇幅所限,給出6個鉆孔的抽采效果圖,如圖3所示。

圖3　各措施孔瓦斯抽采效果圖

由圖3(a)可以看出,10＃鉆孔的最高抽采濃度為99.9%,最低濃度為0%。其最高濃度出現(xiàn)在剛并入管路時,最低濃度是水和煤渣堵孔造成的, 10＃鉆孔的抽采濃度和抽采流量極不穩(wěn)定,變化幅度較大,日抽采純量最多時為185.35m3,20d累計抽采瓦斯量636.74m3。

由圖3(b)可以看出,11＃鉆孔抽采濃度和抽采流量整體較穩(wěn)定,最高抽采濃度和最大抽采流量均出現(xiàn)在并管抽采時,分別為18.4%、0.227m3/ min,此時的日抽采純量最高為60.15m3,18d的累積抽采瓦斯量248.11m3。

由圖3(c)可以看出,12＃鉆孔并入抽采管路后前兩天,由于封孔時聚氨酯進入封孔管,將封孔管堵死,這兩天的抽采量為0m3,疏通之后,抽采濃度上升至43.4%,日抽采瓦斯純量最高63.12m3,累積抽采瓦斯量226.35m3。

由圖3(d)和(e)可以看出,15＃鉆孔最高抽采濃度52.3%,最低12.4%;16＃鉆孔最高抽采濃度46.4%,最低25%;15＃、16＃鉆孔10d累積抽采量分別為186.72m3、208.05m3。

由圖3(f)可以看出,19＃鉆孔效果較好,抽采濃度最高71.7%,最低38.6%,5d的累積抽采瓦斯量已達到148.86m3。

從以上效果分析可以看出,采取水力沖孔卸壓措施后,抽采濃度、日抽采純量及純瓦斯抽采流量都得到有效提高。同時,在采取水力沖孔卸壓增透措施后,在巷道掘進過程中,效檢指標鉆屑瓦斯解析指標K1和鉆屑量S的超標率明顯降低,提高了巷道的掘進速度,有效緩解了工作面接替緊張的局面。

3　復合水力化措施泄壓增透機理分析

水力沖孔過程是利用帶壓水流破壞煤體結(jié)構(gòu),改變煤體及頂?shù)装鍘r層應(yīng)力分布,釋放大量瓦斯的過程。水力沖孔的實質(zhì)首先是利用高壓水射流破碎煤體在一定時間內(nèi)沖出大量煤體,形成較大直徑的孔洞,從而破壞煤體原應(yīng)力平衡狀態(tài),孔洞周圍煤體向孔洞方向發(fā)生大幅度位移,促使應(yīng)力狀態(tài)重新分布,集中應(yīng)力帶前移,有效應(yīng)力降低;其次煤層中新裂縫的產(chǎn)生和應(yīng)力水平的降低打破了瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡,使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯,而游離瓦斯則通過裂隙運移得以排放,大幅度地釋放了煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能,煤層瓦斯透氣性顯著提高;最后,高壓水潤濕了煤體,煤體的塑性增加,脆性減小,可降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度。針對煤體較硬,堅固性系數(shù)較大的煤層,水力沖孔不能有效沖刷出煤體,水力沖孔措施不能達到預定效果。此時,先采取孔底切割的措施,破壞鉆孔底部煤體的強度,使部分煤體破碎剝落,然后采取水力沖孔的措施,能沖出煤體并形成孔洞,達到泄壓增透的目的。通過實施復合水力化措施,增加了松軟低透煤層瓦斯解吸速度,提高了瓦斯抽放效果。同時,利用水力沖孔過程沖出了大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭,因此在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域,在這個安全區(qū)域內(nèi),破壞了突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件,起到了有效防治突出效果。

4　結(jié)論

(1)水力沖孔泄壓增透措施通過高壓射流破碎煤體來改變煤體應(yīng)力狀態(tài),造成沖出孔洞周圍煤體應(yīng)力重新分布,增加煤體透氣性,提高煤層的瓦斯預抽效果。

(2)根據(jù)試驗時返水情況、攜帶煤渣情況和煤渣塊度,確定10～16MPa的水壓沖洗鉆孔,35～36MPa的水壓切割鉆孔為最佳水壓。

(3)通過采取水力沖孔卸壓增透措施,抽采濃度、日抽采純量及純瓦斯抽采流量都得到有效提高,巷道掘進過程中,效檢指標超標率明顯降低,巷道的掘進速度提高,有效緩解了工作面接替緊張的局面。

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(責任編輯張艷華)

ApplicationofcompoundhydraulizationmeasuresinHe＇erxinheCoalMine

WangLongkang1,2,LiXiangchun2,LiAnjin2,LiuYanli2, LiangMin3,ZhangRuming4,ChangXi1,YouChong1
(1.CollegeofManagement,ChinaUniversityofMining& Technology,Beijing,Haidian,Beijing100083,China; 2.CollegeofResources&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing100083,China; 3.ChinaCoalPanjiangHeavyIndustryCo.,Ltd.,Guiyang,Guizhou550009,China; 4.ChinaCoalInformationInstitute,StateAdministrationofWorkSafety,Chaoyang,Beijing100029,China)

AbstractAimingatthehighgascontent,lowcoalseampermeability,noconditionsofprotectivelayermininginHe＇erxinheCoalMine,thecompoundhydraulizationmeasurestopressure reliefandpermeabilityincreasewerecarriedoutinthewestairreturnroadwayandthe8thcrosscut,anditstechnologicalprocessandthemechanismofpressurereliefandpermeabilityincrease wereelaborated.Theresearchresultsshowthatthegasconcentrationofdrainage,everydaynet gasdrainagequantityandnetgasrateofflowwereeffectivelyincreasedafteradoptingthecompoundhydraulization measurestopressurereliefandpermeabilityincrease,meantime,inthe processofroadwaydriving,theoverstandardratesofeffecttestingindexthatisK1,gasdesorptionindexofdrillingbits,andS,drillingbits,weresignificantlyreduced,whichincreasedthe roadwaydrivingrateandeffectivelymitigatedtheintenseworkingfacereplacement.

Keywordshydraulizationmeasure,pressurereliefandpermeabilityincrease,gasdrainage concentration,netgasdrainagequantity,gasdesorptionindexofdrillingbits,drillingbits

中圖分類號TD713.34

文獻標識碼A

基金項目?∶國家自然科學基金(51304212),北京高等學校青年英才計劃項目(YETP0930)

作者簡介:王龍康(1983－),男,山西太原人,博士,從事煤礦安全、風險評價、風險預警、應(yīng)急管理、安全戰(zhàn)略等方面的研究。