張海波,馬偉杰,劉 鋒 ,連現(xiàn)忠

(1.山西晉煤集團 沁水胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048214;2.山西晉能控股裝備制造集團 趙莊煤業(yè)有限責任公司,山西 長治 046600;3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;4.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122)

水力掏煤技術(shù)[1]在煤礦中的應(yīng)用已經(jīng)得到了長足的發(fā)展,通常利用水力掏煤技術(shù)壓裂煤層[2],增大煤層的透氣性,提高煤層的瓦斯抽采率,在煤礦瓦斯治理方面取得了較好的應(yīng)用效果。楊騰龍等[3]為了提高下向鉆孔的抽采率,解決消突效果不好導致的采掘接替緊張問題,優(yōu)化了下向鉆孔水力沖孔工藝,使得單孔平均掏煤量達3～5 t,實現(xiàn)了水力沖孔措施鉆孔的高效抽采。張保法等[4]利用射流壓力與瓦斯壓力的相互作用,優(yōu)化沖孔鉆具和布置方式,在豫西孟津煤礦實現(xiàn)了低透氣煤層快速消突。寧德義[5]通過水力沖孔傾角對水力沖孔效果的影響規(guī)律,提出了隨著傾角的增大,塑性區(qū)域破壞范圍和出煤量出現(xiàn)先小后大的變化規(guī)律。李國旗等[6]在李溝煤礦底抽巷進行水力沖孔試驗,考察水力沖孔卸壓前后煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力的變化。李云等[6]通過在潞安礦區(qū)進行穿層鉆孔水力沖孔試驗,得出穿層鉆孔水力沖孔參數(shù)在沖孔壓力12 MPa和沖孔時間15 min/m時沖出合理煤量為0.15 t/m,形成了一套適合該礦區(qū)3號煤層水力沖孔參數(shù)。許江等[7]通過多場耦合瓦斯物流模擬實驗對水力沖孔后瓦斯抽采與沖孔前進行對比,結(jié)果表明水力沖孔后相同位置的瓦斯壓力下降速度更快,氣體流量更大,卸壓效果更明顯。時至今日,依然有以下問題需要深入研究:水力沖孔的消突機理;沖孔后煤體的應(yīng)力變化及裂隙的動態(tài)演化;對瓦斯解吸、吸附、運移規(guī)律還沒有準確的研究數(shù)據(jù);水力沖孔的適用條件還在摸索中,在運用中取得的效果時好時壞,沒有形成完善的規(guī)范體系。尤其是在不具備開采保護層的礦井中,低透氣性煤層與煤質(zhì)較軟的煤層,運用水力沖孔卸壓增透效果不明顯?；诖?提出在胡底煤業(yè)進行軟分層水力掏煤消突措施試驗研究,通過水力掏煤構(gòu)建“虛擬保護層”,促使煤層得到充分卸壓,加大煤層透氣性,提升抽采效率,降低突出危險。

1 軟分層水力掏煤防突機理

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足,針對不具備保護層開采條件或開采成本太高的高突煤層,提供一種煤礦井下“虛擬保護層”水力掏煤開采方法。虛擬保護層定義為:對開采煤層的某一固定層位的極薄分層先進行開采,從而達到保護其他煤層的目的,這一固定層位的極薄分層叫“虛擬保護層”,也稱之為煤層的自我保護層(見圖1、圖2)。先行開采的極薄分層優(yōu)先選擇突出危險性較大的軟分層,主要目的是通過軟分層水力掏煤開采,在整個煤層開采范圍內(nèi)形成均勻卸壓區(qū)域,從而達到區(qū)域消突的效果,實現(xiàn)不具備保護層開采條件的煤與瓦斯突出煤層的虛擬保護層開采,提高工作面、煤巷條帶和石門揭煤的區(qū)域消突和瓦斯抽放效率,縮短抽放時間,加大抽放半徑,減少鉆進工程量,最大限度地消除瓦斯災(zāi)害。

圖2 虛擬保護層開采后

2 工業(yè)試驗

2.1 試驗區(qū)概況

胡底煤業(yè)為煤與瓦斯突出礦井,投產(chǎn)時間不長,因高地應(yīng)力、高瓦斯等問題,瓦斯治理難度大。現(xiàn)開采的3號煤層屬于單一突出煤層,不具備開采保護層條件,煤層賦存不均衡,煤層頂板和底板均存在300 mm以上的軟分層,在工作面防突效果檢驗中經(jīng)常造成鉆屑量超標,影響煤巷安全高效掘進和回采。瓦斯治理措施主要是采取底抽巷施工穿層鉆孔對軟分層瓦斯進行預(yù)抽,但目前軟分層瓦斯預(yù)抽措施效果不明顯,在工作面防突效果檢驗中仍然存在鉆屑量超標的現(xiàn)象。

