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        穿層鉆孔水力沖孔卸壓增透技術(shù)研究

        2021-10-15 09:12:38
        機械管理開發(fā) 2021年9期

        胡 泊

        (山西晉能控股煤業(yè)集團沁秀公司岳城煤礦,山西 晉城 048006)

        引言

        煤與瓦斯突出是當前高瓦斯等級以上礦井面臨的頭號難題。隨著礦井采掘深度的不斷增加,煤層應(yīng)力和煤層透氣性也不斷發(fā)生變化,煤與瓦斯突出的危險性也越來越大。因此必須通過某些措施,增加煤層透氣性,提高區(qū)域瓦斯預(yù)抽效果,降低煤層瓦斯突出的危險系數(shù)[1]。而水力沖孔是防治突出的一種有效措施。在突出危險煤層中,通過沖刷煤體,沖出若干直徑較大的孔洞;同時部分煤體得到了破壞,引起應(yīng)力重新分布,導致噴孔的發(fā)生和發(fā)展,釋放巖層、煤層的變形以及瓦斯的潛能,從而達到消突防突的目的。

        1 岳城煤礦現(xiàn)場概況

        岳城煤礦主采3號煤層,礦井地應(yīng)力為中等應(yīng)力,蓋山厚度為710~770 m。煤層厚度為4.6~6 m,3號煤層殘存瓦斯含量為2.26 m3/t,最大為12.73 m3/t。原始瓦斯壓力為0.06~0.71 MPa,百米鉆孔瓦斯流量0.000 5~0.003 9 m3/(min·hm),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.14~0.39 d-1,大于國家對煤層防突要求的瓦斯含量。因此必須對工作面瓦斯進行卸壓,杜絕現(xiàn)場瓦斯事故。

        2 研究內(nèi)容

        2.1 水力沖孔原理

        水力沖孔卸壓增透技術(shù)是近年來高瓦斯礦井消突防突的一項重要舉措。該技術(shù)是通過對水體加壓,將鉆孔周邊的煤體大量沖出,在煤體中形成一個大的孔洞,從而對煤體卸壓增透,同時在水力的沖刷及圍壓的作用下,煤體的孔隙裂隙大大發(fā)育,從而提高煤體的通透性,增加煤體的濕潤程度,有效降低煤層壓力,達到消突防突的目的[2]。

        2.2 裝備選型

        水力沖孔主要依靠噴嘴產(chǎn)生的高壓水對煤層進行沖刷切割,沖孔系統(tǒng)的性能決定著能否將煤體沖出及沖孔后的效果?,F(xiàn)場試驗需要使用的設(shè)備主要有鉆機、鉆桿、鉆頭、高壓水泵、水箱、高壓密封水辮、高壓管、高壓控制閥、高壓密封三棱鉆桿、高壓噴頭、防超限裝置、煤氣水分離裝置等,如圖1所示。

        圖1 水力沖孔系統(tǒng)組成圖

        如圖1,水力沖孔鉆機采用施工穿層孔的ZDY-4200LPS型鉆機,配套鉆桿直徑73 mm。水力沖孔乳化液泵站及液箱采用13~17 MPa泵壓,沖孔流量為190~230 L/min,所選用的乳化液泵為BRW400/40[3]。為保證作業(yè)時的安全,在孔口防噴裝置的基礎(chǔ)上研制了防瓦斯超限裝置。

        3 水力沖孔現(xiàn)場試驗

        水力沖孔裝備試驗布置岳城礦西翼北回風大巷8號橫川以東30~200 m范圍內(nèi),采用鉆沖分離后退式?jīng)_孔工藝,即采用普通鉆頭、鉆桿進行打鉆,鉆孔施工完成后,退出鉆桿、鉆頭更換水力沖孔高低壓旋轉(zhuǎn)噴頭和高圧密封鉆桿送至距孔底,從孔底往孔口進行全煤段沖孔。

        試驗共布置20個鉆孔,11號—20號孔為間距為5 m,10號—30號孔為間距為10 m,其中14號、15號、17號、21號、22號、25號、26號、27號、28號、29號、30號孔為沖孔鉆孔,其他鉆孔為觀測鉆孔,鉆孔布置如圖2所示,沖孔參數(shù)如下頁表1所示。

        表1 西翼北回風巷現(xiàn)場試驗統(tǒng)計表

        圖2 現(xiàn)場試驗鉆孔布置示意圖

        在西翼北回風巷進行第二次水力沖孔試驗過程中,在沖孔14號、15號、17號、21號孔時,采用鉆沖分離后退式?jīng)_孔工藝后,大大減小了高壓密封鉆桿的磨損。改進后的水力沖孔用的高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置使用時間從改進前的30 min提高到了2 h左右,但還是出現(xiàn)了漏水現(xiàn)象,未能達到設(shè)備改進的預(yù)期目標。對高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置進行了二次改進,改進后進行了22號、25號、26號、27號、28號、29號、30號孔的沖孔試驗,在試驗過程中未出現(xiàn)高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置漏水現(xiàn)象,高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置沖孔時間達到20 h后沒有出現(xiàn)漏水現(xiàn)象,仍能繼續(xù)使用,根據(jù)后期的試驗驗證,通過兩次改進后的一個高壓旋轉(zhuǎn)密封裝置正常情況下沖10個鉆孔使用時間60 h沒有問題。

        通過在西翼北回風巷的第二次水力沖孔試驗,采用鉆沖分離后退式?jīng)_孔工藝,試驗了沖孔壓力30 MPa,平均每米鉆孔沖出煤量達到2.5 t左右,試驗過程中高壓軟管未出現(xiàn)問題,通過改進沖孔裝置的耐磨性也較好,因此得出本項目選配的BRW400/40乳化液泵、高壓軟管、高壓密封鉆桿、噴頭等滿足試驗需求,達到了在岳城礦的地質(zhì)條件下沖孔設(shè)備匹配、運行狀態(tài)良好的效果。

        水力沖孔試驗完成后,對沖孔鉆孔接抽抽采并觀測抽采數(shù)據(jù),根據(jù)抽采數(shù)據(jù)得出,沖孔鉆孔在前在沖孔后10 d內(nèi),單孔抽采純量均在100 m3/d以上,在一個月內(nèi),抽采純量均在50 m3/d以上,在抽采一個月后,鉆孔的抽采純量有所下降,部分鉆孔在觀測的4個月時間里,抽采純量較穩(wěn)定,日抽采純量均在300 m3左右。在觀測的4個月時間里,沖孔鉆孔的流量保持穩(wěn)定,均在80%以上。

        4 結(jié)論

        1)通過試驗得到了底抽巷穿層鉆孔水力沖孔采用鉆沖分離后退式?jīng)_孔工藝較好,能夠減小沖孔裝備的損耗。

        2)通過水力沖孔試驗得到,適合岳城礦底抽巷穿層鉆孔的沖孔壓力為15~20 MPa,沖孔水流量為190~230 L/min,沖出煤量不小于1 t/m。

        3)水力沖孔后鉆孔的抽采濃度均達到了30%以上,大部分鉆孔的抽采濃度在50%以上,沖孔后在觀測的兩個月時間里鉆孔的濃度保持穩(wěn)定。

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