程 歡
(河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦)
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煤層深孔注水技術(shù)在薛湖煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用
程 歡
(河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦)
結(jié)合煤層深孔高壓注水技術(shù)對順層鉆孔的瓦斯抽采機(jī)理,對薛湖煤礦2107工作面進(jìn)行煤層注水工業(yè)試驗,分析了煤層高壓注水后的抽采效果。結(jié)果表明,高壓注水使煤層裂隙發(fā)育充分,煤層透氣性及煤體塑性增加;瓦斯抽放日抽采純量增加一倍,瓦斯抽采效率明顯提高;注水后煤體殘留的水分也對瓦斯解吸有抑制作用;最終達(dá)到防治煤與瓦斯突出的效果,縮短了工作面消突時間,提高了工作面生產(chǎn)效率。
煤層注水 煤與瓦斯突出 日抽采純量 抽采效率
煤層注水是煤礦生產(chǎn)過程中減少煤塵、提高抽放效果、防治煤與瓦斯突出的積極預(yù)防措施。20世紀(jì)30年代,最早在前蘇聯(lián)煤礦中得到了應(yīng)用。60年代后,我國在學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,首先在陽泉、撫順和北票等礦區(qū)做了工業(yè)試驗,取得了顯著效果,進(jìn)而在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。本文選擇薛湖煤礦2107工作面進(jìn)行煤層深孔注水工業(yè)試驗,對二2煤層深孔高壓注水前后瓦斯抽采指標(biāo)進(jìn)行對比,取得了較好的抽采效果,為煤與瓦斯突出防治工作提供了指導(dǎo)作用。
煤層深孔注水是通過順層鉆孔向回采工作面前方煤體進(jìn)行高壓注水,依靠壓力水改變煤體的力學(xué)特性、滲透特性以及應(yīng)力狀態(tài),從而改變煤層突出的條件[1-3]。注水前,煤體孔隙或裂隙中充滿了瓦斯等氣體。注水后,在煤體的孔隙、裂隙中形成了水與瓦斯的界面。煤層注水的過程就是高壓水逐漸從鉆孔內(nèi)向外擴(kuò)散、驅(qū)趕瓦斯的過程[4]。
高壓水通過擠壓孔底和孔壁,使順層鉆孔從封孔器的末端直到鉆孔底端的煤體被破壞,因封孔器以外的煤體受單向應(yīng)力的作用,因此其產(chǎn)生的流變擴(kuò)張使煤體充分卸壓,彈性能得到了充分釋放,將應(yīng)力集中區(qū)向煤體前方推進(jìn),最終增加了煤層卸壓帶的長度。當(dāng)高壓水在鉆孔和裂隙(或孔隙)中運動時,使得煤體原有應(yīng)力發(fā)生變化,導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)被破壞,提高了煤層的透氣性系數(shù),加速了游離瓦斯的釋放速度,從而提高了煤層的瓦斯抽采效率。
薛湖煤礦主采二2煤層,該區(qū)總體上煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,以貧煤為主,全區(qū)可采,煤層總體呈一走向近東西、傾向北的單斜構(gòu)造。煤層傾角普遍為-3°~10°,為近水平煤層,平均煤厚2.2 m,煤塵具有爆炸性,屬不自燃煤層。2107工作面機(jī)巷位于薛湖鎮(zhèn)以西,地面標(biāo)高為37.6 m,機(jī)巷沿二2煤層底板掘進(jìn),西鄰2107風(fēng)巷工作面,東為2108工作面,北鄰膠帶大巷,南為DF12斷層。2107工作面開采二2煤層的綜合指標(biāo)K=31.921 6~63.636 4,D=10.674 5~11.168 7,遠(yuǎn)大于其臨界值;二2煤的破壞類型為Ⅲ~Ⅳ類,軟分層煤樣初始瓦斯釋放的膨脹能為65.62~84.333 4 MJ/g,也遠(yuǎn)大于其弱突出臨界值42.98 MJ/g,其堅固性系數(shù)f=0.22~0.405 9,相對瓦斯壓力p=1.12~1.5 MPa,煤層的瓦斯放散初速度Δp=12.957~14.000 m/s。在2107機(jī)巷設(shè)置461棚和416棚2個試驗區(qū)域來驗證注水技術(shù)的有效性。
