張海波,馬偉杰,劉 鋒 ,連現(xiàn)忠

(1.山西晉煤集團(tuán) 沁水胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048214;2.山西晉能控股裝備制造集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046600;3.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;4.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)

水力掏煤技術(shù)[1]在煤礦中的應(yīng)用已經(jīng)得到了長足的發(fā)展,通常利用水力掏煤技術(shù)壓裂煤層[2],增大煤層的透氣性,提高煤層的瓦斯抽采率,在煤礦瓦斯治理方面取得了較好的應(yīng)用效果。楊騰龍等[3]為了提高下向鉆孔的抽采率,解決消突效果不好導(dǎo)致的采掘接替緊張問題,優(yōu)化了下向鉆孔水力沖孔工藝,使得單孔平均掏煤量達(dá)3～5 t,實(shí)現(xiàn)了水力沖孔措施鉆孔的高效抽采。張保法等[4]利用射流壓力與瓦斯壓力的相互作用,優(yōu)化沖孔鉆具和布置方式,在豫西孟津煤礦實(shí)現(xiàn)了低透氣煤層快速消突。寧德義[5]通過水力沖孔傾角對水力沖孔效果的影響規(guī)律,提出了隨著傾角的增大,塑性區(qū)域破壞范圍和出煤量出現(xiàn)先小后大的變化規(guī)律。李國旗等[6]在李溝煤礦底抽巷進(jìn)行水力沖孔試驗(yàn),考察水力沖孔卸壓前后煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力的變化。李云等[6]通過在潞安礦區(qū)進(jìn)行穿層鉆孔水力沖孔試驗(yàn),得出穿層鉆孔水力沖孔參數(shù)在沖孔壓力12 MPa和沖孔時(shí)間15 min/m時(shí)沖出合理煤量為0.15 t/m,形成了一套適合該礦區(qū)3號煤層水力沖孔參數(shù)。許江等[7]通過多場耦合瓦斯物流模擬實(shí)驗(yàn)對水力沖孔后瓦斯抽采與沖孔前進(jìn)行對比,結(jié)果表明水力沖孔后相同位置的瓦斯壓力下降速度更快,氣體流量更大,卸壓效果更明顯。時(shí)至今日,依然有以下問題需要深入研究:水力沖孔的消突機(jī)理;沖孔后煤體的應(yīng)力變化及裂隙的動(dòng)態(tài)演化;對瓦斯解吸、吸附、運(yùn)移規(guī)律還沒有準(zhǔn)確的研究數(shù)據(jù);水力沖孔的適用條件還在摸索中,在運(yùn)用中取得的效果時(shí)好時(shí)壞,沒有形成完善的規(guī)范體系。尤其是在不具備開采保護(hù)層的礦井中,低透氣性煤層與煤質(zhì)較軟的煤層,運(yùn)用水力沖孔卸壓增透效果不明顯?；诖?提出在胡底煤業(yè)進(jìn)行軟分層水力掏煤消突措施試驗(yàn)研究,通過水力掏煤構(gòu)建“虛擬保護(hù)層”,促使煤層得到充分卸壓,加大煤層透氣性,提升抽采效率,降低突出危險(xiǎn)。

1 軟分層水力掏煤防突機(jī)理

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足,針對不具備保護(hù)層開采條件或開采成本太高的高突煤層,提供一種煤礦井下“虛擬保護(hù)層”水力掏煤開采方法。虛擬保護(hù)層定義為:對開采煤層的某一固定層位的極薄分層先進(jìn)行開采,從而達(dá)到保護(hù)其他煤層的目的,這一固定層位的極薄分層叫“虛擬保護(hù)層”,也稱之為煤層的自我保護(hù)層(見圖1、圖2)。先行開采的極薄分層優(yōu)先選擇突出危險(xiǎn)性較大的軟分層,主要目的是通過軟分層水力掏煤開采,在整個(gè)煤層開采范圍內(nèi)形成均勻卸壓區(qū)域,從而達(dá)到區(qū)域消突的效果,實(shí)現(xiàn)不具備保護(hù)層開采條件的煤與瓦斯突出煤層的虛擬保護(hù)層開采,提高工作面、煤巷條帶和石門揭煤的區(qū)域消突和瓦斯抽放效率,縮短抽放時(shí)間,加大抽放半徑,減少鉆進(jìn)工程量,最大限度地消除瓦斯災(zāi)害。

圖2 虛擬保護(hù)層開采后

2 工業(yè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

胡底煤業(yè)為煤與瓦斯突出礦井,投產(chǎn)時(shí)間不長,因高地應(yīng)力、高瓦斯等問題,瓦斯治理難度大?，F(xiàn)開采的3號煤層屬于單一突出煤層,不具備開采保護(hù)層條件,煤層賦存不均衡,煤層頂板和底板均存在300 mm以上的軟分層,在工作面防突效果檢驗(yàn)中經(jīng)常造成鉆屑量超標(biāo),影響煤巷安全高效掘進(jìn)和回采。瓦斯治理措施主要是采取底抽巷施工穿層鉆孔對軟分層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽,但目前軟分層瓦斯預(yù)抽措施效果不明顯,在工作面防突效果檢驗(yàn)中仍然存在鉆屑量超標(biāo)的現(xiàn)象。

