應用中高壓注水綜合防突技術實現煤巷快速掘進

白占芳

(焦作煤業集團有限責任公司方莊煤礦,河南焦作454002)

摘　要:針對掘進工作麵煤與瓦斯突出嚴重、掘進速度緩慢這一難題,通過對中高壓注水措施防治掘進工作麵突出的研究與實踐,使這一防突措施在鶴壁五礦取得了成功,並帶來了明顯的經濟和社會效益。實踐表明,中高壓注水綜合防突措施能有效地防治掘進工作麵煤與瓦斯突出。

關鍵詞:煤與瓦斯突出;掘進工作麵;中高壓注水

中圖分類號:TD713+.33　　文獻標識碼: B　　　文章編號:1003-496X(2006) 06-0020-03

　　具有突出危險性的二疊係山西組二1煤層是河南省煤炭生產的主采煤層之一。煤與瓦斯突出不僅對煤礦安全生產構成極大的威脅,而且致使噸煤防突成本增加、煤巷掘進緩慢、采掘接替緊張,直接阻礙著煤礦經濟的持續型發展。隨著開采深度的增加,煤與瓦斯突出危險性更加嚴重,煤巷掘進速度緩慢。據統計,二1煤層高瓦斯突出地區煤巷掘進速度僅為30~ 40 m /月,煤巷快速掘進防突問題必然成為影響礦井采掘接替的關鍵環節。

中高壓注水綜合防突技術措施,是焦作煤業集團公司科研所經大量的現場工業性試驗確定的一項防突技術措施,其原理就是以大於煤體上覆岩層礦山壓力的注水壓力作用於煤體,使煤體產生大量裂隙,遊離瓦斯釋放,瓦斯壓力降低;水分侵入煤體的微小孔隙,水的表麵張力作用封閉了瓦斯的流動通道,使瓦斯由吸附狀態轉為遊離狀態更加困難而難於排出,煤體中的瓦斯能源失效;高壓水注入煤體,使煤體充分濕潤,力學性質改變,彈性模數降低,增強了煤體的塑性,應力分布變得均勻,在采掘過程中,煤的彈性能釋放緩慢;高壓水產生動力造成煤體流變擴容,起到水力疏鬆煤體和卸壓的防突作用,使工作麵前方應力集中向煤體深部發展,卸壓帶寬度加大,降低了掘進作業過程中突出的可能性。

1　試驗區概況

試驗地點選擇在3302工作麵,該工作麵位於北翼三水平下山采區上部,設計走向長度320~ 380 m ,平均 340 m ;傾斜長90~ 110 m ,平均 100 m ;煤層傾角16°~20°,平均18°。工作麵標高-450~ -480 m ,平均垂深 638 m 。3302工作麵巷道布置示意圖見圖1所示。煤層呈光亮或半光亮型,水分為5.7%,灰分20.13%左右,揮發分14.3%左右,煤的堅固性係數0.5~1.5左右,煤的破壞類型Ⅱ~Ⅲ級。掘進期間,實測絕對瓦斯湧出量為1.6~ 2.0m3 /min,瓦斯濃度0.6%~0.9%。工作麵直接頂為 1.93 m 厚的砂質泥岩,老底為中粒砂岩,厚 7.05 m 。

煤層瓦斯含量 13.91 m3 /(t·r),煤層瓦斯吸附常數a=45.662 1 m3 /t,b=0.998 MPa-1,瓦斯放散初速度ΔP=10,煤的原始水分為1.7%。2004年8月開始在3302工作麵中切割及下順槽試驗應用中高壓注水作為防突技術措施。

自 2004年8月15日 至 10月17日 ,共計采取注水措施33次,有效掘進煤巷 121 m 。其中, 9月1日 至 9月30日 ,共計注水20個循環,掘進48班,掘進巷道 66 m ,停掘22班,有效掘進日進尺為 2.9 m ;措施與掘進比為1∶2.4。 10月1日 至 10月17日 ,共計注水13個循環,掘進巷道 42 m ,停掘7班,有效掘進日進尺為 2.9 m ,措施與掘進比為1∶2.3。試驗期間,采用Δh2、q值指標共效檢56次,Δh2超指標2次,q值超指標1次,超標率3.6%。

2　中高壓注水措施方案

根據焦作礦區中高壓注水措施試驗的經驗,結合3302工作麵的煤層、瓦斯賦存特點,設計相適應的注水措施方案,具體如下:

(1) 注水係統。高壓注水係統是保證中高壓注水措施具體效果的關鍵,主要包括注水泵、控製閥、高壓水表(壓力表)、高壓注水管、注水封孔器等,如圖2所示。同時,注水管路上必須安設控製閥和高壓水表(壓力表),以準確觀測注水期間工作麵前方的注水參數變化,並可靠控製高壓注水管路。

注水封孔器的選擇,是決定注水效果的重要因素,合理的注水封孔深度,應處於工作麵前方卸壓帶向集中應力帶的過渡區間,封孔段的長度則應保證即能向工作麵前方注水足夠的水量,同時又有利於注水期間煤體中遊離瓦斯的排放,因此,決定采用ZFS型水力自動封孔煤層注水器。該注水封孔器,有效封孔深度 3 m ,封孔段長度 1 m ,額定工作壓力≤20 MPa,基本可滿足各種煤層的注水要求。

掘進工作麵采用中高壓注水綜合防突措施時,應將注水泵安設在工作麵反向風門以外的新鮮風流中或專用硐室內。注水期間,工作人員應全部撤至注水泵操作地點或專用硐室內,根據注水管路上的壓力表(流量表)的變化進行操作。