在距工作面切眼向后20 m施工注水孔,往北施工至停采線以北20 m,孔間距為8~10 m,與原本煤層孔成三花式布置,與兩旁老孔等距離布置,間距不低于2 m。鉆孔垂直煤壁順煤層施工,開孔位置距煤層底板1.6~1.7 m,設(shè)計孔深80~100 m,不得超過100 m,注水孔布置見圖1。鉆孔施工采用ZYW-400型鉆機(jī)、φ89 mm及以上鉆頭,孔口除塵。
鉆孔施工完成后,使用φ50 mm鍍鋅鋼管配合聚氨酯及時封孔,封孔深度為18~22 m,封孔分為2段,里段封孔在16~18 m,外段封孔在距孔口2 m左右,每段聚氨酯用量約2 kg。封孔15 min,待聚氨酯膨脹充滿且凝固完全后,方可注水。
圖1 深孔注水鉆孔布置示意
注水工藝流程:供水管—水箱—連接管—注水泵—高壓水管—專用封孔器—鉆孔—煤體,見圖2。注水泵采用南京六合BRW400/31.5型乳化液泵,注水壓力為15~18 MPa,孔口注水壓力不低于20 MPa,注水時間1 h左右,注水時孔口兩側(cè)10 m范圍內(nèi)的鉆孔暫停抽放,注水結(jié)束后及時掛牌管理,注水以周圍煤體出水或注水壓力明顯下降為準(zhǔn)。注水設(shè)備見圖3。
圖2 注水過程示意
圖3 深孔注水設(shè)備連接示意
將2107機(jī)巷461棚和416棚試驗區(qū)域內(nèi)的鉆孔注水后及時聯(lián)抽,每天測量并記錄注水后的瓦斯抽采數(shù)據(jù)。注水前后瓦斯日抽采純量曲線見圖4。
可以看出:
(1)所測的瓦斯抽采純量與采場應(yīng)力集中區(qū)的分布趨勢相同,深孔高壓注水后工作面的應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)了后移,增大了回采工作面前方卸壓帶的長度,有利于煤與瓦斯突出防治。注水前,瓦斯抽采純量鉆孔施工完成后當(dāng)天出現(xiàn)最大值后急劇下降,而注水后第二天瓦斯抽采純量趨于穩(wěn)定,說明經(jīng)深孔注水后,煤層裂隙得到了充分發(fā)育,煤層透氣性得到了提高,附近的本煤層抽采效果顯著提高,單孔日抽采瓦斯量比注水前提高一倍,由原來的42 m3增長到77 m3。 這說明深孔注水后有利于本煤層瓦斯抽采效果的提高,而且從注水后日單孔抽采參數(shù)看,濃度和流量衰減幅度較小。
圖4 注水前后瓦斯日抽采純量變化曲線
(2)實際生產(chǎn)過程中,由于采動影響來壓,會導(dǎo)致附近本煤層孔內(nèi)PE管壓扁或花管堵死,出現(xiàn)單孔抽采流量和濃度下降幅度較大的現(xiàn)象。另外,靠近回采工作面切眼時,煤層相對破碎,易使本煤層封閉抽采空間與外界連通,造成負(fù)壓和濃度都減小的現(xiàn)象,這時,深孔注水已不起作用。
(3)深孔注水后,施工本煤層抽放鉆孔,杜絕了夾鉆、噴孔、塌孔等現(xiàn)象。同時,煤體裂隙顯著增加,提高抽放半徑,減少本煤層鉆孔的施工數(shù)量,最終縮短了工作面消突時間,提高了工作面的生產(chǎn)效率。
綜上可知,在煤與瓦斯突出礦井中,利用順層鉆孔進(jìn)行煤層注水是可行的。深孔注水可使煤體裂隙增加,提高注水孔附近本煤層的透氣性,抽采效果顯著提高?;夭晒ぷ髅娼?jīng)煤層高壓注水,應(yīng)力峰值后移,增加了工作面前方卸壓帶的長度,有利于工作面安全高效生產(chǎn)。深孔注水時,壓力水逐漸進(jìn)人煤體孔隙中,抑制瓦斯自由釋放,避免瓦斯快速解吸,有利于回采工作面煤與瓦斯突出防治。深孔注水杜絕了本煤層抽放鉆孔夾鉆、噴孔、塌孔等現(xiàn)象,提高了工作面生產(chǎn)效率。
[1] 孫文標(biāo),劉 輝,趙宏偉.煤層注水在煤礦安全中的應(yīng)用及效果淺析[J].煤礦安全,2004(12):24-25.
[2] 瞿濤寶.論煤層注水處理瓦斯的效果[J].煤礦安全,1994,25(5):39-42.
[3] 吳 兵,于振江,王紫薇,等.基于飽和-非飽和滲流的煤層注水?dāng)?shù)值模擬及應(yīng)用[J].中國煤炭,2015(6):102-105.
[4] 徐 碩.煤層水力壓擠三相藕合數(shù)值模擬研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2013.
2016-10-09)
程 歡(1970—),男,礦長,高級工程師,碩士,476600 河南省永城市新城區(qū)神火城市花園20號樓。