陳祖國 冉永進(jìn)
(1.貴州豫能投資有限公司,貴州 黔西 551500;2.中煤科工集團(tuán)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、頂板、沖擊地壓等,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,有很大的幾率誘發(fā)瓦斯爆炸事故的發(fā)生。順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是瓦斯治理的主要措施之一,由于煤層透氣性低、鉆孔容易坍塌等原因,一直存在抽放率低、防突措施效果檢驗超標(biāo)率高、補充防突措施頻繁、制約采面生產(chǎn)能力等問題。目前通過煤巖體結(jié)構(gòu)改造來提高煤層透氣性是重要的增透措施之一,主要有水力壓裂、水力沖孔、CO2相變致裂、松動爆破等物理改造技術(shù)。興發(fā)煤礦1602運輸巷采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的區(qū)域防突措施,但由于煤層透氣性低、煤層原始瓦斯含量大等原因,一直存在抽放難度大,抽放時間長、防突措施效果檢驗超標(biāo)率高、補充防突措施頻繁等問題,導(dǎo)致巷道掘進(jìn)緩慢。1602運輸巷能否快速消突、解決接替失調(diào),成為礦井安全生產(chǎn)的最重要問題之一。因此,在1602運輸巷采取順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯期間,實施快速消突技術(shù),來增加煤層透氣性,提高抽放效率,以實現(xiàn)掘進(jìn)工作面的快速消突,保證快速、安全掘進(jìn)和井下工人的人身安全。
礦區(qū)位于阿弓向斜的南東翼,為單斜構(gòu)造,地層傾角7°~12°,斷裂、褶曲不發(fā)育。根據(jù)對1602運輸巷已掘段實際揭露的M16煤層情況的現(xiàn)場勘查:M16煤層顏色為黑色,光澤以半亮為主;煤層厚度約1.4m;條帶狀及塊狀結(jié)構(gòu),多棱角,次生節(jié)理面多,且不規(guī)則;無軟分層,在靠近頂板附近有厚度約0.1m左右的夾矸;斷口性質(zhì)呈參差多角,中等硬度,煤體用手易剝成小塊。根據(jù)《煤礦瓦斯等級鑒定辦法》中附錄D中關(guān)于煤的破壞類型分類表對煤的破壞類型分類特征的描述,可以得出M16煤層煤的破壞類型為Ⅱ類(破壞煤)。
通過井下實際勘查及對相關(guān)地質(zhì)資料的查閱,1602運輸巷掘進(jìn)條帶區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單,煤層傾角、走向、煤厚等無明顯變化,賦存較為穩(wěn)定,頂、底板多為粉砂巖。實測煤層原始瓦斯含量為10~15m3/t,實測煤層透氣性系數(shù)為1.3270~1.6787(m2/MPa2.d),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.02803~0.02947(d-1),煤層屬于可以抽放,但是煤層透氣性系數(shù)偏小,實際煤層抽放時間較長。
1602運輸巷掘進(jìn)期間,采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的區(qū)域防突措施,鉆孔控制巷道左右兩幫輪廓線外15m,每一循環(huán)控制巷道掘進(jìn)方向走向長度120m,每次掘進(jìn)預(yù)留20m的安全距離,再布置下一循環(huán)抽放鉆孔。
鉆孔有效抽放影響半徑取1.5m,抽放鉆孔終孔間距3m,預(yù)計抽放時間為120d。抽放鉆孔設(shè)計如圖1所示。
圖1 抽放鉆孔設(shè)計圖
施工抽放鉆孔后,封孔連抽,采用瑪麗散封孔,每個鉆孔封孔長度為10m,抽放負(fù)壓為20kPa。通過對抽放鉆孔瓦斯?jié)舛鹊挠^察,實際抽放過程中抽放鉆孔中瓦斯平均濃度如圖2所示。
圖2 抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛?/p>
