水排渣加剧喷孔在石门揭煤中的应用:石门揭煤

时间：2019-04-13 04:23:12　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要利用煤与瓦斯突出的本质是突出煤层中潜存的巨大能量突然超常规释放这一理论，通过采用水排渣钻进、风水交替冲煤扫孔加剧喷孔的方式来控制突出煤层的能量释放和转移，诱导煤体内瓦斯快速解吸，加速瓦斯排放速度，提高钻孔抽采半径和煤层透气性，进而缩短石门揭煤瓦斯治理时间，达到安全快速揭煤的效果。
　　关键词石门揭煤；水排渣；喷孔；能量释放
　　中图分类号TD713 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）69-0137-02
　　0 引言
　　突出危险区石门揭煤是煤矿瓦斯防治的重点和难点，是突出灾害的多发易发环节，也是突出危险性最高、突出强度最大、施工环节最多、管理难度最大、技术含量最高、瓦斯防治最关键的工程。淮北矿业在石门揭煤工序中，曾发生多起煤与瓦斯突出灾害事故。近年来，虽不断加大瓦斯灾害治理，突出灾害在一定程度上得到了遏制。但是按传统的防治方法，揭穿每层强突出煤层前，均需预抽6个月左右，揭穿一般突出煤层前，需预抽3个月左右，严重制约了矿井建设速度。
　　1 突出危险煤层自然属性与喷孔特征
　　煤与瓦斯突出的本质，是突出煤层中潜存的巨大能量突然超常规释放；防突的实质，就是控制能量释放或控制能量转移。在钻孔钻进工程中适当加剧喷孔是控制能量释放、转移的一种方式，可以达到防治突出灾害的目的。
　　突出危险煤层瓦斯含量高、压力大、地应力大、吸附瓦斯解析速度快，煤体机械强度低、破碎严重，在钻孔施工中常出现喷孔、喷瓦斯；喷孔强度与煤体破碎程度、瓦斯含量、瓦斯压力、煤层瓦斯解析速度、地应力相关，煤体越破碎、瓦斯含量越大、压力越高、解析速度越快、地应力越大喷孔越严重。防突实践还显示，突出危险煤层钻孔施工喷孔强度不仅与上述因素相关，还与钻孔施工采用的排碴介质相关，用水作为排碴介质进行打钻，喷孔强度更为猛烈。
　　2 突出煤层钻进喷孔基本原理分析
　　随着钻具进入突出危险煤体并在煤体中前移，一方面，钻头前端剥离煤体钻屑量突然增大，大量碎屑易阻碍排碴介质正常流动，使搬运能力下降；另一方面，剥离下的煤屑压力降低，煤屑吸附瓦斯讯速解析成游离瓦斯；再一方面，随钻具在煤体中前移，孔周围、孔底地应力下降，并向孔周、孔底转递，随着地应力降低孔周及孔底煤体瓦斯必然快速解吸并向孔内运移。钻屑、排碴介质、大量解吸瓦斯在孔内汇合形成一定压力，并自孔底向孔口运移，当运移途径不畅时，势必形成集聚，当集聚能量达到足以克服钻孔阻碍能力时，喷孔现象也就随之发生了。
　　3 水排碴喷孔加剧原因分析
　　突出煤层透气性系数小，大多大在0.001MD~10MD范围，煤层透气性能不仅与煤体本身物理力学性能相关，与煤体本身干、湿程度关系更为密切。根据突出煤层的干、湿煤样透气性系数分析研究结果，湿润煤体透气性能显著下降，湿煤样是干澡煤样透气性的十分之一。
　　突出危险煤层钻进采用水排碴喷孔加剧，正是干、湿煤体透气性显著差异所导致。用水作为排碴介质时，水自钻杆内部进入孔底，沿钻杆外部与孔壁之间流出并冲刷搬运孔内钻屑，水必然沿孔底、孔壁向孔外煤体渗透形成类似笔筒状湿润煤体，使紧邻孔壁、孔底煤体机械强度、透气性降低。孔周围及孔底煤体受钻进作用地应力降低，吸附瓦斯解析并向孔内渗透运移，至低透气性笔筒状湿润煤体外侧集聚，随着时间延续集聚能量不断增强，当其超过湿润煤体抵抗能力时，笔筒状湿润煤体剥落进入孔内，笔筒状湿润煤体外封存的大量瓦斯迅速涌入孔内，喷孔也发生了。此现象循环往复，使湿润煤壁一次次被冲破剥离，孔径一次次被扩大，孔径扩大使钻孔卸压范围增大，卸压范围增大必然又增大瓦斯解析量，瓦斯涌出量增加又导致喷孔加剧。再一方面，孔径扩大必然使得孔壁煤体稳定性降低、塌孔机率上升，卡钻、抱钻多发易发。卡钻、抱钻易使孔内集聚高压瓦斯和水，当其能量足以冲破障碍时，强烈喷孔也就发生了。
　　4 实践技术路线
