煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘生产过程中的一种极其复杂的动力地质现象。在煤与瓦斯突出煤矿的生产中, 这一现象不仅严重制约了巷道掘进速度, 而且也严重威胁着煤矿的安全生产。目前随着我国矿井开采深度的增加, 煤与瓦斯突出危险程度也随之增加, 过去一些防突措施的局限性也日益显露出来, 已无法满足实际防突的要求。在所有煤与瓦斯突出事故中, 掘进工作面的煤与瓦斯突出现象更为严重。据统计, 掘进工作面发生的突出次数占矿井总突出次数的66%以上。本文是在总结以往防突措施的基础上, 试验采用浅孔高压注水增透技术防治煤与瓦斯突出的发生, 来保证井下突出工作面的安全生产。
1 煤层注水防突机理分析
1.1 煤与瓦斯的突出机理
在煤巷掘进的过程中下, 工作面前方总存在着一个破裂带, 破裂带中应力较低, 瓦斯易于泄漏, 靠近工作面处的部分煤体已经失去突出危险, 并且阻碍着后续煤体的突出, 这部分失去突出危险煤体所处的范围就是卸压带。随着瓦斯的泄漏, 卸压带的长度是逐渐增加的。
目前一般认为, 煤层内破裂带的长度与软煤的厚度及强度有关, 软煤厚度越大, 破裂带的长度也越大, 相应的煤体强度越大, 破裂带就越小。硬煤中的破裂带就很小, 每当工作面进行爆破、向前推进一段时, 工作面前方的应力就会重新分布, 部分原始煤体在地应力的作用下破坏, 形成新的破裂带, 促使这部分煤体内的瓦斯沿着破裂带向外泄漏, 成为无突出危险的煤体。如果煤质构造条件不变, 新形成的整个破裂带长度将与原先破碎带长度一样。因此, 只要工作面前方卸压带长度足够, 工作面前方都有足够长的剩余卸压带, 突出现象就不会发生。
煤巷掘进中发生突出主要是地质构造条件发生了变化, 由于部分硬煤的挤压, 软煤分布不均, 当工作面掘进到软煤厚度变小的地方时, 工作面前方破裂带也变小, 卸压带变短, 高压瓦斯出现在工作面附近。这时一旦继续以原先的进尺爆破、向前推进, 含有高压瓦斯的软煤就会突然暴露, 发生煤与瓦斯突出现象。
1.2 煤层注水防突的机理
煤层注水就是依据煤与瓦斯突出机理, 从防突角度所采取的措施, 这一措施能够保持工作面前面卸压带有一定的安全长度。
在煤层注水的过程中, 钻孔钻入煤层, 可以使部分煤体上的地应力降低, 同时部分瓦斯渗流出来, 使部分煤体卸压, 但这对距离钻孔较远处的煤体影响不大。当水流借助高压进入煤体后, 湿润带范围内的煤体湿润, 部分孔隙和裂隙被水封堵。但是在这些煤体被揭开的过程中, 这种封堵作用对于延缓煤体暴露后初始释放的瓦斯作用不大, 因为煤体暴露初始时释放的瓦斯主要来自于与暴露面连通较好的裂隙, 瓦斯压力也较大, 靠几个水柱的水是无法封堵瓦斯的。随着煤体释放瓦斯时间的延长, 瓦斯来自于煤体表面更深处, 这时, 这种封堵的作用才比较明显。但这时释放的瓦斯对于煤体的突出并不起作用。如果煤体暴露时能够突出, 这些瓦斯早就连同煤体一起被抛向巷道空间。如果注水的过程中煤体遭到破裂, 裂隙增加, 煤体暴露后初始时释放的瓦斯反而可能增加。因此, 煤层注水的防突作用不在于水分对煤体内瓦斯的封堵作用。
煤层注水后, 煤体的力学强度降低, 同时煤体的塑性会增加。根据辽宁煤炭研究所对红卫煤矿的干煤和湿煤进行的单向压缩实验结果, 在煤体注水以前, 煤体的抗压强度达到2MPa左右, 注水以后煤体的抗压强度小于0.5MPa, 但注水后煤体的应变可以达到4%~5%, 远大于注水前的1%。恰恰是这种变化有利于减小煤层的突出危险性。因为煤层注水后, 不但软煤中已被水渗透, 硬煤也被水渗透。硬煤被水渗透后, 强度降低, 塑性增大, 其性质类似于软煤。因此煤层注水的作用是软化煤层, 防止硬煤发生突然破坏, 增加破裂带的长度, 为有突出危险的煤层提早缓慢地释放瓦斯创造条件。
2 浅孔高压注水防突的增透半径研究
煤层注水能够改变煤体的力学强度, 增加煤体的塑性, 但是每一个注水孔所能够起到的增透范围是有限的, 因此必须确定注水的增透半径, 以设计出合理的现场应用方案。
2.1 实验工作面概况
