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★ 煤矿安全 ★

水力造穴卸压增透技术在底板岩巷中的应用研究

张俊伟

(平煤股份勘探工程处,河南省平顶山市,467200)

摘 要 为了解决高瓦斯、低渗透性煤体瓦斯抽采难度大、煤巷掘进缓慢的问题,通过理论分析和现场试验的方法,研究了水力造穴卸压增透技术在煤巷底抽巷的应用效果。试验结果表明:水力造穴钻孔在煤体内制造孔洞,对煤体可起到卸压增透的效果,相对普通穿层钻孔,初始瓦斯抽采浓度增加了30%,瓦斯抽采浓度衰减到30%以下,时间减缓了10 d左右;钻孔影响半径由1.5 m扩大到3 m,增长了1倍,岩巷治理进度由每月50 m左右提高到80 m左右,提高了60%;掩护煤巷掘进速度从每月120 m提高到每月150 m,提高了25%。

关键词 水力造穴 卸压增透 瓦斯抽采浓度 掘进速度

随着我国矿井开采向纵深不断蔓延,煤层显现出了高瓦斯、煤体松软、透气性差、容易突出等特点[1-2]。目前瓦斯抽采是最常用的解决方法,瓦斯抽采钻孔可以有效地抽采煤层内的瓦斯,一方面可以降低瓦斯压力,起到卸压防突的效果;另一方面也可以将抽采出的高浓度瓦斯作为能源利用,保护环境,起到一举多得的效果。然而,随着开采深度逐年增加,煤层地质条件变的更加复杂,煤层透气性降低导致钻孔抽采瓦斯的效果大打折扣,以往常规的瓦斯抽采方法已不能满足瓦斯治理的需要,因此,需要研究新的方法来增加煤层透气性,提高瓦斯的抽采量。通过多年来的研究,目前采用较多的煤层增透方法主要有水力压裂、二氧化碳预裂、水力割缝、水力造穴等措施[3-6]。由于各个矿井煤体特性不一,增透技术也不能盲目使用,需要根据煤体特性进行试验才能确定适用的卸压增透方法。笔者通过研究水力造穴技术在平煤八矿的应用,制定了钻孔施工设计和措施,布置了相应的钻孔施工工艺。研究结果表明,水力造穴技术的应用不仅起到卸压增透的效果,还显著提高了钻孔治理进度和巷道掘进速度,保证了平煤八矿正常的采掘接替,极大提高了煤矿的安全效益和经济效益。

1 水力造穴原理与设备选型

1.1 水力造穴原理

水力造穴卸压增透技术的原理是通过利用高压水流在煤体中冲刷形成一个较大孔洞,并在扩展煤体原生裂隙的基础上,形成了新的次生裂缝,为瓦斯流动提供空间,增加了煤体瓦斯的流动强度,钻孔周围的煤体弹塑性状态被改变[7]。主要效果体现为以下3点。

(1)在煤体内实现变径造穴,形成了一个类圆柱体的孔洞,为煤体膨胀变形、卸压、相对移动提供了空间。

(2)促进了煤体次生裂隙发育,大幅提高了煤层透气性,增加了游离瓦斯含量,提高了瓦斯抽采效果。

(3)利用高压水排出煤体内煤粉,避免巷道内粉尘超限,保证施工人员的职业健康。

1.2 设备选型

施工水力造穴钻孔首先要考虑钻机扭矩以及冲孔泵压的大小,因此本次现场试验选取钻机型号为ZDY-4500SLXY的煤矿用履带式液压钻机,钻机扭矩为4500转,以及BQWL200/31.5-XQ200/1200矿用泵站,冲孔泵额定泵压为26 MPa,流量200 L/min,可以满足施工需求。施工采用密封性好、耐压力的三棱钻杆,其钻杆密封性强可以保证在冲孔时高压水流不因钻孔距离长而损失压力。

施工钻头采用孔径为113 mm的硬岩钻头,钻头和钻杆之间连接一根造穴用的水刀,并用高低压转换装置连接到钻头与钻杆之间。施工过程中,水压较低时水流从钻头流出排渣,当开始造穴时,提高水压钻头前端封闭,高压水流从水刀两侧喷出,高压水流在旋转中对煤体进行冲刷造穴,不需要开孔后重新放入造穴钻头再进行造穴,极大地提高了打钻与造穴的作业效率。

高低压转换造穴装置通过装置内部活塞的移动来实现前端出水与喷头出水。低压水作用在活塞上,活塞不产生位移,水流通过该装置从钻头前端流出,达到冷却钻头和排渣的目的。一般超过8 MPa高压水作用在活塞上,活塞产生位移,前端通道被密封,水流在装置内部形成高压,从射流喷头处喷射。高压水经过射流喷头后被再次加速,喷射出的高压水流冲击煤体,破坏煤层原有的状态,使钻孔周围煤体破碎形成孔洞。

