石門揭煤抽采方案優(yōu)化及增透消突技術(shù)實踐

冉永進

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400037)

煤礦災(zāi)害主要有煤與瓦斯突出、火災(zāi)、水災(zāi)、煤塵災(zāi)害、頂板災(zāi)害、沖擊地壓災(zāi)害等,其中煤與瓦斯突出是發(fā)生次數(shù)最多、危害最大的,會嚴(yán)重破壞井下設(shè)備,威脅井下工人生命安全,極易誘發(fā)瓦斯爆炸事故的發(fā)生。在各類突出事故中,以石門揭煤發(fā)生突出的概率最高,突出強度也最大[1-4]。國內(nèi)外學(xué)者[5-10]針對石門揭煤突出機理和防治措施開展了研究,提出了各類防突方法,其中預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施應(yīng)用最廣。在實際工作中,我們發(fā)現(xiàn)許多煤礦在揭煤工作中,對以抽采有效影響半徑為指導(dǎo)的抽采鉆孔布置存在認(rèn)識誤區(qū),即在抽采鉆孔設(shè)計時,單純的以2 倍有效抽采半徑的終孔間距來布置抽采鉆孔,導(dǎo)致抽采鉆孔工程量和鉆孔施工時間增加,造成資金和時間上的浪費。因此,現(xiàn)在以抽采鉆孔垂距小于或等于2 倍有效抽采影響半徑的原則來進行抽采鉆孔的合理布置,以此來減少抽采鉆孔的工程量,節(jié)約施工鉆孔時間。同時采用致裂增透措施來增加煤層透氣性,提高抽采效率,實現(xiàn)安全、快速消突揭煤的目的。

1 石門揭煤區(qū)域抽采鉆孔的設(shè)計

1.1 礦井石門揭煤抽采鉆孔設(shè)計方案

礦區(qū)為單斜構(gòu)造,斷裂、褶曲不發(fā)育,01 石門區(qū)域未探測到地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。01 運輸石門距離煤層約42 m,揭煤工作面距離煤層法向距離為7 m,煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖,底板為粉砂巖,揭煤處埋深約200 m,鄰近層無采空區(qū),煤層處于原始瓦斯區(qū)域,未受到采動影響。通過物探未發(fā)現(xiàn)積水,施工地質(zhì)探孔時,實測煤層原始瓦斯含量為10 m3/t,煤層厚度預(yù)計1.4 m,煤層傾角20°,實測煤層透氣性系數(shù)為 0.104 3 ～0.134 1 m2/MPa2·d,煤層透氣性系數(shù)小,煤層透氣性差。

依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》(以下簡稱“防突規(guī)定”)第四十九條相關(guān)規(guī)定,目前01 石門揭煤工作面距離煤層法向距離為7 m,設(shè)計在此采取預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域措施,鉆孔控制到揭煤處巷道左右兩幫輪廓線外15 m,上幫控制輪廓線范圍為14.44 m,下幫控制輪廓線范圍為14.62 m,滿足控制范圍的外邊緣到巷道輪廓線的最小距離不小于5 m。

鉆孔抽采有效影響半徑1.5 m,抽采鉆孔終孔間距3 m,預(yù)計抽采時間為90 d,抽采鉆孔設(shè)計如圖1 所示。

圖1 礦井抽采鉆孔設(shè)計圖

由上圖可知,礦井石門揭煤區(qū)域抽采鉆孔設(shè)計,是以2 倍的有效抽采半徑的終孔間距來布置抽采鉆孔,按照上述抽采鉆孔布置時,大部分抽采鉆孔間距都小于3 m,導(dǎo)致抽采鉆孔工程量增加。同時,由于煤層底板巖層硬度較大,施工抽采鉆孔困難,導(dǎo)致鉆孔施工時間增加,造成資金和時間的浪費。

1.2 優(yōu)化鉆孔布置工藝

在石門掘進至迎頭距離頂部煤層垂距7 m 時,根據(jù)《防突規(guī)定》的相關(guān)要求確定抽采鉆孔控制范圍。抽采鉆孔的布置,以頂部邊界作為第一個抽采鉆孔,鉆孔開孔點位于巷道的頂板附近。然后以2倍的抽采鉆孔有效影響半徑的垂距向下偏移第一個鉆孔,以所偏移鉆孔延長后與煤層頂板的邊界的交點,為第二個抽采鉆孔的終孔點,第二個抽采孔的開孔點位于第一個抽采孔開孔點下部,能夠滿足第一和第二抽采鉆孔之間的最大間距小于3 m 即可,即抽采鉆孔之間無空白帶。依次類推,逐一進行抽采鉆孔優(yōu)化設(shè)計,如圖2 所示。

