水排渣加劇噴孔在石門揭煤中的應(yīng)用

魏 林

淮北礦業(yè)股份公司通防處，安徽淮北 235000

水排渣加劇噴孔在石門揭煤中的應(yīng)用

魏 林

淮北礦業(yè)股份公司通防處，安徽淮北 235000

利用煤與瓦斯突出的本質(zhì)是突出煤層中潛存的巨大能量突然超常規(guī)釋放這一理論，通過采用水排渣鉆進(jìn)、風(fēng)水交替沖煤掃孔加劇噴孔的方式來控制突出煤層的能量釋放和轉(zhuǎn)移，誘導(dǎo)煤體內(nèi)瓦斯快速解吸，加速瓦斯排放速度，提高鉆孔抽采半徑和煤層透氣性，進(jìn)而縮短石門揭煤瓦斯治理時(shí)間，達(dá)到安全快速揭煤的效果。

石門揭煤；水排渣；噴孔；能量釋放

0 引言

突出危險(xiǎn)區(qū)石門揭煤是煤礦瓦斯防治的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是突出災(zāi)害的多發(fā)易發(fā)環(huán)節(jié)，也是突出危險(xiǎn)性最高、突出強(qiáng)度最大、施工環(huán)節(jié)最多、管理難度最大、技術(shù)含量最高、瓦斯防治最關(guān)鍵的工程?；幢钡V業(yè)在石門揭煤工序中，曾發(fā)生多起煤與瓦斯突出災(zāi)害事故。近年來，雖不斷加大瓦斯災(zāi)害治理，突出災(zāi)害在一定程度上得到了遏制。但是按傳統(tǒng)的防治方法，揭穿每層強(qiáng)突出煤層前，均需預(yù)抽6個(gè)月左右，揭穿一般突出煤層前，需預(yù)抽3個(gè)月左右，嚴(yán)重制約了礦井建設(shè)速度。

1 突出危險(xiǎn)煤層自然屬性與噴孔特征

煤與瓦斯突出的本質(zhì)，是突出煤層中潛存的巨大能量突然超常規(guī)釋放；防突的實(shí)質(zhì)，就是控制能量釋放或控制能量轉(zhuǎn)移。在鉆孔鉆進(jìn)工程中適當(dāng)加劇噴孔是控制能量釋放、轉(zhuǎn)移的一種方式，可以達(dá)到防治突出災(zāi)害的目的。

突出危險(xiǎn)煤層瓦斯含量高、壓力大、地應(yīng)力大、吸附瓦斯解析速度快，煤體機(jī)械強(qiáng)度低、破碎嚴(yán)重，在鉆孔施工中常出現(xiàn)噴孔、噴瓦斯；噴孔強(qiáng)度與煤體破碎程度、瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層瓦斯解析速度、地應(yīng)力相關(guān)，煤體越破碎、瓦斯含量越大、壓力越高、解析速度越快、地應(yīng)力越大噴孔越嚴(yán)重。防突實(shí)踐還顯示，突出危險(xiǎn)煤層鉆孔施工噴孔強(qiáng)度不僅與上述因素相關(guān)，還與鉆孔施工采用的排碴介質(zhì)相關(guān)，用水作為排碴介質(zhì)進(jìn)行打鉆，噴孔強(qiáng)度更為猛烈。

2 突出煤層鉆進(jìn)噴孔基本原理分析

隨著鉆具進(jìn)入突出危險(xiǎn)煤體并在煤體中前移，一方面，鉆頭前端剝離煤體鉆屑量突然增大，大量碎屑易阻礙排碴介質(zhì)正常流動(dòng)，使搬運(yùn)能力下降；另一方面，剝離下的煤屑?jí)毫档停盒嘉酵咚褂嵥俳馕龀捎坞x瓦斯；再一方面，隨鉆具在煤體中前移，孔周圍、孔底地應(yīng)力下降，并向孔周、孔底轉(zhuǎn)遞，隨著地應(yīng)力降低孔周及孔底煤體瓦斯必然快速解吸并向孔內(nèi)運(yùn)移。鉆屑、排碴介質(zhì)、大量解吸瓦斯在孔內(nèi)匯合形成一定壓力，并自孔底向孔口運(yùn)移，當(dāng)運(yùn)移途徑不暢時(shí)，勢(shì)必形成集聚，當(dāng)集聚能量達(dá)到足以克服鉆孔阻礙能力時(shí)，噴孔現(xiàn)象也就隨之發(fā)生了。

