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浅析高突矿井水力掏煤快速消突工艺

发布时间:2019-11-04 17:13所属平台:学报论文发表浏览:

摘要:胡底煤矿为突出矿井,因高地应力、高瓦斯等问题,瓦斯治理难度较大。3号煤层赋存不均衡,顶板和底板均存在100~300mm的软分层,在工作面防突检测中经常造成钻屑量超标甚至突出的危险,影响煤巷安全高效掘进和综采面回采。针对此情况,主要采取对软分层

  摘要:胡底煤矿为突出矿井,因高地应力、高瓦斯等问题,瓦斯治理难度较大。3号煤层赋存不均衡,顶板和底板均存在100~300mm的软分层,在工作面防突检测中经常造成钻屑量超标甚至突出的危险,影响煤巷安全高效掘进和综采面回采。针对此情况,主要采取对软分层进行水力掏煤,达到了钻屑量不超标的目的,确保了矿井安全生产。

  关键词:高突矿井;软分层;钻屑量;水力掏煤

河南理工大学学报

  胡底煤矿为突出矿井,煤层顶板和底板均存在软分层,软煤硬度系数在0.1~0.5之间,在工作面防突检测中经常造成钻屑量超标甚至造成突出的危险,影响煤巷安全高效掘进和采面回采。采取的主要措施是底抽巷施工穿层钻孔及工作面顺层施工掏煤钻孔对软分层进行掏煤,但掏软煤措施效果不明显,未能彻底解决软分层问题,在工作面防突检测中钻屑量仍然经常超标。针对此情况,决定采用水力掏煤技术解决软分层问题。

  1水力掏煤理论技术

  采用数值模拟、相似模拟、实验室测定等方式对掏软煤的煤量、布孔间距、应力分布及透气性变化规律等技术参数进行研究和分析,通过在底抽巷穿层钻孔中使用旋转掏煤方式,顺层钻孔中采用定点水力掏煤方式,解决软分层问题。

  软分层掏煤厚度应满足掏煤后煤层充分卸压膨胀。参考保护层开采技术规范,当保护层开采后,被保护层最大膨胀变形量大于3‰时,认为被保护层充分卸压增透。软分层开采的厚度与开采煤层的绝对膨胀变形量成一定的比例关系,因此,软分层水射流掏煤的最小厚度可通过掏煤煤层的临界膨胀变形量来确定。

  1.1水力射流参数

  软分层水射流掏煤半径主要受煤体硬度系数、射流压力、射流流量及时间控制,其中煤体硬度系数和射流流量较为关键。当水射流掏煤半径、厚度、煤体硬度增大时,水射流水量、压力随之增大,时间增加。水射流参数设计包括水射流流量、压力和时间等参数,应根据水射流掏煤半径、厚度和煤体硬度来设计,参数值仅为第一个水射流掏煤钻孔初次掏煤提供参考,其它钻孔水射流掏煤的具体参数根据实际掏煤情况进行调整。

  1.2掏煤钻头喷头布置

  高压水射流掏煤采用扇形扁平射流,水力掏煤喷嘴安装在水力掏煤钻头后方。水力掏煤钻头根据水力掏煤钻孔角度来安装不同角度的喷嘴,喷嘴的安装角度应根据钻孔与煤层的夹角设计,不同角度范围的水力掏煤钻孔对应一系列不同安装角度的水力掏煤钻头,以确保水力掏煤时钻头上安装的不同喷嘴的射流面与煤层面接近平行。

  2软分层掏煤技术实施

  2.1底抽巷掏煤钻孔

  在胡底煤矿1305底抽巷前期施工的穿层钻孔之间施工掏煤钻孔,在原来每两排穿层孔之间施工一个掏煤孔,方位角90°和270°,倾角为46°,分别布置在13052/13053煤巷掘进轮廓线内。

  2.2回采巷道掏煤钻孔

  1305回采巷道施工完成顺层钻孔后,在钻孔软分层处每5m施工一个掏煤孔,掏煤孔方位角90°和270°,倾角1~3°,孔深100m。

  2.3设备选配

  对水力掏软煤系统、供水系统和防超限装置等试验设施进行安装和调试。水力掏软煤系统由水箱、高压泵、高压软管、高压旋转接头、钻机、高压密封钻杆、掏煤喷头及喷嘴等部分组成,沿巷道掏煤范围0~120m,掏煤影响半径3~6m,掏煤压力0~30MPa。