2.2 掏煤所需設(shè)備

胡底煤業(yè)軟分層水力掏煤措施使用的設(shè)備主要有鉆機、鉆桿、鉆頭、高壓水泵、水箱、新型高壓密封旋轉(zhuǎn)裝置、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。

2.3 水力掏煤工藝

1) 穿層鉆孔的施工。使用高壓密封水力沖孔鉆桿(D73 mm)、高低壓轉(zhuǎn)換鉆頭(D133 mm)、高壓水辮和靜壓供水管施工水力沖孔試驗孔。

2) 水力掏煤過程。鉆孔打好后,啟動乳化液泵,壓力從低壓慢慢上調(diào),觀察掏煤出煤量,直到出煤量較大時保持泵壓不動,后撤鉆桿進行水力掏煤作業(yè),當掏煤鉆頭進入煤層底板、返清水后結(jié)束掏煤。掏煤結(jié)束后清理沉淀池中沖出的煤泥,將煤泥裝入編織袋中標定重量,記錄壓力、流量參數(shù)、時間及煤量。

3) 封孔聯(lián)抽。卸下防噴裝置,按照施工穿層鉆孔封孔方式進行封孔并連接抽放管路,安裝抽采參數(shù)測定孔板,每天觀測1次抽采參數(shù)。

2.4 水力掏煤試驗方案

在胡底煤業(yè)1305底抽巷左右兩幫布置水力掏煤試驗孔,鉆孔間距為5 m,共施工掏煤試驗鉆孔10個。其中1～5號孔布置在1305底抽巷左幫,6～10號孔布置在1305底抽巷右?guī)?左右兩幫掏煤孔呈對稱布置。鉆孔施工參數(shù)如表1所示。

表1 鉆孔施工參數(shù)

3 水力掏煤效果考察

3.1 掏煤量考察

在10次掏煤過程中,掏煤5號鉆孔由于鉆機漏油未能進行完全掏煤,掏煤8號鉆孔打偏,未見軟煤,掏煤9號由于停水未能完全掏煤。其余7個鉆孔掏煤正常,并且一次完成掏煤,各個鉆孔的掏煤結(jié)果如表2所示。

表2 鉆孔出煤量分析

3.2 消突效果考察

3.2.1 區(qū)域防突措施效果檢驗

礦井采用實測煤層殘余瓦斯含量方法進行區(qū)域防突措施效果檢驗,殘余瓦斯含量臨界值為8.0 m3/t.通過在1305底抽巷實施水力掏煤措施后,提高了工作面的消突效果。在對13052、13053煤巷掘進工作面進行區(qū)域防突措施效果檢驗時,13052煤巷掘進工作面的殘余瓦斯含量為5.50～6.11 m3/t,13053煤巷掘進工作面的殘余瓦斯含量為5.52～6.50 m3/t.兩個煤巷掘進工作面的殘余瓦斯含量均小于煤與瓦斯突出危險性臨界值,且在鉆孔施工過程中,未出現(xiàn)噴孔、卡鉆、頂鉆等突出預(yù)兆,消除了煤層突出危險性。

3.2.2 區(qū)域驗證

礦井采用鉆屑指標法進行區(qū)域驗證。鉆屑量S的臨界值為6 kg/m,鉆屑瓦斯解吸指標K1的臨界值為0.5 mL/(g·min1/2)。在采取水力掏煤措施后,13052煤巷掘進工作面的鉆屑量最大值為3.8 kg/m,K1最大值為0.37 mL/(g·min1/2);13053煤巷掘進工作面的鉆屑量最大值為3.6 kg/m,K1最大值為0.39 mL/(g·min1/2),均小于臨界值,且在鉆孔施工過程中,未出現(xiàn)噴孔、卡鉆、頂鉆等突出預(yù)兆。

3.2.3 掘進效率

在1305底抽巷水力掏煤之后,解決了軟煤瓦斯抽采問題,縮短了瓦斯的抽采周期,有效地促進了煤巷的掘進效率。13052煤巷掘進工作面平均掘進速度由原來的每天2.4 m提高到4.71 m,提高了0.96倍;13053煤巷掘進工作面平均掘進速度由原來的每天2.6 m提高到6.65 m,提高了1.58倍,效果十分顯著。

4 結(jié) 語

1) 采用高突性軟分層作為胡底礦3號煤的虛擬保護層,利用穿層鉆孔和水射流對軟分層進行掏煤開采,能夠以最少的工程成本和時間取得保護層開采的效果。

2) 采用水力掏煤措施后,掘進工作面的殘余瓦斯含量、鉆屑量、K1均小于突出危險性臨界值,且在鉆孔施工過程中,未出現(xiàn)噴孔、卡鉆、頂鉆等突出預(yù)兆,消除了煤層的突出危險性,明顯提高了煤巷掘進速度。