2 工业性试验

2.1 工作面概况

平煤股份八矿矿井设计生产能力300万t/a。2011年复核生产能力360万t/a(豫工信煤〔2011〕288号)。位于平顶山市区东部,距市区11 km,矿井东西走向长12.5 km,南北倾斜宽3.36 km,矿区面积41.42 km2。矿区东面距离京广铁路孟庙站58 km,孟宝支线斜穿井田。

己15-21030工作面为己一首采工作面,位于己一采区中部,西起采区下山,东至国铁保护煤柱,南部北部尚未开发,该工作面煤厚2.9~3.8 m,平均3.3 m,构造区域有变薄情况。煤层倾角一般在10°~18°之间。该工作面瓦斯压力2.4 MPa,瓦斯含量12.02 m3/t,根据突出危险等级划分,属突出危险工作面。

2.2 钻孔布置

选取在平煤八矿己一采区己15-21030机巷底抽巷进行水力造穴工业性试验,为了体现水力造穴与普通钻孔的效果考察对比,同时在该巷道的其他区段施工穿层钻孔,这样就保证了在地质条件相同的基础上,外在影响条件可以忽略。水力造穴钻孔布置剖面图见图1,钻孔设计参数见表1。

1 钻孔设计参数表

孔号孔径/mm孔深/m仰角/(°)出煤量/t19429.628.05.129425.837.54.339422.651.03.649420.068.53.359420.088.53.369422.073.03.679426.059.54.2

图1 水力造穴钻孔布置剖面图

由图1和表1可知,己15-21030机巷底抽巷施工穿层钻孔,掩护机巷掘进,控制巷道两帮各15 m左右,水力造穴钻孔设计影响半径3 m,是普通穿层钻孔影响半径的2倍,钻孔施工个数由原来的13个减少为7个。水力造穴施工工艺为先施工穿层钻孔,施工至设计孔深,为了避免留有钻孔空白带,要求穿过煤层顶板不低于0.5 m,然后实施后退式造穴,退至己15煤层后,打开冲孔泵,将泵压逐步升高至25 MPa,利用高压水流对煤体进行冲刷,冲出的煤体通过钻孔排出到孔外,预计造穴孔直径为0.8~1 m,通过考核排出的煤量来判断造穴孔的体积,造穴煤量采用现场计量,当出煤量达到设计煤量后,造穴完成,开始逐步起钻并封孔。施工全过程均有打钻监控视频记录,保证真打钻、真造穴、真封孔。

3 水力造穴钻孔效果考察

3.1 造穴出煤量考察

笔者对部分造穴孔进行了统计分析,见表2。由表2可以看出,造穴孔出煤量基本符合设计煤量。如仰角为28°的1号孔,造穴煤段距离在5 m左右,出煤量最多,达到5 t左右;仰角为88.5°的5号孔,造穴煤段距离在3 m左右,出煤量在3 t左右;基本达到了每米造穴段不低于1 t煤的设计要求。高压水流将孔内煤渣排出,在煤体内形成一个直径约1 m的类圆柱体,可以对煤体起到卸压释放瓦斯的作用。煤体在孔内发生位移,地应力、瓦斯压力得到释放,同时煤体裂隙发育,形成新的裂隙、沟通原有裂隙,增加了煤体的渗透性,提高了瓦斯抽采的容易程度。

3.2 瓦斯抽采效果考察

选取第1组水力造穴中的1号、4号钻孔,与同一巷道内施工角度一致的普通穿层钻孔1号、9号孔进行对比,瓦斯抽采情况如图2所示。

2 部分造穴孔统计表

组号施工孔号施工角度/(°)设计孔深/m施工孔深/m冲出煤量/t1组1-128.029.6305.11-237.525.8254.51-351.022.6234.01-468.520.0223.51-588.520.0203.31-673.022.0233.61-759.526.02652组2-128.029.6303.62-237.525.8264.02-351.022.6234.02-468.520.0203.32-588.520.0201.02-673.022.0233.52-759.526.0274.23组3-128.029.6305.13-237.525.8254.13-351.022.6233.33-468.520.0203.03-588.520.0203.03-673.022.0233.33-759.526.0234.04组4-128.029.6295.14-237.525.8264.04-351.022.6233.04-468.520.0223.04-588.520.0203.24-673.022.0233.24-759.526.0264.0

图2 水力造穴和穿层钻孔瓦斯抽采情况对比

(1)从图2可以看出,1号、4号水力造穴钻孔初始瓦斯抽采浓度可以达到90%左右,而1号、9号穿层钻孔初始瓦斯抽采浓度为60%左右,水力造穴钻孔相比穿层钻孔,对煤层起到卸压增透的效果较好,瓦斯抽采初始浓度提高了30%左右。