　　喷孔对瓦斯防治钻孔施工确实有一定的影响，但是喷孔实际上也是瓦斯和地应力的突然释放。防突措施的目的，实际也就是消除待采掘地带地应力和瓦斯压力，如何利用突出煤层水排碴钻进喷孔加剧这一属性，实现利用突出煤层自然属性与潜在的能量为瓦斯治理提供动力，可以从以下几方面进行。
　　4.1 笔筒状湿润煤皮建造步骤
　　准备好冲煤扫孔管。突出煤层钻进常因喷孔严重而采用压风排碴，当钻孔穿过煤层底板不小于0.5m后，改压风排碴为水排碴，待返水色泽变浅后，拔出钻具，随即下设钢质冲孔管。冲孔管径根据钻孔孔径确定，钻孔孔径为94mm或108mm钻孔，冲孔管前端6m~8m选择硬质材料作为导向管，常选择2寸厚壁铁管，节与节之间用内外丝联接，孔底端头0.5m段打成花眼，端头车成45°角；导向管后端连接硬质可变形高压管，管口外端头联接三通接头，并分别与压风、高压水管连接。
　　做好岩石段孔壁保护。若围岩破碎，冲扫管下至孔底后随即安装孔口护壁管。护壁管选择管径为φ90 mm或φ75mmPE管材，护壁管长度视围岩破碎情况确定，若围岩破碎严重应下至煤层顶（底）板，护壁管下到位后，并对护壁管进行固管。
　　笔筒状湿润煤皮建造。通过冲孔管向孔内冲水，冲水压力视孔深、煤体强度确定，一般不小于5MPa。启动注水泵后，冲煤扫孔管由孔口向孔底迂回前行，冲净孔内煤屑，至返水变清后，关闭冲水闸阀开启压风开关，自孔口向孔底迂回扫孔，直至冲干孔内积水停止。
　　4.2 降低湿润煤皮透气性能
　　冲孔采用循环水，以提高水的粘稠度，降低渗透能力，提高孔壁粘塑性，降低孔壁的透气性。
　　4.3 降低湿润煤皮机械强度
　　用高压水冲孔，以实现削薄湿润煤皮厚度，高压水冲孔后应随即换压风扫孔，以降低水浸润孔壁深度，实现降低孔壁湿润煤皮厚度及机械强度，若钻孔围岩涌水或渗水，应根据水量情况间歇用压风扫孔，尽可能消除孔内积水。
　　4.4 构建湿润煤皮循环往复剥离条件
　　应根据瓦斯集聚冲破湿润煤壁所需时间，确定冲煤扫孔间隔时间，冲孔、扫孔间隔时间应略大于瓦斯集聚冲破湿润煤壁的时间。一般而言，钻孔竣工初期、瓦斯放散初速度大涌出量高的区域、煤层破碎严重地带，冲孔扫孔时间间隔短；反之，时间间隔应长。
　　4.5 仰孔施工工程实践
　　在喷孔强烈区域施工仰孔时，采用压风穿煤排碴，穿过煤层顶板后及时关闭压风，开启供水闸阀，间歇冲煤扫孔；当煤层喷孔强度中等时，应采用水力排碴穿煤；当煤层较坚硬时，应采用高压水冲煤扫孔。运用以上方法，同样可实现孔内煤皮循环往复剥离，工程实践表明，上述方法同样可提高抽采半径和煤层透气性，显著提高治理效果。
　　5 结论
　　该技术利用突出煤层的属性和潜在的能量为瓦斯防治提供动力的理论，采用水排渣钻进、风水交替冲煤扫孔加剧喷孔的方式来控制能量释放和转移，诱导煤体内瓦斯快速解吸，加速瓦斯排放速度，扩大钻孔排放影响范围，进而缩短石门揭煤治理时间。目前已在淮北矿业石门瓦斯防治中得到了运用，实现安全快速揭穿突出煤层90余处，为采掘接替提供了时间保障，为新井早日投产节省了大量抽采时间。特别是在淮北矿业海孜煤矿新副井揭煤实践中，安全快速揭穿了多层极松软强突出煤层群，创集团公司揭穿煤层最深（千米深井），瓦斯压力最大（4.5MPa），揭穿突出煤层最多（71、72、8、9），安全效果最好（消除了揭煤动力现象，消除了井筒远距离爆破揭煤瓦斯超限）的新记录。
　　参考文献
　　[1]郭德勇，韩德馨，王新义.煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用[J].北京科技大学学报，2002(6).
　　[2]何清，孟贤正，程建圣，黄旭超.高压水射流扩孔在石门揭突出危险性煤层中的应用[J].矿业安全与环保，2009(4).
　　[3]孟贤正，曹建军，何清，张永将.水力化高效防突集成技术研究与应用[J].矿业安全与环保，2009(S1).
　　[4]刘明举，任培良，刘彦伟，孟磊.水力冲孔防突措施的破煤理论分析[J].河南理工大学学报：自然科学版，2009(2).

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