平顶山天安煤业股份有限公司五矿是煤与瓦斯突出矿井, 主采己16-17煤层为突出煤层, 煤层平均厚度为3.5~4.0m, 煤层倾角平均为15°, 掘进断面13.6m2, 瓦斯含量高, 压力大, 透气性差, 己16-17-22302机巷瓦斯涌出量为16.64 m3/t, 瓦斯压力1.85MPa。随着开采深度的延伸, 瓦斯含量和瓦斯压力不断增加, 瓦斯问题已制约着安全高效生产。在己116-17-22302机巷掘进期间, 突出预测预报值多次超标, 即使采用前探钻孔与浅孔排放相结合的防突措施, 突出预测预报值仍有超标, 平均每月进尺仅80m左右, 严重制约了掘进速度, 造成了严重的采掘失调。
2.2 注水系统设计
应用煤层注水防突技术首先必须确定的是注水的增透半径, 再根据增透半径确定钻孔注水的相关参数。为确定己16-17-22302机巷浅孔高压注水增透半径, 设计了一套煤层注水防突系统。该系统由钻机、乳化泵、高压密封螺旋钻杆、自激振荡钻头、自动切换式切缝器、高压密封输水器、气渣分离器和脚踏开关、高压水管、高压水管连接装置和高压密封装置等设备组成。该系统能够实现钻孔注水增透一体化, 图1为系统装置示意图。
在钻孔钻进时, 采用风排辅助螺旋钻杆钻进, 在高压密封输水器上接入压风管, 由于风压较低, 自动切换式切缝器处于关闭状态, 全部风流通过轴向喷嘴配合破煤钻头对煤岩体进行预破碎。当超前钻孔钻进完毕时, 钻进停止, 在高压密封输水器上换上高压水管, 打开高压泵, 保持旋转状态, 再逐步升高系统压力至25MPa, 自动切换式切缝器处于工作状态, 对煤体进行注水增透。完成操作后, 退出钻杆进行下一次操作。
2.3 布孔方案设计
为观察增透半径及效果, 除需钻进措施孔以外, 另外设计3个检验孔。钻孔布置位置如图2所示, 钻孔施工顺序:NO.1检验孔, NO.2检验孔, NO.3检验孔, NO.1措施孔。措施孔及检验孔相关参数见表1, 注水泵压25MPa, 注水增透时间18min, 返渣量5kg/min。
2.4 效果检验
各检验孔前后瓦斯涌出速度对比情况见表2, 瓦斯涌出速度变化见图3。
表2数据显示, 注水增透后, 距离措施孔0.94m位置瓦斯涌出量增长比率约为284%;随着距离增大, 增透效果减弱, 在距离措施孔2.78m位置瓦斯涌出量增长比率为85%, 效果也较为明显。因此, 根据测量结果在泵压25MPa和注水增透时间18min条件下, 有效影响半径可达2.78m, 受煤层的不均匀分布影响, 实际应用中确定增透技术有效影响半径为2.5m。
3 煤层高压注水防突的应用研究
3.1 现场应用钻孔布置设计
根据己16-17-22302机巷钻孔增透有效影响半径考察结果, 确定增透的有效影响半径为2.5m, 因此终孔间距按5m设计。设计钻孔布置示意见图4所示。
3.2 实验结果及分析
为进一步比较分析浅孔高压注水增透措施对掘进工作面瓦斯涌出的作用, 对矿井不同地区进行试验, 试验参数及效果如表3所示。试验过程中采用残余瓦斯含量为主要指标进行效果检验。本次残余瓦斯含量采用直接法测定, 通过井下现场定点取煤芯解吸、实验室常压解吸、粉碎解吸以及地面实验室作出工业性分析值来确定残余瓦斯含量。测定结果显示残余瓦斯含量均小于临界值8m3/t, 没有突出危险。
4 结论
1) 这套煤层注水防突系统可实现现钻孔及注水增透一体化, 根据注水前后指标的测定, 增透半径内煤层含量由1.81%增加到4.97%以上, 瓦斯涌出初速度平均提高了80%以上。
2) 根据浅孔高压注水增透实验结果, 确定了五矿掘进工作面增透半径为2.5m, 并根据这一结论设计了现场应用的钻孔布设方案, 较未采用增透技术减少钻孔15个, 防突措施的时间减少了60%以上。
摘要：为解决低透气性突出煤层开采过程中的煤与瓦斯突出问题, 根据煤层注水防突的机理, 设计了浅孔高压注水系统, 研究了浅孔高压注水的增透半径, 优化了防突钻孔的布置方案, 并在五矿己16-17煤层进行了现场应用。单孔瓦斯抽采有效范围增大, 提高了瓦斯的抽采效率, 减少了钻孔数量, 防突措施的时间减少了60%以上, 提高了掘进速度, 对煤与瓦斯突出煤矿的煤巷掘进具有指导意义。
关键词：煤与瓦斯突出,煤层注水,防突技术