應(yīng)用中高壓注水綜合防突技術(shù)實現(xiàn)煤巷快速掘進

白占芳

(焦作煤業(yè)集團有限責任公司方莊煤礦,河南焦作454002)

摘　要:針對掘進工作面煤與瓦斯突出嚴重、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面突出的研究與實踐,使這一防突措施在鶴壁五礦取得了成功,并帶來了明顯的經(jīng)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面煤與瓦斯突出。

關(guān)鍵詞:煤與瓦斯突出;掘進工作面;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系山西組二1煤層是河南省煤炭生產(chǎn)的主采煤層之一。煤與瓦斯突出不僅對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)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(jīng)濟的持續(xù)型發(fā)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(jù)統(tǒng)計,二1煤層高瓦斯突出地區(qū)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。

中高壓注水綜合防突技術(shù)措施,是焦作煤業(yè)集團公司科研所經(jīng)大量的現(xiàn)場工業(yè)性試驗確定的一項防突技術(shù)措施,其原理就是以大于煤體上覆巖層礦山壓力的注水壓力作用于煤體,使煤體產(chǎn)生大量裂隙,游離瓦斯釋放,瓦斯壓力降低;水分侵入煤體的微小孔隙,水的表面張力作用封閉了瓦斯的流動通道,使瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)為游離狀態(tài)更加困難而難于排出,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(zhì)改變,彈性模數(shù)降低,增強了煤體的塑性,應(yīng)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(chǎn)生動力造成煤體流變擴容,起到水力疏松煤體和卸壓的防突作用,使工作面前方應(yīng)力集中向煤體深部發(fā)展,卸壓帶寬度加大,降低了掘進作業(yè)過程中突出的可能性。

1　試驗區(qū)概況

試驗地點選擇在3302工作面,該工作面位于北翼三水平下山采區(qū)上部,設(shè)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°。工作面標高-450~-480 m,平均垂深638 m。3302工作面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(fā)分14.3%左右,煤的堅固性系數(shù)0.5~1.5左右,煤的破壞類型Ⅱ~Ⅲ級。掘進期間,實測絕對瓦斯涌出量為1.6~2.0m3/min,瓦斯?jié)舛?.6%~0.9%。工作面直接頂為1.93 m厚的砂質(zhì)泥巖,老底為中粒砂巖,厚7.05 m。

煤層瓦斯含量13.91 m3/(t·r),煤層瓦斯吸附常數(shù)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工作面中切割及下順槽試驗應(yīng)用中高壓注水作為防突技術(shù)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(huán),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(huán),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(jù)焦作礦區(qū)中高壓注水措施試驗的經(jīng)驗,結(jié)合3302工作面的煤層、瓦斯賦存特點,設(shè)計相適應(yīng)的注水措施方案,具體如下:

(1) 注水系統(tǒng)。高壓注水系統(tǒng)是保證中高壓注水措施具體效果的關(guān)鍵,主要包括注水泵、控制閥、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(shè)控制閥和高壓水表(壓力表),以準確觀測注水期間工作面前方的注水參數(shù)變化,并可靠控制高壓注水管路。

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(yīng)處于工作面前方卸壓帶向集中應(yīng)力帶的過渡區(qū)間,封孔段的長度則應(yīng)保證即能向工作面前方注水足夠的水量,同時又有利于注水期間煤體中游離瓦斯的排放,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。

掘進工作面采用中高壓注水綜合防突措施時,應(yīng)將注水泵安設(shè)在工作面反向風門以外的新鮮風流中或?qū)Ｓ庙鲜覂?nèi)。注水期間,工作人員應(yīng)全部撤至注水泵操作地點或?qū)Ｓ庙鲜覂?nèi),根據(jù)注水管路上的壓力表(流量表)的變化進行操作。

(3) 注水鉆孔布置。在3302工作面掘進下山煤巷及平巷的情況下,分別進行注水措施設(shè)計,注水鉆孔參數(shù)如圖3所示。注水鉆孔孔徑Φ42 mm,孔深9 m。注水孔影響半徑可達2 m以上,故注水孔孔數(shù)設(shè)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(jù)具體措施效果進行調(diào)整。注水時間以注水壓力比正常值降低30%、水從附近鉆孔、裂隙涌出或煤壁掛汗為準。

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(shù),在3302工作面中切割進行中高壓注水防突措施適應(yīng)性試驗期間,對方案制定的各項措施參數(shù)進行了考察分析。

(1)注水壓力。注水壓力是煤層注水的主要物理參數(shù)。試驗期間,在注水管路及注水泵上均設(shè)壓力表進行觀測,實際統(tǒng)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(shù)密切相關(guān),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(nèi)部不斷蓄積勢能,直至達到破碎煤體;而后高壓水在溝通裂隙間流動。注水系統(tǒng)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工作面的注水時間一般為40~90 min,平均為60 min。

(3)注水量。為考察注水量對工作面防突的作用,在3302工作面試驗期間,取相同暴露時間的煤樣進行測試,其結(jié)果如表1所示。從表1可看出,注水后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(jié)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,對于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(yīng)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(nèi)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(yīng)力集中,影響瓦斯排放。經(jīng)現(xiàn)場試驗,認為應(yīng)力過渡帶一般在煤壁前方35 m范圍內(nèi),該封孔深度是較為合適的。

(5)鉆孔注水方式。注水方式為3個注水鉆孔一次施工完成、同時注水。

(6)影響半徑考察。在3302工作面注水期間,注水孔影響半徑在1.5~2 m之間,同時與煤體的裂隙發(fā)育程度有關(guān)。在該煤層條件下布孔,注水孔間距應(yīng)不小于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(nèi)部結(jié)構(gòu),游離瓦斯運移加劇,使煤體積蓄一定的勢能。高壓水及瓦斯在未沖出新的裂隙通道時,近工作面煤體受擠壓影響發(fā)生蠕動變形,被緩慢向巷道空間推移;當煤體結(jié)構(gòu)疏松時表現(xiàn)為發(fā)生跨塌落煤,在結(jié)構(gòu)相對緊密的情況下,則表現(xiàn)為注水期間煤體整體位移。同時由于水的滲透作用,煤體內(nèi)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工作面試驗過程中,進行了觀測統(tǒng)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　掘進工作面瓦斯涌出規(guī)律分析試驗期間,統(tǒng)計各循環(huán)高壓注水期間的工作面瓦斯涌出濃度變化曲線,如圖4所示。從圖中可看出,掘進工作面采取中高壓注水措施期間,瓦斯涌出量的集中釋放是一個共同的特點。

5　結(jié)　論

3302工作面采用中高壓注水防突技術(shù)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(tǒng)計采用排放鉆孔措施掘進的同礦井3105工作面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%?？梢?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(shù)措施,措施執(zhí)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(shù)為:注水壓力6~10 MPa,平均8 MPa;注水時間應(yīng)不少于60 min,并根據(jù)注水期間注水壓力變化達到30%以上進行判斷;注水量應(yīng)根據(jù)控制范圍內(nèi)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面的瓦斯突出[J].煤炭科學技術(shù),2005(5):56-68.

〔2〕　煤炭工業(yè)部.防治煤與瓦斯突出細則[M].北京:煤炭工業(yè)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(fā)表論文多篇,獲省部級科技進步獎多項。