软分层水力掏煤消突措施试验研究

张海波,马伟杰,刘 锋 ,连现忠

(1.山西晋煤集团 沁水胡底煤业有限公司,山西 晋城 048214;2.山西晋能控股装备制造集团 赵庄煤业有限责任公司,山西 长治 046600;3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122;4.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122)

水力掏煤技术[1]在煤矿中的应用已经得到了长足的发展,通常利用水力掏煤技术压裂煤层[2],增大煤层的透气性,提高煤层的瓦斯抽采率,在煤矿瓦斯治理方面取得了较好的应用效果。杨腾龙等[3]为了提高下向钻孔的抽采率,解决消突效果不好导致的采掘接替紧张问题,优化了下向钻孔水力冲孔工艺,使得单孔平均掏煤量达3～5 t,实现了水力冲孔措施钻孔的高效抽采。张保法等[4]利用射流压力与瓦斯压力的相互作用,优化冲孔钻具和布置方式,在豫西孟津煤矿实现了低透气煤层快速消突。宁德义[5]通过水力冲孔倾角对水力冲孔效果的影响规律,提出了随着倾角的增大,塑性区域破坏范围和出煤量出现先小后大的变化规律。李国旗等[6]在李沟煤矿底抽巷进行水力冲孔试验,考察水力冲孔卸压前后煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力的变化。李云等[6]通过在潞安矿区进行穿层钻孔水力冲孔试验,得出穿层钻孔水力冲孔参数在冲孔压力12 MPa和冲孔时间15 min/m时冲出合理煤量为0.15 t/m,形成了一套适合该矿区3号煤层水力冲孔参数。许江等[7]通过多场耦合瓦斯物流模拟实验对水力冲孔后瓦斯抽采与冲孔前进行对比,结果表明水力冲孔后相同位置的瓦斯压力下降速度更快,气体流量更大,卸压效果更明显。时至今日,依然有以下问题需要深入研究:水力冲孔的消突机理;冲孔后煤体的应力变化及裂隙的动态演化;对瓦斯解吸、吸附、运移规律还没有准确的研究数据;水力冲孔的适用条件还在摸索中,在运用中取得的效果时好时坏,没有形成完善的规范体系。尤其是在不具备开采保护层的矿井中,低透气性煤层与煤质较软的煤层,运用水力冲孔卸压增透效果不明显。基于此,提出在胡底煤业进行软分层水力掏煤消突措施试验研究,通过水力掏煤构建“虚拟保护层”,促使煤层得到充分卸压,加大煤层透气性,提升抽采效率,降低突出危险。

1 软分层水力掏煤防突机理

为了解决现有技术的不足,针对不具备保护层开采条件或开采成本太高的高突煤层,提供一种煤矿井下“虚拟保护层”水力掏煤开采方法。虚拟保护层定义为:对开采煤层的某一固定层位的极薄分层先进行开采,从而达到保护其他煤层的目的,这一固定层位的极薄分层叫“虚拟保护层”,也称之为煤层的自我保护层(见图1、图2)。先行开采的极薄分层优先选择突出危险性较大的软分层,主要目的是通过软分层水力掏煤开采,在整个煤层开采范围内形成均匀卸压区域,从而达到区域消突的效果,实现不具备保护层开采条件的煤与瓦斯突出煤层的虚拟保护层开采,提高工作面、煤巷条带和石门揭煤的区域消突和瓦斯抽放效率,缩短抽放时间,加大抽放半径,减少钻进工程量,最大限度地消除瓦斯灾害。

图2 虚拟保护层开采后

2 工业试验

2.1 试验区概况

胡底煤业为煤与瓦斯突出矿井,投产时间不长,因高地应力、高瓦斯等问题,瓦斯治理难度大。现开采的3号煤层属于单一突出煤层,不具备开采保护层条件,煤层赋存不均衡,煤层顶板和底板均存在300 mm以上的软分层,在工作面防突效果检验中经常造成钻屑量超标,影响煤巷安全高效掘进和回采。瓦斯治理措施主要是采取底抽巷施工穿层钻孔对软分层瓦斯进行预抽,但目前软分层瓦斯预抽措施效果不明显,在工作面防突效果检验中仍然存在钻屑量超标的现象。

