突出煤层掘进防突技术研究Word文档格式.docx
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焦作矿区是一个具有严重突出危险的矿区,随着矿井开采浓度的增加,特别是掘进工作面瓦斯突出危险性越来越严重,松动爆破、超前暴露出适用范围局限、措施重复率高、占用时间长、措施成本高等缺点,严重制约着掘进速度的提高,造成采掘比例失调,该矿区部分巷道措施情况如表1所示。
表1焦作矿区部分矿井突出地区掘进情况
见表
突出不仅严重威胁煤矿安全生产,而且制约煤矿生产能力的发挥。
防突技术措施工序复杂,造成煤巷掘进速度缓慢。
突出后处理事故时间很长,影响了正常的采掘接替,严重制约矿井的生产能力。
2中高压注水综合措施防突作用机理
中高压注水综合防突措施就是:
巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯,向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。
该措施是边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯,增大煤体透水性。
有利于煤层注水;
较高的压力水压裂破坏煤体,增加煤体透气性,提高瓦斯抽放效果。
煤的孔隙性决定煤吸附瓦斯的能力和煤的渗透特性。
水分了具有明显的极性,水分子间和水煤分子间的相互作用,大于甲烷和煤分子间的相互作用,容易被煤所吸附,以多分子层形式吸附在煤的内表面,形成煤-水-甲烷体系平衡状态。
当该平衡遭到破坏时,煤吸水的牢固性和吸住的水量超过甲烷,从而减少煤中的瓦斯量。
煤中水分增加,煤抗压强度和弹性模数显著减小,塑性增强。
水在煤层中流动主要表现为在裂隙和大孔中进行的渗透过程,在微孔中主要表现为流体的扩散,从而挤出瓦斯。
用很高压力注水时,液体不会使煤体破裂,煤层将沿已有的削弱面-裂缝裂开,水以超过煤层自然吸收能力的流量进行注水,导致裂缝的敞开和扩展,消除煤体不稳定的平衡状态,降低近工作面部分的承压能力,增加临界状态带深度,并把集中应力带推向煤体深处。
通过研究和试验表明,中高压注水综合防突措施具有以下防突效果:
(1)高坟水逐渐使煤体破裂,使应力集中带前移,增加了巷道卸压带长度。
(2)高压水通过软煤分层时携带煤泥在煤层中运动,并顺煤层的裂缝向巷道空间或钻孔拔出,使煤体疏松,提高煤层透气性,瓦斯压力梯度降低。
(3)水封闭瓦斯流动通道,使瓦斯由吸附状态转为游离状态更加困难。
(4)煤体湿润,力学性质发生改变,弹性模数降低,增强煤体塑性,应力分布均匀。
(5)边掘边抽钻孔及时抽出工作面正前瓦斯,同时截流抽放前方两侧煤体的瓦斯,扩大了措施控制范围,有效防止瓦斯突出。
3中高压注水综合防突措施
3.1措施布置
中高压注水综合防突措施即边掘边抽与中高压注水相结合的措施,在巷道两帮边掘边抽钻场抽放正前煤体瓦斯的同时,掘进工作面采取中高压注水措施。
措施效果检验超标时辅助以φ42mm排放钻孔,直至措施效检有效后,留出效检超前距采用远距离放炮安全防护措施进行掘进作业。
[换行]正前中高压注水措施,根据煤层赋予特点,布置注水钻孔3~5个,控制掘进工作面前方有突出危险的煤体。
注水孔孔口位置在硬煤中,终孔点落至软煤分层。
钻孔方向沿巷道轴线方向,以免破坏两帮抽放钻孔。
注水孔孔径φ42mm,孔深8m;
封孔深度3m;
注水压力根据煤层埋藏浓度及煤体坚固性系数确定,一般选择10~12MPa。
巷道两帮各布置3~5个30~50m而直径为90的抽放钻孔,钻孔平行掘进方向,距巷道轮廓线为1.5~3.0m。
3.2中高压注水系统布置
根据中高压注水措施的特点,焦作煤业集团科研所在试验过程中,研究了耐高压、易操作、性能可靠的AFS型水力自动封孔煤注水器,并获得了国家发明专利,完善了中高压注水操作系统,具体布置如图1所示。
图1中高压注水系统布置图
3.3中高压注水措施考察
3.3.1边掘边抽措施的考察
在试验期间,随巷道掘进测试注水前后的边掘边抽钻孔的抽放参数,并绘制曲线图(见图2)。
图2表明:
中高压注水期间,巷道两帮抽放孔明显受到影响。
图2中高压注水防突边掘边抽措施考察
据统计:
注水前钻孔瓦斯抽放量为0.0131~0.0706m3/min,平均为0.0316m3/min,平均为0.03835m3/min,钻孔抽放量增加平均达21.4%以上,个别孔甚至成倍增加。
3.3.2中高压注水考察
