复合水力化措施在霍尔辛赫煤业的应用∗

王龙康　李祥春　李安金　刘艳丽　梁敏　张如明　常溪　尤冲(.中国矿业大学(北京)管理学院,北京市海淀区,0008; .中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,0008; .中煤盘江重工有限公司,贵州省贵阳市,550009; .国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京市朝阳区,0009)



复合水力化措施在霍尔辛赫煤业的应用∗

王龙康1,2李祥春2李安金2刘艳丽2梁敏3张如明4常溪1尤冲1
(1.中国矿业大学(北京)管理学院,北京市海淀区,100083; 2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 3.中煤盘江重工有限公司,贵州省贵阳市,550009; 4.国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京市朝阳区,100029)

摘 要针对霍尔辛赫煤业瓦斯含量高、煤层透气性低、不具备保护层开采条件等问题,选择在西回风大巷和8＃联络巷试验复合水力化卸压增透措施,阐述了复合水力化措施的工艺流程及泄压增透机理。研究表明,采取复合水力化卸压措施后,抽采浓度、日抽采纯量及纯瓦斯抽采流量得到有效提高,同时,在采取复合水力化卸压增透措施后,在巷道掘进过程中,效检指标钻屑瓦斯解析指标K1和钻屑量S的超标率明显降低,提高了巷道的掘进速度,有效缓解了工作面接替紧张的局面。

关键词水力化措施 泄压增透 抽采浓度 抽采纯量 钻屑瓦斯解析指标 钻屑量

近年来,随着开采深度的增加,地压也不断增大,煤与瓦斯动力灾害的威胁也越来越大,特别是一些高应力、大采深、无煤柱保护的低透气松软煤层,瓦斯抽采难度大,严重影响了工作面的采掘进度。因此,如何在大采深、低透气性煤层中有效解决瓦斯抽采效率低下,工作面采掘进度慢,接替紧张等问题,确保煤巷快速安全掘进是矿井瓦斯灾害防治急需解决的关键问题。为了提高瓦斯抽采效率,有效预防煤与瓦斯突出,国内学者及现场工作人员针对无保护层开采的煤层先后试验应用了松动爆破、超前排放钻孔、深孔控制卸压爆破和预抽煤层瓦斯等多项防突措施,有效减少了煤与瓦斯突出事故的发生,取得了明显的防突效果,但是这些消突措施都具有相对的局限性。水力冲孔及水力割缝等水力化泄压增透措施工艺流程相对简单,不易诱导煤与瓦斯突出,是一种可靠的泄压增透措施。水力冲孔泄压增透措施利用岩石巷道为安全屏障,利用带压水流作用冲出部分煤体和瓦斯,并在煤体中冲出孔洞,引起孔洞周边煤岩体应力降低及应力重新分布,提高煤层的透气性,实现采掘工作面的安全快速采掘。由于水力冲孔冲出煤量多,煤体卸压和排放瓦斯充分,从而能够快速消除工作面的突出危险性。

霍尔辛赫煤业瓦斯含量高,煤层透气性低,属于难以抽采煤层,同时不具备保护层开采条件,造成采掘进度慢,工作面接替紧张,选择在西回风大巷和8＃联络巷试验采取水力冲孔和孔底切割相结合的复合水力化卸压增透措施,有效解决工作面接替紧张局面。

1　试验区概况

霍尔辛赫煤业3＃煤层瓦斯含量为10.93m3/t,瓦斯压力为0.18 MPa,煤层透气性低,瓦斯难以抽采。试验地点选在西回风大巷尽头和主运大巷与西回风大巷之间的8＃联络巷。两条巷道形状均为矩形,西回风大巷试验区巷断面尺寸为4.35m× 5.5m(高×宽);8＃联络巷试验区巷断面尺寸为3.8m×5.3m (高×宽)。主运大巷为掘进工作面,所选试验区处于主运大巷的回风流中,风量满足工作要求。试验区煤层为近水平,煤层底板等高线平均为＋430 m,地面标高平均为＋926.5 m,煤层厚度5～6m,根据现场观察8＃联络巷试验区煤层裂隙较发育,西回风大巷试验区煤层裂隙发育较差,且在打钻时有多个孔见矸。

2　复合水力化措施在现场的应用

2.1水力化措施孔的布置方式

在西回风大巷和8＃联络巷共布置20个钻孔用于实施复合水力化措施。开孔位置距离底板1.5m,为考察复合水力化措施的有效影响半径, 20个措施孔分为五组,每组4个钻孔,组间距为5 m,其中8＃联络巷布置钻孔间距为4m的一组钻孔,西回风大巷布置钻孔间距为2.5 m、3 m、3.5m、4.5m的四组钻孔,孔高1.5m,呈“一”字型布置,措施钻孔的布置见图1,钻孔施工参数见表1。

图1　措施钻孔布置图

2.2技术参数与工艺过程

此次试验钻孔均为顺层钻孔,钻孔全段处于煤层中,考虑到采用聚氨酯封孔长度12m,从孔口向里预留15m封孔段不进行强化增透,剩余段进行水力强化增透。水力强化增透试验从10＃钻孔开始,根据10＃钻孔试验时返水情况、携带煤渣情况和煤渣块度,确定试验采用10～16MPa的水压冲洗钻孔,35～36MPa的水压切割钻孔;由内向外每0.5～0.6m作为一个冲孔循环,每个循环冲孔时间为1.5min,每后退1～3 m观察返水情况、携带煤渣情况和煤渣块度。

