摘 要:针对掘进工作面煤与瓦斯突出严重、掘进速度缓慢这一难题,通过对中高压注水措施防治掘进工作面突出的研究与实践,使这一防突措施在鹤壁五矿取得了成功,并带来了明显的经济和社会效益。实践表明,中高压注水综合防突措施能有效地防治掘进工作面煤与瓦斯突出。
关键词:煤与瓦斯突出;掘进工作面;中高压注水
中图分类号:TD713+.33 文献标识码: B 文章编号:1003-496X(2006)06-0020-03
具有突出危险性的二叠系山西组二1煤层是河南省煤炭生产的主采煤层之一。煤与瓦斯突出不仅对煤矿安全生产构成极大的威胁,而且致使吨煤防突成本增加、煤巷掘进缓慢、采掘接替紧张,直接阻碍着煤矿经济的持续型发展。随着开采深度的增加,煤与瓦斯突出危险性更加严重,煤巷掘进速度缓慢。据统计,二1煤层高瓦斯突出地区煤巷掘进速度仅为30~40 m/月,煤巷快速掘进防突问题必然成为影响矿井采掘接替的关键环节。
中高压注水综合防突技术措施,是焦作煤业集团公司科研所经大量的现场工业性试验确定的一项防突技术措施,其原理就是以大于煤体上覆岩层矿山压力的注水压力作用于煤体,使煤体产生大量裂隙,游离瓦斯释放,瓦斯压力降低;水分侵入煤体的微小孔隙,水的表面张力作用封闭了瓦斯的流动通道,使瓦斯由吸附状态转为游离状态更加困难而难于排出,煤体中的瓦斯能源失效;高压水注入煤体,使煤体充分湿润,力学性质改变,弹性模数降低,增强了煤体的塑性,应力分布变得均匀,在采掘过程中,煤的弹性能释放缓慢;高压水产生动力造成煤体流变扩容,起到水力疏松煤体和卸压的防突作用,使工作面前方应力集中向煤体深部发展,卸压带宽度加大,降低了掘进作业过程中突出的可能性。
1 试验区概况
试验地点选择在3302工作面,该工作面位于北翼三水平下山采区上部,设计走向长度320~380 m,平均340 m;倾斜长90~110 m,平均100 m;煤层倾角16°~20°,平均18°。工作面标高-450~-480 m,平均垂深638 m。3302工作面巷道布置示意图见图1所示。煤层呈光亮或半光亮型,水分为5.7%,灰分20.13%左右,挥发分14.3%左右,煤的坚固性系数0.5~1.5左右,煤的破坏类型Ⅱ~Ⅲ级。掘进期间,实测绝对瓦斯涌出量为1.6~2.0m3/min,瓦斯浓度0.6%~0.9%。工作面直接顶为1.93 m厚的砂质泥岩,老底为中粒砂岩,厚7.05 m。
煤层瓦斯含量13.91 m3/(t·r),煤层瓦斯吸附常数a=45.662 1 m3/t,b=0.998 MPa-1,瓦斯放散初速度ΔP=10,煤的原始水分为1.7%。2004年8月开始在3302工作面中切割及下顺槽试验应用中高压注水作为防突技术措施。
自2004年8月15日至10月17日,共计采取注水措施33次,有效掘进煤巷121 m。其中,9月1日至9月30日,共计注水20个循环,掘进48班,掘进巷道66 m,停掘22班,有效掘进日进尺为2.9 m;措施与掘进比为1∶2.4。10月1日至10月17日,共计注水13个循环,掘进巷道42 m,停掘7班,有效掘进日进尺为2.9 m,措施与掘进比为1∶2.3。试验期间,采用Δh2、q值指标共效检56次,Δh2超指标2次,q值超指标1次,超标率3.6%。
2 中高压注水措施方案
根据焦作矿区中高压注水措施试验的经验,结合3302工作面的煤层、瓦斯赋存特点,设计相适应的注水措施方案,具体如下:
(1) 注水系统。高压注水系统是保证中高压注水措施具体效果的关键,主要包括注水泵、控制阀、高压水表(压力表)、高压注水管、注水封孔器等,如图2所示。同时,注水管路上必须安设控制阀和高压水表(压力表),以准确观测注水期间工作面前方的注水参数变化,并可靠控制高压注水管路。
注水封孔器的选择,是决定注水效果的重要因素,合理的注水封孔深度,应处于工作面前方卸压带向集中应力带的过渡区间,封孔段的长度则应保证即能向工作面前方注水足够的水量,同时又有利于注水期间煤体中游离瓦斯的排放,因此,决定采用ZFS型水力自动封孔煤层注水器。该注水封孔器,有效封孔深度3 m,封孔段长度1 m,额定工作压力≤20 MPa,基本可满足各种煤层的注水要求。
掘进工作面采用中高压注水综合防突措施时,应将注水泵安设在工作面反向风门以外的新鲜风流中或专用硐室内。注水期间,工作人员应全部撤至注水泵操作地点或专用硐室内,根据注水管路上的压力表(流量表)的变化进行操作。
(3) 注水钻孔布置。在3302工作面掘进下山煤巷及平巷的情况下,分别进行注水措施设计,注水钻孔参数如图3所示。注水钻孔孔径Φ42 mm,孔深9 m。注水孔影响半径可达2 m以上,故注水孔孔数设计2~3个,平行煤层底板布置;封孔深度3 m,封孔段长度1 m。注水压力为10~12 MPa,在试验过程中,根据具体措施效果进行调整。注水时间以注水压力比正常值降低30%、水从附近钻孔、裂隙涌出或煤壁挂汗为准。