(2)水力造穴钻孔瓦斯抽采浓度衰减到20%左右,用时约30 d,1号穿层钻孔瓦斯抽采浓度在第20 d左右就衰减到20%,相比之下水力造穴钻孔瓦斯抽采浓度衰减到20%以下,时间减缓了约10 d。

3.3 施工进度考察

3.3.1 巷道治理进度考察

巷道治理进度是指在巷道内施工区域瓦斯治理钻孔的施工进度,通过现场统计,水力造穴钻孔和穿层钻孔施工进度见表3。

3 施工进度对比表

钻孔类型钻孔设计组间距/m孔数/个孔深/m每米巷道钻孔量/m施工个数(个/小班)施工速度/ (m·月-1)普通钻孔313338113235~40水力造穴6716628.7175~80

由表3可知,施工水力造穴钻孔后,治理每米煤巷所需的钻孔工程量从113 m下降到28.7 m,钻孔工程量降低74.6%;水力造穴钻孔影响半径大,治理范围广,水力造穴平均6个小班推进6 m,普通钻孔平均8个小班推进4 m,治理速度是以前的2倍,治理进度从原来的每台钻机35~40 m提高到75~80 m,节省瓦斯治理时间50%以上,治理进度提高了60%左右。

3.3.2 巷道掘进速度考察

从巷道掘进速度分析,结合掘进队劳动组织,选取两段分别采用水力造穴和普通穿层钻孔方式进行治理的巷道,且外部非生产因素影响较少的区段进行巷道单进速度对比分析,具体见表4。

4 巷道掘进速度对比表

区段范围钻孔方式区段长度/m掘进开始日期掘进结束日期掘进时间/d平均进度/(m·月-1)机巷里程660~780 m穿层钻孔1202019年7月2日2019年8月3日29120机巷里程510~610 m水力造穴1002019年5月27日2019年6月17日19150

由表4可知,同等劳动组织情况下,实施水力造穴区域的单进水平达150 m/月,使用传统穿层钻孔进行治理的区域,单进水平为120 m/月,单进水平提升了25%。

4 结语

(1)通过在底抽巷施工水力造穴钻孔,将煤体内的煤体冲出,极大地增加了煤体渗透性,相比普通穿层钻孔,单孔初始瓦斯抽采浓度提高了约30%,瓦斯浓度衰减到30%以下时间减缓了10 d左右。

(2)施工水力造穴钻孔,钻孔影响半径从1.5 m扩大到3 m,钻孔组间距从3 m扩大到6 m,施工钻孔数量也从13个减少为7个,钻孔工程量减少了74.6%。

(3)水力造穴钻孔施工区域治理进度从原来的每台钻机35~40 m提高到75~80 m,节省瓦斯治理时间50%以上,治理进度提高了60%。

(4)煤巷掘进工作面月掘进速度与施工常规钻孔相比效率提高了25%左右,极大地提高了区域治理进度,保证了采煤工作面的正常接替。

参考文献:

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Application research on technology of hydraulic caving pressure-relief and permeability-enhancement in bottom rock roadway

Zhang Junwei

(Division of Exploration Engineering, Pingdingshan Tian'an Coal Industry Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467200, China)

Abstract In order to solve the problems of difficult gas extraction and slow coal roadway tunneling speedinhigh-gassy and low-permeability coal seam, the application effect of hydraulic hole-making technology for pressure relief and permeability increasing in bottom extractioncoal roadway was studied by theoretical analysis and field test. The test results showed that the hydraulic hole-makingtechnology made holes in the coal body, which had the effect of pressure relief and permeability increasing,compared with the common layer-crossing hole, the initial gas extraction concentration increased by 30%, the gas extraction concentration decreased to below 30%, and the time slowed down by about 10 days; the drilling influence radius doubled from 1.5 m to 3 m, and the progress of rock roadway treatment increased from about 50 m to 80 m per month, which was increased by 60%, and the tunneling speed of the shield coal roadway was increased from 120 m to 150 m per month, which was increased by 25%.

Key words hydraulichole -making, pressurerelief and permeability increasing, gas extraction concentration, tunneling speed

中图分类号 TD713

文献标识码 A

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引用格式:张俊伟. 水力造穴卸压增透技术在底板岩巷中的应用研究[J].中国煤炭,2020,46(7)∶69-72.

Zhang Junwei. Application research on technology of hydraulic caving pressure-relief and permeability-enhancement in bottom rock roadway[J].China Coal, 2020,46(7)∶69-72.

作者简介:张俊伟(1991-),男,河南平顶山人,硕士研究生,主要从事矿井瓦斯治理的研究工作。E-mail:857708604@qq.com。

(责任编辑 张艳华)