2.2 掏煤所需設(shè)備

胡底煤業(yè)軟分層水力掏煤措施使用的設(shè)備主要有鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、高壓水泵、水箱、新型高壓密封旋轉(zhuǎn)裝置、高壓管、高壓控制閥、高壓密封三棱鉆桿、高壓噴頭、防超限裝置、煤氣水分離裝置等。

2.3 水力掏煤工藝

1) 穿層鉆孔的施工。使用高壓密封水力沖孔鉆桿(D73 mm)、高低壓轉(zhuǎn)換鉆頭(D133 mm)、高壓水辮和靜壓供水管施工水力沖孔試驗(yàn)孔。

2) 水力掏煤過程。鉆孔打好后,啟動(dòng)乳化液泵,壓力從低壓慢慢上調(diào),觀察掏煤出煤量,直到出煤量較大時(shí)保持泵壓不動(dòng),后撤鉆桿進(jìn)行水力掏煤作業(yè),當(dāng)掏煤鉆頭進(jìn)入煤層底板、返清水后結(jié)束掏煤。掏煤結(jié)束后清理沉淀池中沖出的煤泥,將煤泥裝入編織袋中標(biāo)定重量,記錄壓力、流量參數(shù)、時(shí)間及煤量。

3) 封孔聯(lián)抽。卸下防噴裝置,按照施工穿層鉆孔封孔方式進(jìn)行封孔并連接抽放管路,安裝抽采參數(shù)測定孔板,每天觀測1次抽采參數(shù)。

2.4 水力掏煤試驗(yàn)方案

在胡底煤業(yè)1305底抽巷左右兩幫布置水力掏煤試驗(yàn)孔,鉆孔間距為5 m,共施工掏煤試驗(yàn)鉆孔10個(gè)。其中1～5號孔布置在1305底抽巷左幫,6～10號孔布置在1305底抽巷右?guī)?左右兩幫掏煤孔呈對稱布置。鉆孔施工參數(shù)如表1所示。

表1 鉆孔施工參數(shù)

3 水力掏煤效果考察

3.1 掏煤量考察

在10次掏煤過程中,掏煤5號鉆孔由于鉆機(jī)漏油未能進(jìn)行完全掏煤,掏煤8號鉆孔打偏,未見軟煤,掏煤9號由于停水未能完全掏煤。其余7個(gè)鉆孔掏煤正常,并且一次完成掏煤,各個(gè)鉆孔的掏煤結(jié)果如表2所示。

表2 鉆孔出煤量分析

3.2 消突效果考察

3.2.1 區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)

礦井采用實(shí)測煤層殘余瓦斯含量方法進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn),殘余瓦斯含量臨界值為8.0 m3/t.通過在1305底抽巷實(shí)施水力掏煤措施后,提高了工作面的消突效果。在對13052、13053煤巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)時(shí),13052煤巷掘進(jìn)工作面的殘余瓦斯含量為5.50～6.11 m3/t,13053煤巷掘進(jìn)工作面的殘余瓦斯含量為5.52～6.50 m3/t.兩個(gè)煤巷掘進(jìn)工作面的殘余瓦斯含量均小于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性臨界值,且在鉆孔施工過程中,未出現(xiàn)噴孔、卡鉆、頂鉆等突出預(yù)兆,消除了煤層突出危險(xiǎn)性。

3.2.2 區(qū)域驗(yàn)證

礦井采用鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證。鉆屑量S的臨界值為6 kg/m,鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的臨界值為0.5 mL/(g·min1/2)。在采取水力掏煤措施后,13052煤巷掘進(jìn)工作面的鉆屑量最大值為3.8 kg/m,K1最大值為0.37 mL/(g·min1/2);13053煤巷掘進(jìn)工作面的鉆屑量最大值為3.6 kg/m,K1最大值為0.39 mL/(g·min1/2),均小于臨界值,且在鉆孔施工過程中,未出現(xiàn)噴孔、卡鉆、頂鉆等突出預(yù)兆。

3.2.3 掘進(jìn)效率

在1305底抽巷水力掏煤之后,解決了軟煤瓦斯抽采問題,縮短了瓦斯的抽采周期,有效地促進(jìn)了煤巷的掘進(jìn)效率。13052煤巷掘進(jìn)工作面平均掘進(jìn)速度由原來的每天2.4 m提高到4.71 m,提高了0.96倍;13053煤巷掘進(jìn)工作面平均掘進(jìn)速度由原來的每天2.6 m提高到6.65 m,提高了1.58倍,效果十分顯著。

4 結(jié) 語

1) 采用高突性軟分層作為胡底礦3號煤的虛擬保護(hù)層,利用穿層鉆孔和水射流對軟分層進(jìn)行掏煤開采,能夠以最少的工程成本和時(shí)間取得保護(hù)層開采的效果。

2) 采用水力掏煤措施后,掘進(jìn)工作面的殘余瓦斯含量、鉆屑量、K1均小于突出危險(xiǎn)性臨界值,且在鉆孔施工過程中,未出現(xiàn)噴孔、卡鉆、頂鉆等突出預(yù)兆,消除了煤層的突出危險(xiǎn)性,明顯提高了煤巷掘進(jìn)速度。