煤層注水快速掘進(jìn)工藝對煤層氣貯存效果的研究

鄭育春

(神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719319)

1 引言

煤層氣作為煤炭化工行業(yè)重要的組成部分，一直以來都具有很強的經(jīng)濟價值和研究價值。然而煤層氣的開采和利用，受各種因素的制約影響。蔡杰[1]等通過勘探龍鳳井田煤層氣的賦存特征，對其開采利用價值進(jìn)行了詳盡的分析；桑樹勛[2]等通過對應(yīng)力釋放構(gòu)造煤的煤層氣開發(fā)理論進(jìn)行了分析，從力學(xué)機理分析了應(yīng)力構(gòu)造下的條件，并研究了不同應(yīng)力條件下煤層氣的開發(fā)；倪小明[3]通過對地質(zhì)單元的劃分，整理了不同地質(zhì)單元的煤層氣開發(fā)條件，指出可以通過對地質(zhì)單元的劃分，總體規(guī)劃煤層氣的開發(fā)。本文通過分析，認(rèn)為在煤層注水的前提下，在巷道掘進(jìn)的時候使用快速掘進(jìn)的方法，可以抑制煤層氣的擴散，使其吸附在濕潤的煤體里面，同時加快了抽采設(shè)備的上線速度，為后續(xù)集中抽采創(chuàng)造了條件。

2 煤層注水條件下煤層氣的效檢指標(biāo)

煤層注水后，其強大的壓力會使煤體漸漸出現(xiàn)損壞，煤體的彈性勢能會逐漸釋放，煤體的應(yīng)力會逐漸降低。水分進(jìn)入煤層節(jié)理裂隙后，水的存在使得煤體更加潮濕，大大降低了煤層氣的泄露速率。煤層氣由于煤體對其吸附作用，不再很活躍，起到了很好的抑制煤層氣封閉瓦斯的效果。同時由于水分對煤體的軟化作用，巷道的快速掘進(jìn)不會造成很大的礦山壓力，可使得掘進(jìn)工程加快速率，提前完工，可以提前對煤層氣進(jìn)行抽采開發(fā)。

注水后煤層氣指標(biāo)用瓦斯涌出初速度q值來衡量，q值臨界指標(biāo)為4.0L/min。需在高壓注水2小時后進(jìn)行測量。實際操作中，安置了三個校驗孔，3個孔中的任何1個孔所得的數(shù)值高于臨界值，我們都認(rèn)為其對于抑制煤層氣溢出沒有效果。注水前后每個循環(huán)的瓦斯涌出初速度q見表1。

表1 注水前后每個循環(huán)的瓦斯涌出初速度q對比

從表中的前后數(shù)據(jù)我們知道，注水后煤層氣的涌出速度遠(yuǎn)小于臨界值，說明注水對于煤層氣的抑制有基礎(chǔ)的作用。之后我們可以加快礦井的掘進(jìn)速度，爭取盡早鋪設(shè)抽采設(shè)備，同時需要確定快速掘進(jìn)是巷道是否安全。

3 快速掘進(jìn)時巷道安全研究

巷道快速掘進(jìn)時，需對巷道進(jìn)行超前臨時支護(hù)研究。超前臨時支護(hù)主要是為巷道掘進(jìn)和后期錨網(wǎng)的鋪設(shè)提供足夠的空間，其具有以下特點：

(1)超前臨時支護(hù)的支架設(shè)計簡單，支護(hù)強度高，即使是大范圍的移架作業(yè)也能實現(xiàn)迅速移動，對新掘進(jìn)漏出的頂板進(jìn)行臨時支護(hù)效果好；

(2)臨時支架在巷道橫向以及縱向都有足夠的調(diào)節(jié)距離，因為支架的體積較小，節(jié)省了大量的空間，給錨桿鉆孔以及巷道掘進(jìn)提供了足夠時間和空間；

(3)超前臨時支護(hù)支架自動化水平較高，可用液壓作為動力，系統(tǒng)安全可靠，滿足巷道支護(hù)的要求；

(4)臨時支架與錨桿施工以及掘進(jìn)機作業(yè)在空間上相互獨立，實現(xiàn)了同一空間的多項作業(yè)。

在掘進(jìn)機掘進(jìn)的過程中，超前臨時支架可以對巷道空頂起到支撐的作用，從而保證掘進(jìn)工作的安全進(jìn)行。因為煤體硬度較低，切割后的煤體脆性大，需要及時進(jìn)行支護(hù)措施。在液壓的動力作用下，超前臨時支架支承煤壁，受到初始支撐力，超前臨時支架承載階段主要分為初撐、承載增阻和恒阻三個階段。

初始支撐階段，在液壓油的作用下，液壓支架受到初始支撐力，初始支撐力大小由液壓缸以及液壓泵站壓力所決定；承載增阻階段，頂板位移變化明顯，液壓支架支撐力也隨之增大，在壓力作用下，支架阻力變大，頂板變形速度在支架的支撐力作用下變慢；恒阻階段，頂板的位移變形增加，支架的負(fù)荷力也增大，當(dāng)液壓支架的支撐力值和安全閾值相同時，支架開始卸載壓力，不斷反復(fù)此過程，直至超前臨時支架受力穩(wěn)定，此時其受到的力為稱為工作阻力。

本文利用CAXA3D數(shù)值模擬軟件中的CAE模塊，對超前臨時支架的橫梁以及支撐立柱的受力以及位移狀況進(jìn)行數(shù)值模擬計算。模擬中，支架的支撐高度范圍為2500-4500mm，在巷道掘進(jìn)后頂板的最大離層厚度為0.6m，取1.1m為超前臨時支護(hù)所需支護(hù)的頂板厚度，頂板煤巖容重為25KN/m3，液壓支架油缸的額定工作壓力為34MPa，支撐立柱的工作阻力為270KN，一個支架共有4個立柱，所以臨時支架的總工作阻力值為1080KN。

經(jīng)過模擬計算，分別得到橫梁應(yīng)力變化云圖(圖1)和橫梁位移變化云圖(圖2)。從圖1和圖2可以看出，橫梁兩端因為受力集中，因此所受的應(yīng)力值最大，應(yīng)力值最小的區(qū)域出現(xiàn)在距離橫梁段1/5處，橫梁中間部分在雖然受力不大，但是在長時間應(yīng)力的作用下，位移達(dá)到最大。

圖1 橫梁應(yīng)力變化云圖

圖2 橫梁位移變化云圖

圖3為支撐立柱應(yīng)力、應(yīng)變、位移變化云圖。從圖中可以看出，支撐立柱受力大小從上到下依次減少，位移變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律。究其原因，立柱頂端與橫梁端接觸，橫梁端受力集中，在力的傳遞作用下，立柱端受力也最大，立柱底端因為面積大，單位面積受力較小，隨著巷道變形量的增加，立柱位移也隨之變大。

圖3 支撐立柱應(yīng)力、應(yīng)變、位移變化云圖

4 結(jié)論

本文研究了煤層注水前提下快速掘進(jìn)對煤層氣貯存效果。結(jié)果表明，在煤層注水的前提下，抑制了煤層氣的前期溢出，同時軟化煤體，降低了礦山壓力，使得巷道可以快速掘進(jìn)。超前臨時支護(hù)完成了對巷道的穩(wěn)定加固，加快了巷道的掘進(jìn)速度，提前了煤層氣抽放設(shè)備的安裝時間，為礦井煤層氣開采利用做了重要的前期工作。