平顶山矿区随着矿井开采深度增加, 煤与瓦斯突出灾害威胁日渐严重。自1984年发生第一次煤与瓦斯突出以来, 累计发生突出153次, 总突出煤量15851t、瓦斯85万m3;平均煤量104.3t/次, 平均瓦斯量5592m3/次。其中最大强度为平禹煤电公司2008年“8.1”特大煤与瓦斯突出, 突出煤量2555.4t、瓦斯26万m3。据统计, 在各类突出事故中掘进工作面的突出次数为108次, 占总数的71.1%。
近年来, 矿区不断完善突出危险掘进工作面局部措施, 已形成了以超前瓦斯排放钻孔为核心的综合预抽治理技术体系。矿区实测数据显示, 最高瓦斯含量达30.0m3/t、瓦斯压力达6.60MPa、煤层透气性系数0.0001~0.0061m D, 使突出煤层掘进工作面防突工作面临极大困难:
1) 钻孔工程量大。单一低透气性煤层, 常规超前排放钻孔有效影响半径小, 煤巷掘进面布孔数量多、工程量大。
2) 单一低透气性煤层, 钻孔瓦斯抽放的流量小、时间长、效率低、达标率低。
3) 地应力大, 煤层软, 钻孔施工过程中喷孔、塌孔、夹钻现象严重, 钻孔施工时间长、工效低, 钻孔成型质量差, 影响瓦斯抽放效率。
1 钻割一体化技术研究
国内外矿井对单一低透松软煤层的防治瓦斯突出措施, 比较有效的方法是提前对施工区域进行预抽放, 降低煤层的瓦斯含量、瓦斯压力, 削弱煤与瓦斯突出发生的动力条件, 有效遏制灾害的发生。近年来, 已把高压水射流技术应用到预抽钻孔的施工中, 形成了水力冲孔、割缝、人工造穴等施工工艺。
井下瓦斯抽放钻孔割缝是利用高压水射流设施, 在预先钻好的抽放孔中, 放入高压软管进行割缝。当前水力割缝技术需要解决的主要问题是:
1) 设备体积大, 难以适应井下巷道断面小、工作环境狭小、防爆要求高的要求;
2) 钻孔钻进、水力割缝施工环节多、操作要求较为复杂且用时较多;
3) 松软煤层, 易塌孔, 割缝设施难下到指定位置且难以在钻孔中固定, 在高压水作用下易发生脱位、窜出, 增加了井下作业的危险性。
1.1 钻割一体化工艺
在单一低透气性松软突出煤层中掘进工作面瓦斯排放钻孔施工必须克服地应力大、煤层松软、透气性差所造成的塌孔、夹钻、钻孔成型差、瓦斯排放困难等不利因素的影响, 应对常规高压水射流技术进行改进, 研究适应井下特殊环境要求的新的钻进、割缝一体化施工工艺, 且简单易行, 见图1。
钻割一体化装备在钻孔施工过程中, 高压脉冲水以高度聚能的射流束对钻孔、割缝中的煤岩产生冲蚀、空化、切割破碎, 所产生的煤渣可随回水快速排至孔外, 从而避免夹钻的发生。
由于高压脉冲水射流的冲击、振动、气蚀等动力效应, 使钻孔内相应位置产生裂缝, 导致煤体应力场和裂隙场动态变化, 引起煤体裂隙率增大, 煤层透气性增加, 促进吸附瓦斯快速解吸变为游离瓦斯, 提高了瓦斯排放有效影响半径和抽采效率。
1.2 气渣分离技术
在钻孔钻进、割缝中产生大量的水、瓦斯、煤粉等, 直接排至孔外、涌入到巷道风流中会造成安全隐患。因此必须将涌出的瓦斯直接引入矿井瓦斯抽放管路中, 并对钻孔流出的气、水、钻屑进行分离, 以避免堵塞瓦斯抽放管, 见图2。
分离装置与钻机连接, 利用矿井抽放负压将钻、割过程中涌出的瓦斯从分离器气体出口引入矿井抽放管路中, 水流和煤粉因自身的重力作用从钻屑出口流出, 实现水、气、煤粉的分离。
2 钻割一体化技术应用分析
2.1 工作面概况
五矿己16-17-23202工作面位于二水平己三采区中部。煤层瓦斯压力1.75MPa, 瓦斯含量17.4m3/t, 属于严重突出危险工作面。己16-17-23202风巷施工过程中采取了预抽煤层瓦斯的局部防突措施。为有效减少钻孔工程量, 采用钻割一体化技术施工掘进工作面排放钻孔。
2.2 钻割参数设计
已16-17-23202风巷工作面共布置二排直径Φ89mm、孔深25m的瓦斯排放措施孔 (每排13个措施孔、孔口间距0.35m) 。为有效增加煤层透气性, 在施工NO.3、NO.7、NO.11、NO.16、NO.20、NO.24孔时, 采用钻割一体化技术施工, 并进行试验工作。钻割孔孔径为Φ89mm、孔深35m, 钻割参数见表1。
2.3 钻割效果
钻割后在工作面直接取样测定残余瓦斯含量, 检验措施效果。测试结果见表2。
3 结论
1) 单一低透气性松软煤层, 用常规技术施工措施孔过程中, 难以有效克服夹钻、塌孔现象, 由于煤层透气性差, 地应力高、煤层软致使钻孔成型差, 钻孔瓦斯抽放量低、抽放效率低。
2) 应用钻割一体化技术在单一低透气性松软煤层中施工措施孔, 在孔中指定位置射流割缝后, 煤层透气性提高, 增加了钻孔瓦斯排放量, 值得推广应用。
摘要：在掘进工作面施工超前预抽瓦斯钻孔过程中, 采用钻割一体化技术同步进行割缝, 有效地改善了煤层透气性能。钻孔瓦斯排放量大幅增加, 同比减少了超前钻孔数量和瓦斯抽采时间, 实现了工作面快速消突, 为煤巷高效掘进奠定了安全基础。
关键词：突出煤层,掘进工作面防突,钻割一体化技术应用