  高压射流水泵:1备1用,BRW400/31.5型乳化液泵及其配套乳化液箱。额定压力31.5MP,额定流量400L/min,外形尺寸2460mm×995mm×1265mm,将乳化液泵安装在1305底抽巷钻场内,采用直径51mm高压胶管将高压水输送至水力掏煤地点。高压管路:采用高压胶管连接乳化液泵和钻机,输送高压水进入高压钻杆和喷头。高压胶管为钢丝缠绕式,额定压力40MPa,外径51mm。

  高压密封水便:额定旋转密封压力40MPa。高压密封钻杆:水力掏煤采用高压密封三棱钻杆,额定密封压力40MPa,外径73mm,接头采用内密封设计。高压密封喷头:水力掏煤采用2种类型高压密封喷头,一种安装圆锥型射流喷嘴,另一种安装扁平扇形喷嘴。高压密封喷头一端与高压密封连接,另一端与钻头连接。

  2.4软分层掏煤工艺

  2.4.1穿层钻孔掏煤

  底抽巷穿层钻孔施工完毕后对煤、岩情况进行记录分析,退出普通钻杆,再向孔内送入高压水力掏煤钻杆,将水力掏煤钻头送入煤岩交接面以下0.5m,开始送入高压水进行冲孔,通过旋转并推进钻杆,当遇到软煤时一直冲孔,直至返出清水再向里送钻杆。重复以上工序直至整个孔冲完,通过水力掏煤,发现在煤层顶、底板处存在软煤较多,厚度在0.6~0.8m。

  2.4.2顺层钻孔掏煤

  在顺层顶部软煤区域施工完成钻孔后,退出普通钻杆,再向孔内送入高压水力掏煤钻杆,从煤壁向里,每15m定点冲一次孔,反复推拉钻杆,直至返出清水再向里送钻杆,重复以上工序直至整个孔冲完。

  3软分层掏煤效果分析

  3.1提高掘进效率

  未进行水力掏煤时,每次工作面突出危险性预测之前都要先在工作面迎头软分层中施工卸压孔,一般需要两至三天时间,生产效率低。水力掏煤之后,减少了工作面检测前施工卸压孔这道工序,提高了掘进效率。

  与相同距离的煤巷掘进相比:水力掏煤前35m区域防突预测共计用时219h,水力掏煤后35m区域检测时间仅需135h(包括水力掏煤用时4d),节省了40%的时间。采煤面产量比较:采用水力掏煤的采煤工作面采用径向膨胀法的抽采浓度、抽采纯量整体比聚氨酯高,平均单孔抽采浓度提高了72%,抽采纯量增加了59.7%。现场试验结果表明,径向膨胀密封工艺的钻孔抽采浓度与原聚氨酷封孔相比有较大幅度提高,长效性显著。

  4结语

  1)通过对巷道及钻孔围岩特性应力分布理论分析,结合数值模拟研究,确认巷道周围裂隙发育区主要受巷道采动影响,综合考虑鹤壁八矿3202煤巷的实际数据,巷道弹塑性区以及围岩变形的蠕变效应对围岩裂隙发育区域的影响,确定封孔起始位置6.9m,合理的最长封孔长度为10.8m,再增加封孔长度无益。

  2)选择平均单孔瓦斯抽采浓度,平均单孔瓦斯抽采纯流量作为评价指标,对比两种封孔工艺下瓦斯抽采浓度随时间变化,确定径向膨胀法平均单孔瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯流量与原封孔技术相比,分别提高了72%和59.7%,取得了良好的封孔效果。

  参考文献:

  [1]林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

  [2]王兆丰,刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].煤矿安全,2005,36(3):29-34.

  [3]周小平,王建华,哈秋舲.压剪应力作用下断续节理岩体的破坏分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(9):1437-1440.

  [4]谭志宏,闫江伟,韩正林.裂纹扩展过程红外热像实验及数值模拟研究[J].河南理工大学学报:自然科学版,2011,30(4):401-405.

  矿井方向论文投稿刊物:《河南理工大学学报自然科学版》(双月刊)曾用刊名:焦作矿业学院学报;焦作工学院学报(自然科学版);焦作工学院学报,1981年创刊,设置栏目有:瓦斯地质与安全工程、采矿工程、地质工程、环境工程、电气与自动化工程、机械工程、建筑工程、管理工程。

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