水力冲孔技术在突出煤层施工中的应用

水力冲孔技术在突出煤层施工中的应用

伊马煤矿集团孟津煤矿位于河南省孟津县衡水市。2004年12月21日开始建设。井坡长约7.0km，坡长约5.7.10.0km，面积57.52km。地质储量为1463.3m，储量72.329m。矿井设计能力1.2Mt/a,采用立井两水平上下山开拓,通风方式为中央并列式。矿井为煤与瓦斯突出矿井,煤尘有爆炸危险性。目前矿井主要系统巷道、硐室等开拓已基本完成,生产系统较完善。主采煤层为二叠系山西组二1煤,厚0~9.1m,平均2.24m,煤层厚度具有短距离内急剧变化的特点,结构简单,属较稳定煤层。二2煤局部开采,厚0~1.5m,平均0.88m,倾角1~8°。二1煤、二2煤都具有突出危险性。1水流冲孔的原因和原理1.1特殊煤层合成煤技术孟津煤矿开采深度760m,目前实测煤层瓦斯压力3.2MPa,瓦斯含量14.5m3/t,煤的坚固性系数小于0.3。二1煤全部为构造煤。由于矿井设计方面的原因,石门揭煤次数多,二1煤较软,透气性很差,煤岩层应力较高。如使用传统的防突技术,不但揭煤进度缓慢,而且还严重威胁矿井安全。因此需要进行突出煤层石门揭煤技术的研究。经多方案的论证比较,并进行多次试验,最后得出结论:采用在石门揭煤时水力冲孔技术作为防突措施,不但消突速度快,而且能保证防突及石门揭煤施工的安全,缩短揭煤时间。1.2水力冲孔技术煤与瓦斯突出是由瓦斯、地应力和煤的物理力学性质等多因素共同作用的结果。煤层中发生煤与瓦斯突出的动力,是煤层和围岩中的弹性潜能和瓦斯的膨胀能。因此,如果能够释放引起煤与瓦斯突出的能量,就能达到预防瓦斯突出的目的。水力冲孔技术就是依靠高压水的冲击能力,造成掘进工作面前方煤体的破碎,逐渐形成一个大尺寸的水力掏槽孔,使孔道周围煤体依附的瓦斯得到充分排放;与此同时,孔道周围煤体向孔道方向发生大幅度的移动,造成煤体的膨胀变形和顶、底板间的相向位移,引起在孔道影响范围内地应力降低,煤层得到充分卸压,裂隙增加,使煤层透气性大幅度增高,促进瓦斯解吸和排放,大幅度地释放了煤层和围岩中的弹性潜能和瓦斯的膨胀能,煤的塑性增高、湿度增加,既消除了突出的动力,又改变了突出煤层的性质,从而起到防止煤与瓦斯突出的作用。2热水孔工程2.1巷道底板瓦斯压力矿井西翼第三车场(简称西三车场)是西区首采面12031工作面轨道顺槽外部车场,巷道底板二1煤瓦斯含量高、地应力大,在西翼轨道大巷施工时曾出现过底鼓现象,施工钻孔时多次出现喷孔现象,瓦斯压力显现异常明显。2.2工程地质条件西三车场为岩石巷道,在二1煤顶板中施工。煤层顶板岩性为细—中粒砂岩,厚度14.90~17.68m,比较稳定,岩性坚硬,具有较大的抗压、抗拉、抗剪强度,工程地质条件良好。其下为碳质泥岩、泥岩、砂质泥岩及粉砂岩伪顶,厚1.60~3.05m,性脆易碎,岩体完整性为中等完整。西三车场二1煤厚3.5~4.2m。二1煤底板主要为泥岩和砂质泥岩,厚1.6~11.95m,一般介于2.5~6.00m之间。3解决水孔争端的问题和技术要求3.1水力冲孔消突采用常规措施解决高应力低透气性煤层易出现夹钻、丢失钻杆、钻孔挤压严重变形及塌孔压实等问题,难以达到抽放消突的效果。采用水力冲孔消突需要解决的问题是:(1)减少消突钻孔数量;(2)提高消突效果,缩短揭煤时间。3.2水力冲孔在石门揭煤位置先施工消突钻孔,再使用小直径钻头加高压水进行水力冲孔,掏出孔内一定的煤量。冲出的煤量越大,形成空洞、影响半径就越大,消突效果就越好。3.3巷道瓦斯浓度超标(1)在施工过程中,由于瓦斯压力较大时会出现喷孔现象,可能会造成巷道内的瓦斯浓度超限,所以要加强通风管理。(2)水力冲孔会有大量的煤被冲出,要及时清理,以免影响施工和底板上已施工完毕的钻孔的释放效果。4巷道地面钻孔的施工原设计防突钻孔64个,采用水力冲孔技术时,只施工20个钻孔。按照抽(释)放钻孔的方法进行水力冲孔钻孔设计,采用ZY-750型全液压钻机进行排放钻孔施工。在西三车场工作面设计布置4排5列共20个孔,钻孔控制到巷道周界外13.6m的煤层内,向前控制35m,最长的钻孔50.0m,最短的钻孔13.5m,终孔间距不大于4m,钻孔直径为89mm。释放钻孔施工完毕后,再对每一个钻孔采用BRW125/31.5型乳化液泵连接钻机,用10MPa高压水进行水力冲孔,水力冲刷时要用直径为75mm钻头,反复进退,直到冲不出煤为止,然后连管抽放。实施水力冲孔时各钻孔冲出的煤量与校检孔残存的瓦斯含量如表1所列。5危险性消突试验在水力冲孔施工的过程中,大量的煤与瓦斯被冲出,瓦斯由吸附状态转变为游离状态,有效降低了煤与瓦斯突出的危险性,起到消突效果。试验证明,利用水力冲孔比普通抽放不仅布置的钻孔少、抽放时间短,而且效果显著。如西轨大巷曾利用瓦斯抽放手段作为消突措施,历经约60d的消突才使瓦斯含量达到标准以下,而西三车场,利用水力冲孔技术仅用了20d左右就消突结束,时间缩短了2/3,大大提高了消突速度,为掘进赢得了时