2.2 掏煤所需设备

胡底煤业软分层水力掏煤措施使用的设备主要有钻机、钻杆、钻头、高压水泵、水箱、新型高压密封旋转装置、高压管、高压控制阀、高压密封三棱钻杆、高压喷头、防超限装置、煤气水分离装置等。

2.3 水力掏煤工艺

1) 穿层钻孔的施工。使用高压密封水力冲孔钻杆(D73 mm)、高低压转换钻头(D133 mm)、高压水辫和静压供水管施工水力冲孔试验孔。

2) 水力掏煤过程。钻孔打好后,启动乳化液泵,压力从低压慢慢上调,观察掏煤出煤量,直到出煤量较大时保持泵压不动,后撤钻杆进行水力掏煤作业,当掏煤钻头进入煤层底板、返清水后结束掏煤。掏煤结束后清理沉淀池中冲出的煤泥,将煤泥装入编织袋中标定重量,记录压力、流量参数、时间及煤量。

3) 封孔联抽。卸下防喷装置,按照施工穿层钻孔封孔方式进行封孔并连接抽放管路,安装抽采参数测定孔板,每天观测1次抽采参数。

2.4 水力掏煤试验方案

在胡底煤业1305底抽巷左右两帮布置水力掏煤试验孔,钻孔间距为5 m,共施工掏煤试验钻孔10个。其中1～5号孔布置在1305底抽巷左帮,6～10号孔布置在1305底抽巷右帮,左右两帮掏煤孔呈对称布置。钻孔施工参数如表1所示。

表1 钻孔施工参数

3 水力掏煤效果考察

3.1 掏煤量考察

在10次掏煤过程中,掏煤5号钻孔由于钻机漏油未能进行完全掏煤,掏煤8号钻孔打偏,未见软煤,掏煤9号由于停水未能完全掏煤。其余7个钻孔掏煤正常,并且一次完成掏煤,各个钻孔的掏煤结果如表2所示。

表2 钻孔出煤量分析

3.2 消突效果考察

3.2.1 区域防突措施效果检验

矿井采用实测煤层残余瓦斯含量方法进行区域防突措施效果检验,残余瓦斯含量临界值为8.0 m3/t.通过在1305底抽巷实施水力掏煤措施后,提高了工作面的消突效果。在对13052、13053煤巷掘进工作面进行区域防突措施效果检验时,13052煤巷掘进工作面的残余瓦斯含量为5.50～6.11 m3/t,13053煤巷掘进工作面的残余瓦斯含量为5.52～6.50 m3/t.两个煤巷掘进工作面的残余瓦斯含量均小于煤与瓦斯突出危险性临界值,且在钻孔施工过程中,未出现喷孔、卡钻、顶钻等突出预兆,消除了煤层突出危险性。

3.2.2 区域验证

矿井采用钻屑指标法进行区域验证。钻屑量S的临界值为6 kg/m,钻屑瓦斯解吸指标K1的临界值为0.5 mL/(g·min1/2)。在采取水力掏煤措施后,13052煤巷掘进工作面的钻屑量最大值为3.8 kg/m,K1最大值为0.37 mL/(g·min1/2);13053煤巷掘进工作面的钻屑量最大值为3.6 kg/m,K1最大值为0.39 mL/(g·min1/2),均小于临界值,且在钻孔施工过程中,未出现喷孔、卡钻、顶钻等突出预兆。

3.2.3 掘进效率

在1305底抽巷水力掏煤之后,解决了软煤瓦斯抽采问题,缩短了瓦斯的抽采周期,有效地促进了煤巷的掘进效率。13052煤巷掘进工作面平均掘进速度由原来的每天2.4 m提高到4.71 m,提高了0.96倍;13053煤巷掘进工作面平均掘进速度由原来的每天2.6 m提高到6.65 m,提高了1.58倍,效果十分显著。

4 结 语

1) 采用高突性软分层作为胡底矿3号煤的虚拟保护层,利用穿层钻孔和水射流对软分层进行掏煤开采,能够以最少的工程成本和时间取得保护层开采的效果。

2) 采用水力掏煤措施后,掘进工作面的残余瓦斯含量、钻屑量、K1均小于突出危险性临界值,且在钻孔施工过程中,未出现喷孔、卡钻、顶钻等突出预兆,消除了煤层的突出危险性,明显提高了煤巷掘进速度。