水力沖孔技術(shù)在突出煤層施工中的應(yīng)用

水力沖孔技術(shù)在突出煤層施工中的應(yīng)用

伊馬煤礦集團(tuán)孟津煤礦位于河南省孟津縣衡水市。2004年12月21日開始建設(shè)。井坡長約7.0km，坡長約5.7.10.0km，面積57.52km。地質(zhì)儲量為1463.3m，儲量72.329m。礦井設(shè)計能力1.2Mt/a,采用立井兩水平上下山開拓,通風(fēng)方式為中央并列式。礦井為煤與瓦斯突出礦井,煤塵有爆炸危險性。目前礦井主要系統(tǒng)巷道、硐室等開拓已基本完成,生產(chǎn)系統(tǒng)較完善。主采煤層為二疊系山西組二1煤,厚0~9.1m,平均2.24m,煤層厚度具有短距離內(nèi)急劇變化的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡單,屬較穩(wěn)定煤層。二2煤局部開采,厚0~1.5m,平均0.88m,傾角1~8°。二1煤、二2煤都具有突出危險性。1水流沖孔的原因和原理1.1特殊煤層合成煤技術(shù)孟津煤礦開采深度760m,目前實測煤層瓦斯壓力3.2MPa,瓦斯含量14.5m3/t,煤的堅固性系數(shù)小于0.3。二1煤全部為構(gòu)造煤。由于礦井設(shè)計方面的原因,石門揭煤次數(shù)多,二1煤較軟,透氣性很差,煤巖層應(yīng)力較高。如使用傳統(tǒng)的防突技術(shù),不但揭煤進(jìn)度緩慢,而且還嚴(yán)重威脅礦井安全。因此需要進(jìn)行突出煤層石門揭煤技術(shù)的研究。經(jīng)多方案的論證比較,并進(jìn)行多次試驗,最后得出結(jié)論:采用在石門揭煤時水力沖孔技術(shù)作為防突措施,不但消突速度快,而且能保證防突及石門揭煤施工的安全,縮短揭煤時間。1.2水力沖孔技術(shù)煤與瓦斯突出是由瓦斯、地應(yīng)力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等多因素共同作用的結(jié)果。煤層中發(fā)生煤與瓦斯突出的動力,是煤層和圍巖中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能。因此,如果能夠釋放引起煤與瓦斯突出的能量,就能達(dá)到預(yù)防瓦斯突出的目的。水力沖孔技術(shù)就是依靠高壓水的沖擊能力,造成掘進(jìn)工作面前方煤體的破碎,逐漸形成一個大尺寸的水力掏槽孔,使孔道周圍煤體依附的瓦斯得到充分排放;與此同時,孔道周圍煤體向孔道方向發(fā)生大幅度的移動,造成煤體的膨脹變形和頂、底板間的相向位移,引起在孔道影響范圍內(nèi)地應(yīng)力降低,煤層得到充分卸壓,裂隙增加,使煤層透氣性大幅度增高,促進(jìn)瓦斯解吸和排放,大幅度地釋放了煤層和圍巖中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能,煤的塑性增高、濕度增加,既消除了突出的動力,又改變了突出煤層的性質(zhì),從而起到防止煤與瓦斯突出的作用。2熱水孔工程2.1巷道底板瓦斯壓力礦井西翼第三車場(簡稱西三車場)是西區(qū)首采面12031工作面軌道順槽外部車場,巷道底板二1煤瓦斯含量高、地應(yīng)力大,在西翼軌道大巷施工時曾出現(xiàn)過底鼓現(xiàn)象,施工鉆孔時多次出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象,瓦斯壓力顯現(xiàn)異常明顯。2.2工程地質(zhì)條件西三車場為巖石巷道,在二1煤頂板中施工。煤層頂板巖性為細(xì)—中粒砂巖,厚度14.90~17.68m,比較穩(wěn)定,巖性堅硬,具有較大的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度,工程地質(zhì)條件良好。其下為碳質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖偽頂,厚1.60~3.05m,性脆易碎,巖體完整性為中等完整。西三車場二1煤厚3.5~4.2m。二1煤底板主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖,厚1.6~11.95m,一般介于2.5~6.00m之間。3解決水孔爭端的問題和技術(shù)要求3.1水力沖孔消突采用常規(guī)措施解決高應(yīng)力低透氣性煤層易出現(xiàn)夾鉆、丟失鉆桿、鉆孔擠壓嚴(yán)重變形及塌孔壓實等問題,難以達(dá)到抽放消突的效果。采用水力沖孔消突需要解決的問題是:(1)減少消突鉆孔數(shù)量;(2)提高消突效果,縮短揭煤時間。3.2水力沖孔在石門揭煤位置先施工消突鉆孔,再使用小直徑鉆頭加高壓水進(jìn)行水力沖孔,掏出孔內(nèi)一定的煤量。沖出的煤量越大,形成空洞、影響半徑就越大,消突效果就越好。3.3巷道瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)(1)在施工過程中,由于瓦斯壓力較大時會出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象,可能會造成巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛瘸?所以要加強(qiáng)通風(fēng)管理。(2)水力沖孔會有大量的煤被沖出,要及時清理,以免影響施工和底板上已施工完畢的鉆孔的釋放效果。4巷道地面鉆孔的施工原設(shè)計防突鉆孔64個,采用水力沖孔技術(shù)時,只施工20個鉆孔。按照抽(釋)放鉆孔的方法進(jìn)行水力沖孔鉆孔設(shè)計,采用ZY-750型全液壓鉆機(jī)進(jìn)行排放鉆孔施工。在西三車場工作面設(shè)計布置4排5列共20個孔,鉆孔控制到巷道周界外13.6m的煤層內(nèi),向前控制35m,最長的鉆孔50.0m,最短的鉆孔13.5m,終孔間距不大于4m,鉆孔直徑為89mm。釋放鉆孔施工完畢后,再對每一個鉆孔采用BRW125/31.5型乳化液泵連接鉆機(jī),用10MPa高壓水進(jìn)行水力沖孔,水力沖刷時要用直徑為75mm鉆頭,反復(fù)進(jìn)退,直到?jīng)_不出煤為止,然后連管抽放。實施水力沖孔時各鉆孔沖出的煤量與校檢孔殘存的瓦斯含量如表1所列。5危險性消突試驗在水力沖孔施工的過程中,大量的煤與瓦斯被沖出,瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài),有效降低了煤與瓦斯突出的危險性,起到消突效果。試驗證明,利用水力沖孔比普通抽放不僅布置的鉆孔少、抽放時間短,而且效果顯著。如西軌大巷曾利用瓦斯抽放手段作為消突措施,歷經(jīng)約60d的消突才使瓦斯含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)以下,而西三車場,利用水力沖孔技術(shù)僅用了20d左右就消突結(jié)束,時間縮短了2/3,大大提高了消突速度,為掘進(jìn)贏得了時