复合水力化增透试验情况统计见表2。根据现场试验数据记录,返水正常情况下,携带的煤渣块度大多是枣核到杏核般大小,此时的返水较清;当出现返水量变小的情况下,有较大的煤块堵塞钻孔,此时会出现较短时间的大量喷水,水浑浊且携带大量煤渣,煤渣块度最大有拳头般大小;冲出煤量均在1t左右。根据现场瓦斯探头检测,冲孔前和冲孔后试验区巷道中瓦斯浓度几乎不变化。

表1　措施孔施工参数表

表2　水力冲孔卸压增透试验情况统计

2.3 效果考察分析

采取复合水力化增透措施的有15个钻孔,其中5＃孔与8＃孔由于空口破坏严重,封孔存在漏气情况,故这两个未并入抽采管路。由于篇幅所限,给出6个钻孔的抽采效果图,如图3所示。

图3　各措施孔瓦斯抽采效果图

由图3(a)可以看出,10＃钻孔的最高抽采浓度为99.9%,最低浓度为0%。其最高浓度出现在刚并入管路时,最低浓度是水和煤渣堵孔造成的, 10＃钻孔的抽采浓度和抽采流量极不稳定,变化幅度较大,日抽采纯量最多时为185.35m3,20d累计抽采瓦斯量636.74m3。

由图3(b)可以看出,11＃钻孔抽采浓度和抽采流量整体较稳定,最高抽采浓度和最大抽采流量均出现在并管抽采时,分别为18.4%、0.227m3/ min,此时的日抽采纯量最高为60.15m3,18d的累积抽采瓦斯量248.11m3。

由图3(c)可以看出,12＃钻孔并入抽采管路后前两天,由于封孔时聚氨酯进入封孔管,将封孔管堵死,这两天的抽采量为0m3,疏通之后,抽采浓度上升至43.4%,日抽采瓦斯纯量最高63.12m3,累积抽采瓦斯量226.35m3。

由图3(d)和(e)可以看出,15＃钻孔最高抽采浓度52.3%,最低12.4%;16＃钻孔最高抽采浓度46.4%,最低25%;15＃、16＃钻孔10d累积抽采量分别为186.72m3、208.05m3。

由图3(f)可以看出,19＃钻孔效果较好,抽采浓度最高71.7%,最低38.6%,5d的累积抽采瓦斯量已达到148.86m3。

从以上效果分析可以看出,采取水力冲孔卸压措施后,抽采浓度、日抽采纯量及纯瓦斯抽采流量都得到有效提高。同时,在采取水力冲孔卸压增透措施后,在巷道掘进过程中,效检指标钻屑瓦斯解析指标K1和钻屑量S的超标率明显降低,提高了巷道的掘进速度,有效缓解了工作面接替紧张的局面。

3　复合水力化措施泄压增透机理分析

水力冲孔过程是利用带压水流破坏煤体结构,改变煤体及顶底板岩层应力分布,释放大量瓦斯的过程。水力冲孔的实质首先是利用高压水射流破碎煤体在一定时间内冲出大量煤体,形成较大直径的孔洞,从而破坏煤体原应力平衡状态,孔洞周围煤体向孔洞方向发生大幅度位移,促使应力状态重新分布,集中应力带前移,有效应力降低;其次煤层中新裂缝的产生和应力水平的降低打破了瓦斯吸附与解吸的动态平衡,使部分吸附瓦斯转化成游离瓦斯,而游离瓦斯则通过裂隙运移得以排放,大幅度地释放了煤体及围岩中的弹性潜能和瓦斯膨胀能,煤层瓦斯透气性显著提高;最后,高压水润湿了煤体,煤体的塑性增加,脆性减小,可降低煤体中残存瓦斯的解吸速度。针对煤体较硬,坚固性系数较大的煤层,水力冲孔不能有效冲刷出煤体,水力冲孔措施不能达到预定效果。此时,先采取孔底切割的措施,破坏钻孔底部煤体的强度,使部分煤体破碎剥落,然后采取水力冲孔的措施,能冲出煤体并形成孔洞,达到泄压增透的目的。通过实施复合水力化措施,增加了松软低透煤层瓦斯解吸速度,提高了瓦斯抽放效果。同时,利用水力冲孔过程冲出了大量瓦斯和一定数量的煤炭,因此在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域,在这个安全区域内,破坏了突出发生的基础条件,起到了有效防治突出效果。

4　结论

(1)水力冲孔泄压增透措施通过高压射流破碎煤体来改变煤体应力状态,造成冲出孔洞周围煤体应力重新分布,增加煤体透气性,提高煤层的瓦斯预抽效果。

(2)根据试验时返水情况、携带煤渣情况和煤渣块度,确定10～16MPa的水压冲洗钻孔,35～36MPa的水压切割钻孔为最佳水压。

(3)通过采取水力冲孔卸压增透措施,抽采浓度、日抽采纯量及纯瓦斯抽采流量都得到有效提高,巷道掘进过程中,效检指标超标率明显降低,巷道的掘进速度提高,有效缓解了工作面接替紧张的局面。

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(责任编辑张艳华)

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

中图分类号TD713.34

文献标识码A

基金项目∗∶国家自然科学基金(51304212),北京高等学校青年英才计划项目(YETP0930)

作者简介:王龙康(1983－),男,山西太原人,博士,从事煤矿安全、风险评价、风险预警、应急管理、安全战略等方面的研究。