由上圖可知,實際抽放過程中,在抽放時間到達(dá)70d的時候,抽放鉆孔中的瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)很低,抽放效果差,如果繼續(xù)抽放,抽放效率很低,已經(jīng)影響到巷道的掘進(jìn)速度和采掘接替的順利進(jìn)行。同時在抽采70d后,進(jìn)行了區(qū)域措施效果檢驗,測試殘余瓦斯為8.2~8.5m3/t,實測工作面鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1,S),最大 K1值為 1.2ml/g·min1/2,超過了臨界值。
因此,需要采取致裂措施,通過改造煤巖體結(jié)構(gòu)來提高煤層透氣性,以提高抽采效率,節(jié)約抽放時間,在保證安全消突的前提下,提高巷道掘進(jìn)速度。
針對礦井采掘接替緊張和1602運輸巷實際抽放情況,決定在1602運輸巷抽放期間進(jìn)行二氧化碳致裂增透。
二氧化碳致裂增透措施作為增加煤層透氣性、提高礦井瓦斯抽放技術(shù)水平與抽放能力的新技術(shù),已經(jīng)在很多礦井進(jìn)行過試驗,能夠有效地提高低透氣性煤層的透氣性,縮短突出煤層的抽放時間,達(dá)到高效、快速消突的目的,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(jìn)行驅(qū)替,使煤體瓦斯游離度提高,因此更容易將瓦斯從煤體中抽放出來。
根據(jù)1602運輸巷抽放鉆孔布置情況,本次致裂孔間距為6m,可以選擇原有的抽放鉆孔或重新施工致裂孔。致裂孔長度70m,致裂孔采用94mm直徑鉆頭施工,致裂器直徑73mm,長度每根1m,安裝60根,前10m安裝連接桿后采用囊袋封孔。通過測試保證每根致裂器都聯(lián)通后,將工作人員撤到安全區(qū)域后,再起爆致裂器。致裂孔布置情況如圖3所示。
圖3 致裂孔布置情況
通過對原抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸兓挠^察,本次致裂措施選擇在抽放70d后,抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?.8%時進(jìn)行。M16煤層實測煤的堅固性系數(shù)為1.04~1.15,煤層相對較硬,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。實施致裂爆破后,將致裂措施孔進(jìn)行封孔連抽,對致裂孔周邊范圍內(nèi)的抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛鹊挠^測結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,實施致裂爆破后,抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛仍黾恿?~3.5倍,表明實施致裂增透后,抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛扰c采取致裂技術(shù)前相比:最大增加了5.5倍,平均增加了3.2倍。表明實施致裂增透后,增加了煤體的裂隙、煤體卸壓范圍和煤層透氣性,提供了瓦斯流通的通道,使得煤體內(nèi)吸附的瓦斯能夠在較短的時間內(nèi)被抽放出來,節(jié)約了抽放時間,提高了煤體瓦斯抽放效率。
圖4 致裂后鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸兓?/p>
在實施致裂25d后,對1602運輸巷掘進(jìn)方向前方70m、傾向約35m范圍內(nèi)M16煤層進(jìn)行了區(qū)域措施效果檢驗。實測煤層殘余瓦斯含量為5~7.2m3/t,即在抽放95d后,實測抽放后殘余瓦斯含量小于《防突規(guī)定》中的臨界值8m3/t,實現(xiàn)了消突,抽放時間縮短了25d。
(1)本次的致裂快速消突技術(shù)能有效地增加煤體的裂隙、煤體卸壓范圍和煤層透氣性,提供了瓦斯流通的通道,使得煤體內(nèi)吸附的瓦斯能夠在較短的時間內(nèi)被抽放出來,節(jié)約了抽放時間,提高了煤體瓦斯抽放效率。
(2)現(xiàn)場應(yīng)用表明:實施致裂快速消突技術(shù)后,抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛扰c實施致裂措施前相比:最大增加了5.5倍,平均增加了3.2倍,抽放時間縮短了25d。