圖2 石門揭煤抽采鉆孔優(yōu)化設(shè)計示意圖

通過優(yōu)化后,抽采鉆孔工程量減少約50%。煤層實測原始瓦斯含量10 m3/t,煤層厚度預(yù)計1.4 m,煤層瓦斯儲量3.15×104m3。以瓦斯含量8 m3/t 為消突臨近值,按照優(yōu)化后的抽采方案,施工抽采鉆孔后,封孔連抽,采用馬麗散封孔,每個鉆孔封孔長度為10 m,抽采負(fù)壓為20 kPa,通過對抽采鉆孔瓦斯?jié)舛?體積分?jǐn)?shù),以下瓦斯?jié)舛染鶠轶w積分?jǐn)?shù))的觀察,鉆孔平均瓦斯?jié)舛让刻熳兓鐖D3 所示。

圖3 抽采鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

由圖3 可以看出,當(dāng)抽采時間達到45 d 時,抽采鉆孔平均瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)很小,此時如果繼續(xù)抽采,抽采效率低,此時采取致裂增透措施,增加煤層透氣性,能有效地提高抽采效率,縮短抽采時間。

2 致裂增透措施

二氧化碳致裂增透措施作為增加煤層透氣性,提高礦井瓦斯抽采技術(shù)水平與抽采能力的新技術(shù),能夠有效地提高低透氣性煤層的透氣性,縮短突出煤層的抽采時間,達到高效、快速消突的目的。鄒德龍等[11]將液態(tài)二氧化碳致裂增透技術(shù)應(yīng)用于下溝煤礦ZF302 工作面、許石青等[12]將二氧化碳致裂技術(shù)在金佳煤礦212 運輸石門揭煤過程中的應(yīng)用等為二氧化碳致裂增透技術(shù)的應(yīng)用提供了實踐基礎(chǔ)。二氧化碳致裂增透機理為:液態(tài)二氧化碳汽化時,瞬間產(chǎn)生強大的沖擊波使煤體致裂,增加煤體透氣性,同時二氧化碳對煤體內(nèi)的瓦斯進行驅(qū)替,使煤體瓦斯游離度提高[13-14],能夠更容易將瓦斯從煤體中抽采出來。

通過對抽采鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸兓挠^察,得出在抽采 45 d 后,抽采鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?.5%,抽采效率低,宜采取致裂增透措施。關(guān)閉1、2、3 號抽采鉆孔閥門,打開抽采鉆孔 1、2、3 號鉆孔(詳見圖2),用鉆機進行掏空,確保每個鉆孔在煤孔段,能夠布置一根致裂器,進行致裂爆破。由于煤層底板相對較硬,鉆孔成孔較好,不易造成塌孔,有利于實施二氧化碳致裂爆破,通過測試未發(fā)現(xiàn)塌孔,如果煤孔段塌孔,可以用鉆機掏孔至孔底,再進行致裂爆破。實施致裂爆破后,將措施孔進行封孔連抽,對致裂孔周邊約6 m 范圍內(nèi)的抽采鉆孔平均瓦斯?jié)舛冗M行觀測,每天的觀測結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出,實施致裂爆破后,抽采鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.5%,增加了3.4 倍,表明實施致裂增透后,煤層透氣性有了明顯增加,提高了煤體瓦斯抽采效率。

圖4 致裂后鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

在施工地質(zhì)探孔時,實測煤層原始瓦斯含量為10 m3/t,在抽采60 d 后,實測抽采后殘余瓦斯含量為 6.7 ～ 7.3 m3/t,小于《防突規(guī)定》中的臨界值8 m3/t,實現(xiàn)了消突,原預(yù)計抽采時間為90 d,結(jié)合實施增透措施后,安全揭煤時間縮短了33%。

3 結(jié)論

1)依據(jù)抽采鉆孔有效影響半徑,以2 倍抽采鉆孔有效影響半徑的垂距偏移前一個鉆孔,來確定下一個鉆孔的鉆孔布置方案,在保證抽采鉆孔無空白帶的前提下,大大減少了抽采鉆孔的工程量,節(jié)約了工程成本和鉆孔施工時間。

2)通過實施致裂爆破措施,抽采鉆孔平均瓦斯?jié)舛认啾戎铝亚霸黾恿?.4 倍,表明致裂爆破增加了煤體透氣性,提高了煤體瓦斯游離度,縮短了消突預(yù)抽時間,從而提高了抽采效率。