3 水排碴噴孔加劇原因分析

突出煤層透氣性系數(shù)小，大多大在0.001MD～10MD范圍，煤層透氣性能不僅與煤體本身物理力學(xué)性能相關(guān)，與煤體本身干、濕程度關(guān)系更為密切。根據(jù)突出煤層的干、濕煤樣透氣性系數(shù)分析研究結(jié)果，濕潤(rùn)煤體透氣性能顯著下降，濕煤樣是干澡煤樣透氣性的十分之一。

突出危險(xiǎn)煤層鉆進(jìn)采用水排碴噴孔加劇，正是干、濕煤體透氣性顯著差異所導(dǎo)致。用水作為排碴介質(zhì)時(shí)，水自鉆桿內(nèi)部進(jìn)入孔底，沿鉆桿外部與孔壁之間流出并沖刷搬運(yùn)孔內(nèi)鉆屑，水必然沿孔底、孔壁向孔外煤體滲透形成類似筆筒狀濕潤(rùn)煤體，使緊鄰孔壁、孔底煤體機(jī)械強(qiáng)度、透氣性降低?？字車翱椎酌后w受鉆進(jìn)作用地應(yīng)力降低，吸附瓦斯解析并向孔內(nèi)滲透運(yùn)移，至低透氣性筆筒狀濕潤(rùn)煤體外側(cè)集聚，隨著時(shí)間延續(xù)集聚能量不斷增強(qiáng)，當(dāng)其超過濕潤(rùn)煤體抵抗能力時(shí)，筆筒狀濕潤(rùn)煤體剝落進(jìn)入孔內(nèi)，筆筒狀濕潤(rùn)煤體外封存的大量瓦斯迅速涌入孔內(nèi)，噴孔也發(fā)生了。此現(xiàn)象循環(huán)往復(fù)，使?jié)駶?rùn)煤壁一次次被沖破剝離，孔徑一次次被擴(kuò)大，孔徑擴(kuò)大使鉆孔卸壓范圍增大，卸壓范圍增大必然又增大瓦斯解析量，瓦斯涌出量增加又導(dǎo)致噴孔加劇。再一方面，孔徑擴(kuò)大必然使得孔壁煤體穩(wěn)定性降低、塌孔機(jī)率上升，卡鉆、抱鉆多發(fā)易發(fā)?？ㄣ@、抱鉆易使孔內(nèi)集聚高壓瓦斯和水，當(dāng)其能量足以沖破障礙時(shí)，強(qiáng)烈噴孔也就發(fā)生了。

4 實(shí)踐技術(shù)路線

噴孔對(duì)瓦斯防治鉆孔施工確實(shí)有一定的影響，但是噴孔實(shí)際上也是瓦斯和地應(yīng)力的突然釋放。防突措施的目的，實(shí)際也就是消除待采掘地帶地應(yīng)力和瓦斯壓力，如何利用突出煤層水排碴鉆進(jìn)噴孔加劇這一屬性，實(shí)現(xiàn)利用突出煤層自然屬性與潛在的能量為瓦斯治理提供動(dòng)力，可以從以下幾方面進(jìn)行。

4.1 筆筒狀濕潤(rùn)煤皮建造步驟

準(zhǔn)備好沖煤掃孔管。突出煤層鉆進(jìn)常因噴孔嚴(yán)重而采用壓風(fēng)排碴，當(dāng)鉆孔穿過煤層底板不小于0.5m后，改壓風(fēng)排碴為水排碴，待返水色澤變淺后，拔出鉆具，隨即下設(shè)鋼質(zhì)沖孔管。沖孔管徑根據(jù)鉆孔孔徑確定，鉆孔孔徑為94mm或108mm鉆孔，沖孔管前端6m～8m選擇硬質(zhì)材料作為導(dǎo)向管，常選擇2寸厚壁鐵管，節(jié)與節(jié)之間用內(nèi)外絲聯(lián)接，孔底端頭0.5m段打成花眼，端頭車成45°角；導(dǎo)向管后端連接硬質(zhì)可變形高壓管，管口外端頭聯(lián)接三通接頭，并分別與壓風(fēng)、高壓水管連接。

做好巖石段孔壁保護(hù)。若圍巖破碎，沖掃管下至孔底后隨即安裝孔口護(hù)壁管。護(hù)壁管選擇管徑為φ90 mm或φ75mmPE管材，護(hù)壁管長(zhǎng)度視圍巖破碎情況確定，若圍巖破碎嚴(yán)重應(yīng)下至煤層頂（底）板，護(hù)壁管下到位后，并對(duì)護(hù)壁管進(jìn)行固管。