(3) 注水鑽孔布置。在3302工作麵掘進下山煤巷及平巷的情況下,分別進行注水措施設計,注水鑽孔參數如圖3所示。注水鑽孔孔徑Φ 42 mm ,孔深 9 m 。注水孔影響半徑可達 2 m 以上,故注水孔孔數設計2~3個,平行煤層底板布置;封孔深度 3 m ,封孔段長度 1 m 。注水壓力為10~12 MPa,在試驗過程中,根據具體措施效果進行調整。注水時間以注水壓力比正常值降低30%、水從附近鑽孔、裂隙湧出或煤壁掛汗為準。

3　注水措施考察

注水壓力、注水時間等是決定注水效果的重要參數,在3302工作麵中切割進行中高壓注水防突措施適應性試驗期間,對方案製定的各項措施參數進行了考察03manbetx 。

(1)注水壓力。注水壓力是煤層注水的主要物理參數。試驗期間,在注水管路及注水泵上均設壓力表進行觀測,實際統計注水壓力在6~10 MPa之間時,均可有效壓裂破碎煤體。

(2)注水時間。注水時間與注水壓力、注水流量等參數密切相關,注水壓力不同、流速不同,相同條件下達到同樣效果的注水時間也不同。注水過程中,煤體被逐漸壓裂破壞,各種孔裂隙不斷溝通,在這一過程中,高壓水在煤體內部不斷蓄積勢能,直至達到破碎煤體;而後高壓水在溝通裂隙間流動。注水係統中壓力及流速的變化,反映著注水過程的進展,注水時間按照注水過程中壓力及流速的變化進行判斷。在達到有效壓裂破碎煤體的前提下,較適合3302工作麵的注水時間一般為40~90 min,平均為60 min。

(3)注水量。為考察注水量對工作麵防突的作用,在3302工作麵試驗期間,取相同暴露時間的煤樣進行測試,其結果如表1所示。從表1可看出,注水後煤體水分與原始煤體水分1.7%相比,增加70%以上。同時對不同水分煤樣的瓦斯放散初速度測試結果表明,水分越高瓦斯放散初速度越低,水分越低瓦斯放散初速度越高。可見,水分的增加,有效封閉了煤體中瓦斯的釋放,對於防治煤與瓦斯突出具有重要的意義。

(4)注水封孔深度。注水時,合理的封孔深度是取得良好注水防突效果的基本條件,應既能保證封孔段末端以外有足夠長度的煤體,在一定的時間內可承受較高壓力,使孔口及附近煤壁不能很快泄水,又能避免因封孔過深,僅壓裂深部煤體而對封孔段外煤體破裂濕潤不夠充分,形成新的應力集中,影響瓦斯排放。經現場試驗,認為應力過渡帶一般在煤壁前方 35 m 範圍內,該封孔深度是較為合適的。

(5)鑽孔注水方式。注水方式為3個注水鑽孔一次施工完成、同時注水。

(6)影響半徑考察。在3302工作麵注水期間,注水孔影響半徑在1.5~ 2 m 之間,同時與煤體的裂隙發育程度有關。在該煤層條件下布孔,注水孔間距應不小於 2 m ,以較好地起到壓裂破碎煤體、卸壓防突的作用。

(7)注水期間煤體位移量考察。中高壓注水過程中,壓力水在煤體裂隙間流動,不斷壓裂破壞煤體內部結構,遊離瓦斯運移加劇,使煤體積蓄一定的勢能。高壓水及瓦斯在未衝出新的裂隙通道時,近工作麵煤體受擠壓影響發生蠕動變形,被緩慢向巷道空間推移;當煤體結構疏鬆時表現為發生跨塌落煤,在結構相對緊密的情況下,則表現為注水期間煤體整體位移。同時由於水的滲透作用,煤體內水分增加,物理性能被改變,煤體受脆性破壞的幾率變小。

在五礦3302工作麵試驗過程中,進行了觀測統計,注水期間煤體位移量見表2。從表2中可看出,注水期間煤體最大位移量可達 150 mm 。

4　掘進工作麵瓦斯湧出規律03manbetx 試驗期間,統計各循環高壓注水期間的工作麵瓦斯湧出濃度變化曲線,如圖4所示。從圖中可看出,掘進工作麵采取中高壓注水措施期間,瓦斯湧出量的集中釋放是一個共同的特點。

5　結　論

3302工作麵采用中高壓注水防突技術措施,共安全掘進下山巷道及平巷 121 m ,校檢56次,超標率3.5%,9月份月掘進 66 m ,日平均有效掘進進尺為 2.9 m ;而統計采用排放鑽孔措施掘進的同礦井3105工作麵下順槽三橫川至二橫川,月平均掘進進尺 35 m ,日進尺平均僅為 1.2 m ,掘進 70 m 巷道,共校檢54次,超標率7.41%。可見,中高壓注水措施不僅較好地降低了措施效果檢驗突出率,而且簡化了防突技術措施,措施執行時間大大縮短,有效提高了巷道掘進速度。

同時,也說明中高壓煤層注水防突措施適合鶴壁五礦的煤層防突要求。適合鶴壁五礦煤層條件的注水參數為:注水壓力6~10 MPa,平均8 MPa;注水時間應不少於60 min,並根據注水期間注水壓力變化達到30%以上進行判斷;注水量應根據控製範圍內煤體水分提高至4%進行計算;注水封孔深度 3m ;注水方式可采用三孔同時注水。

參考文獻:

〔1〕　魏國營,辛新平.中高壓注水防治掘進工作麵的瓦斯突出[J].煤炭科學技術,2005(5):56-68.

〔2〕　煤炭工業部.防治煤與瓦斯突出細則[M].北京:煤炭工業出版社, 1995 :24-25.

　　作者簡介:白占芳(1965-),男,工程師,從事礦井瓦斯防治的研究與管理工作,發表論文多篇,獲省部級科技進步獎多項。