3 注水措施考察
注水压力、注水时间等是决定注水效果的重要参数,在3302工作面中切割进行中高压注水防突措施适应性试验期间,对方案制定的各项措施参数进行了考察分析。
(1)注水压力。注水压力是煤层注水的主要物理参数。试验期间,在注水管路及注水泵上均设压力表进行观测,实际统计注水压力在6~10 MPa之间时,均可有效压裂破碎煤体。
(2)注水时间。注水时间与注水压力、注水流量等参数密切相关,注水压力不同、流速不同,相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中,煤体被逐渐压裂破坏,各种孔裂隙不断沟通,在这一过程中,高压水在煤体内部不断蓄积势能,直至达到破碎煤体;而后高压水在沟通裂隙间流动。注水系统中压力及流速的变化,反映着注水过程的进展,注水时间按照注水过程中压力及流速的变化进行判断。在达到有效压裂破碎煤体的前提下,较适合3302工作面的注水时间一般为40~90 min,平均为60 min。
(3)注水量。为考察注水量对工作面防突的作用,在3302工作面试验期间,取相同暴露时间的煤样进行测试,其结果如表1所示。从表1可看出,注水后煤体水分与原始煤体水分1.7%相比,增加70%以上。同时对不同水分煤样的瓦斯放散初速度测试结果表明,水分越高瓦斯放散初速度越低,水分越低瓦斯放散初速度越高。可见,水分的增加,有效封闭了煤体中瓦斯的释放,对于防治煤与瓦斯突出具有重要的意义。
(4)注水封孔深度。注水时,合理的封孔深度是取得良好注水防突效果的基本条件,应既能保证封孔段末端以外有足够长度的煤体,在一定的时间内可承受较高压力,使孔口及附近煤壁不能很快泄水,又能避免因封孔过深,仅压裂深部煤体而对封孔段外煤体破裂湿润不够充分,形成新的应力集中,影响瓦斯排放。经现场试验,认为应力过渡带一般在煤壁前方35 m范围内,该封孔深度是较为合适的。
(5)钻孔注水方式。注水方式为3个注水钻孔一次施工完成、同时注水。
(6)影响半径考察。在3302工作面注水期间,注水孔影响半径在1.5~2 m之间,同时与煤体的裂隙发育程度有关。在该煤层条件下布孔,注水孔间距应不小于2 m,以较好地起到压裂破碎煤体、卸压防突的作用。
(7)注水期间煤体位移量考察。中高压注水过程中,压力水在煤体裂隙间流动,不断压裂破坏煤体内部结构,游离瓦斯运移加剧,使煤体积蓄一定的势能。高压水及瓦斯在未冲出新的裂隙通道时,近工作面煤体受挤压影响发生蠕动变形,被缓慢向巷道空间推移;当煤体结构疏松时表现为发生跨塌落煤,在结构相对紧密的情况下,则表现为注水期间煤体整体位移。同时由于水的渗透作用,煤体内水分增加,物理性能被改变,煤体受脆性破坏的几率变小。
在五矿3302工作面试验过程中,进行了观测统计,注水期间煤体位移量见表2。从表2中可看出,注水期间煤体最大位移量可达150 mm。
4 掘进工作面瓦斯涌出规律分析试验期间,统计各循环高压注水期间的工作面瓦斯涌出浓度变化曲线,如图4所示。从图中可看出,掘进工作面采取中高压注水措施期间,瓦斯涌出量的集中释放是一个共同的特点。
5 结 论
3302工作面采用中高压注水防突技术措施,共安全掘进下山巷道及平巷121 m,校检56次,超标率3.5%,9月份月掘进66 m,日平均有效掘进进尺为2.9 m ;而统计采用排放钻孔措施掘进的同矿井3105工作面下顺槽三横川至二横川,月平均掘进进尺35 m,日进尺平均仅为1.2 m,掘进70 m巷道,共校检54次,超标率7.41%。可见,中高压注水措施不仅较好地降低了措施效果检验突出率,而且简化了防突技术措施,措施执行时间大大缩短,有效提高了巷道掘进速度。
同时,也说明中高压煤层注水防突措施适合鹤壁五矿的煤层防突要求。适合鹤壁五矿煤层条件的注水参数为:注水压力6~10 MPa,平均8 MPa;注水时间应不少于60 min,并根据注水期间注水压力变化达到30%以上进行判断;注水量应根据控制范围内煤体水分提高至4%进行计算;注水封孔深度3m;注水方式可采用三孔同时注水。
参考文献:
〔1〕 魏国营,辛新平.中高压注水防治掘进工作面的瓦斯突出[J].煤炭科学技术,2005(5):56-68.
〔2〕 煤炭工业部.防治煤与瓦斯突出细则[M].北京:煤炭工业出版社, 1995 :24-25.
作者简介:白占芳(1965-),男,工程师,从事矿井瓦斯防治的研究与管理工作,发表论文多篇,获省部级科技进步奖多项。