煤层注水快速掘进工艺对煤层气贮存效果的研究

2020-08-17郑育春

江西化工 2020年4期

郑育春

(神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西神木 719319)

1 引言

煤层气作为煤炭化工行业重要的组成部分，一直以来都具有很强的经济价值和研究价值。然而煤层气的开采和利用，受各种因素的制约影响。蔡杰[1]等通过勘探龙凤井田煤层气的赋存特征，对其开采利用价值进行了详尽的分析；桑树勋[2]等通过对应力释放构造煤的煤层气开发理论进行了分析，从力学机理分析了应力构造下的条件，并研究了不同应力条件下煤层气的开发；倪小明[3]通过对地质单元的划分，整理了不同地质单元的煤层气开发条件，指出可以通过对地质单元的划分，总体规划煤层气的开发。本文通过分析，认为在煤层注水的前提下，在巷道掘进的时候使用快速掘进的方法，可以抑制煤层气的扩散，使其吸附在湿润的煤体里面，同时加快了抽采设备的上线速度，为后续集中抽采创造了条件。

2 煤层注水条件下煤层气的效检指标

煤层注水后，其强大的压力会使煤体渐渐出现损坏，煤体的弹性势能会逐渐释放，煤体的应力会逐渐降低。水分进入煤层节理裂隙后，水的存在使得煤体更加潮湿，大大降低了煤层气的泄露速率。煤层气由于煤体对其吸附作用，不再很活跃，起到了很好的抑制煤层气封闭瓦斯的效果。同时由于水分对煤体的软化作用，巷道的快速掘进不会造成很大的矿山压力，可使得掘进工程加快速率，提前完工，可以提前对煤层气进行抽采开发。

注水后煤层气指标用瓦斯涌出初速度q值来衡量，q值临界指标为4.0L/min。需在高压注水2小时后进行测量。实际操作中，安置了三个校验孔，3个孔中的任何1个孔所得的数值高于临界值，我们都认为其对于抑制煤层气溢出没有效果。注水前后每个循环的瓦斯涌出初速度q见表1。

表1 注水前后每个循环的瓦斯涌出初速度q对比

从表中的前后数据我们知道，注水后煤层气的涌出速度远小于临界值，说明注水对于煤层气的抑制有基础的作用。之后我们可以加快矿井的掘进速度，争取尽早铺设抽采设备，同时需要确定快速掘进是巷道是否安全。

3 快速掘进时巷道安全研究

巷道快速掘进时，需对巷道进行超前临时支护研究。超前临时支护主要是为巷道掘进和后期锚网的铺设提供足够的空间，其具有以下特点：

(1)超前临时支护的支架设计简单，支护强度高，即使是大范围的移架作业也能实现迅速移动，对新掘进漏出的顶板进行临时支护效果好；

(2)临时支架在巷道横向以及纵向都有足够的调节距离，因为支架的体积较小，节省了大量的空间，给锚杆钻孔以及巷道掘进提供了足够时间和空间；

(3)超前临时支护支架自动化水平较高，可用液压作为动力，系统安全可靠，满足巷道支护的要求；

(4)临时支架与锚杆施工以及掘进机作业在空间上相互独立，实现了同一空间的多项作业。

在掘进机掘进的过程中，超前临时支架可以对巷道空顶起到支撑的作用，从而保证掘进工作的安全进行。因为煤体硬度较低，切割后的煤体脆性大，需要及时进行支护措施。在液压的动力作用下，超前临时支架支承煤壁，受到初始支撑力，超前临时支架承载阶段主要分为初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。

初始支撑阶段，在液压油的作用下，液压支架受到初始支撑力，初始支撑力大小由液压缸以及液压泵站压力所决定；承载增阻阶段，顶板位移变化明显，液压支架支撑力也随之增大，在压力作用下，支架阻力变大，顶板变形速度在支架的支撑力作用下变慢；恒阻阶段，顶板的位移变形增加，支架的负荷力也增大，当液压支架的支撑力值和安全阈值相同时，支架开始卸载压力，不断反复此过程，直至超前临时支架受力稳定，此时其受到的力为称为工作阻力。

本文利用CAXA3D数值模拟软件中的CAE模块，对超前临时支架的横梁以及支撑立柱的受力以及位移状况进行数值模拟计算。模拟中，支架的支撑高度范围为2500-4500mm，在巷道掘进后顶板的最大离层厚度为0.6m，取1.1m为超前临时支护所需支护的顶板厚度，顶板煤岩容重为25KN/m3，液压支架油缸的额定工作压力为34MPa，支撑立柱的工作阻力为270KN，一个支架共有4个立柱，所以临时支架的总工作阻力值为1080KN。

经过模拟计算，分别得到横梁应力变化云图(图1)和横梁位移变化云图(图2)。从图1和图2可以看出，横梁两端因为受力集中，因此所受的应力值最大，应力值最小的区域出现在距离横梁段1/5处，横梁中间部分在虽然受力不大，但是在长时间应力的作用下，位移达到最大。