筆筒狀濕潤(rùn)煤皮建造。通過沖孔管向孔內(nèi)沖水，沖水壓力視孔深、煤體強(qiáng)度確定，一般不小于5MPa。啟動(dòng)注水泵后，沖煤掃孔管由孔口向孔底迂回前行，沖凈孔內(nèi)煤屑，至返水變清后，關(guān)閉沖水閘閥開啟壓風(fēng)開關(guān)，自孔口向孔底迂回掃孔，直至沖干孔內(nèi)積水停止。

4.2 降低濕潤(rùn)煤皮透氣性能

沖孔采用循環(huán)水，以提高水的粘稠度，降低滲透能力，提高孔壁粘塑性，降低孔壁的透氣性。

4.3 降低濕潤(rùn)煤皮機(jī)械強(qiáng)度

用高壓水沖孔，以實(shí)現(xiàn)削薄濕潤(rùn)煤皮厚度，高壓水沖孔后應(yīng)隨即換壓風(fēng)掃孔，以降低水浸潤(rùn)孔壁深度，實(shí)現(xiàn)降低孔壁濕潤(rùn)煤皮厚度及機(jī)械強(qiáng)度，若鉆孔圍巖涌水或滲水，應(yīng)根據(jù)水量情況間歇用壓風(fēng)掃孔，盡可能消除孔內(nèi)積水。

4.4 構(gòu)建濕潤(rùn)煤皮循環(huán)往復(fù)剝離條件

應(yīng)根據(jù)瓦斯集聚沖破濕潤(rùn)煤壁所需時(shí)間，確定沖煤掃孔間隔時(shí)間，沖孔、掃孔間隔時(shí)間應(yīng)略大于瓦斯集聚沖破濕潤(rùn)煤壁的時(shí)間。一般而言，鉆孔竣工初期、瓦斯放散初速度大涌出量高的區(qū)域、煤層破碎嚴(yán)重地帶，沖孔掃孔時(shí)間間隔短；反之，時(shí)間間隔應(yīng)長(zhǎng)。

4.5 仰孔施工工程實(shí)踐

在噴孔強(qiáng)烈區(qū)域施工仰孔時(shí)，采用壓風(fēng)穿煤排碴，穿過煤層頂板后及時(shí)關(guān)閉壓風(fēng)，開啟供水閘閥，間歇沖煤掃孔；當(dāng)煤層噴孔強(qiáng)度中等時(shí)，應(yīng)采用水力排碴穿煤；當(dāng)煤層較堅(jiān)硬時(shí)，應(yīng)采用高壓水沖煤掃孔。運(yùn)用以上方法，同樣可實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)煤皮循環(huán)往復(fù)剝離，工程實(shí)踐表明，上述方法同樣可提高抽采半徑和煤層透氣性，顯著提高治理效果。

5 結(jié)論

該技術(shù)利用突出煤層的屬性和潛在的能量為瓦斯防治提供動(dòng)力的理論，采用水排渣鉆進(jìn)、風(fēng)水交替沖煤掃孔加劇噴孔的方式來控制能量釋放和轉(zhuǎn)移，誘導(dǎo)煤體內(nèi)瓦斯快速解吸，加速瓦斯排放速度，擴(kuò)大鉆孔排放影響范圍，進(jìn)而縮短石門揭煤治理時(shí)間。目前已在淮北礦業(yè)石門瓦斯防治中得到了運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)安全快速揭穿突出煤層90余處，為采掘接替提供了時(shí)間保障，為新井早日投產(chǎn)節(jié)省了大量抽采時(shí)間。特別是在淮北礦業(yè)海孜煤礦新副井揭煤實(shí)踐中，安全快速揭穿了多層極松軟強(qiáng)突出煤層群，創(chuàng)集團(tuán)公司揭穿煤層最深（千米深井），瓦斯壓力最大（4.5MPa），揭穿突出煤層最多（71、72、8、9），安全效果最好（消除了揭煤動(dòng)力現(xiàn)象，消除了井筒遠(yuǎn)距離爆破揭煤瓦斯超限）的新記錄。

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TD713

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1674-6708（2012）69-0137-02

魏林，助理工程師，工作單位：安徽淮北礦業(yè)集團(tuán)公司通防處