研究过程中,对中高压注水措施的主要参数进行了考察和统计。
从表2可看出,在煤层赋存条件相同、埋藏浓度相近的情况下,注水压力,注水时间基本相同。
注水时间、注水量与注水孔间距有关,相同的注水压力下,间距越小,注水时间越短,注水量越少;
间距相近,注水时间、注水量随注水压力升高而升高,但注水压力过高反而又下降(见图3)。
图3注水期间流量、压力和时间的关系图
在注水期间,注水压力与流量反向变化,并呈波浪状,直观反映出中高压注水作用于煤体是逐渐压裂破碎。
通过对中高压注水钻孔实际影响范围进行的考察和统计表明:
中高压注水钻孔横向影响半径可达1~1.4m,沿纵向影响浓度则可超前钻孔2m。
同时,通过表2可看出,中高压注水可使煤体产生明显的位移。
表2中高压注水试验参数
类别
注水时间
(min)
注水压力
(MPa)
注水量
(m3)
顺层影响
范围(m)
沿层影响
煤体位移
(mm)
演马庄矿25071运输巷
28
10~12
1.0
1.10
0.94
20~400
位村矿14121上风道
50
8~18[换行]1.1
1.37
1.00
20~100
位村矿14121下风道
49
8~18
-
1.38
20~110
通过对注水掘进工作面瓦斯涌出观测,得到以下瓦斯涌出规律:
注水后掘进期间瓦斯涌出量明显降低,炮后瓦斯浓度降低,且下降速度变快。
4中高坟注水综事防突措施实践
从2001年开始,先后在朱压矿、演马庄矿、位村矿采用中高压注水防突措施,对比措施前后掘进情况,中高压注水防突措施明显缩短了措施执行时间,简化了措施工艺,提高了掘进速度,降低了掘进成本。
(1)防突效果方面:
采取不同防突措施时期的检出率(见表3),以及中高压注水防突措施试验前期或同期,其他巷道不同防突措施下的掘进各项指标,具体如表4所示。
表3不同防突措施效检对比
措施名称
效检突出
率(%)
备注
演马庄矿
25071运输巷
中高压注水综合措施
10.3
采取小直径排放钻孔措施后,当班解除突出危险
25051运输巷
大直径排放钻孔措施
51
重新采取大直径排放钻孔措施
25081运输巷
抽放结合排放钻孔措施
26.1
位村矿
14121上风道
38
22
14121下风道
大直径排放钻孔措施[换行]35.3
重新要取大直径排放钻孔措施
表4不同防突措施指标对比
措施时间
(班/循环)
循环进尺
(m)
日进尺
措施工程量
中高压注水措施
1
2.5
3.5
9.1
4.5
8.9
排放孔措施
4~5
1.2
74.7
1.3
64
(2)节支降耗方面,单从不同措施下钻机及通风电费计,在注水泵配置合理的情况下,每掘进一米可节省电缆324.5元;
以掘进速度提高一倍计算,每月单通风费用一项可节省近万元。
(3)安全生产环境方面,采取中高压注水措施后有如下好处:
①煤体湿润、煤尘降低、有利于掘进降尘;
②炮后瓦斯浓度降低、排放时间缩短,更有利于掘进作业。
[换行]③措施工程量的减少、工艺的简化,加之显著的防突效果,使掘进成本大幅度降低,其经济和社会效益是十分显著。
(4)掘进速度方面:
朱村矿25051工作面掘进速度由原来的双巷13.2m/月提高至单巷67.3m/月;
演马庄矿严重突出区掘进进尺由35m/月提高到84m/月;
位村矿14121工作面掘进尺由39m/月提高至100m以上,并有效防治了煤与瓦斯动力现象,保证了掘进施工安全,经济和社会效益十分显著。
5结论
(1)通过在焦作矿区的试验,提出并确定了适合焦作矿区突出煤层掘进的合理防突措施、工艺及其参数。
中高压注水综合防突措施与超前排放钻孔等防空措施相比,措施工程量低、操作工艺简便,是一种方便高效的防突措施。
(2)中高压注水作用提高了边掘边抽钻孔的抽放量,其影响作用是连续的,措施后效检超标率从18.8%降低到1.4%,取得明显的防突效果。
(3)中高压注水措施后,煤体发生显著位移;
煤体水分明显增加,使瓦斯放散能力降低;
各作业工序瓦斯涌出比较均匀,瓦斯动力现象次数减少,炮后瓦斯浓度下降,取得明日为的瓦斯防治。
(4)中高压注水措施具有显著的防尘降尘作用,改善了工作面作业条件。
(5)采用中高压注水综合防突措施在不同煤层条件下3115m巷道进行试验,巷道掘进速度平均提高一倍上,期间未发生一次突出,有效缓解了试验矿井采掘接替紧张局面,就其取得的经济效益达1100万元,因此,经济和社会效益十分显著。
实践证明:
中高压注水综合防突措施能有效地防治突出,对于提高突出地区掘进速度、保证煤矿安全生产具有广泛的适用性、有效性和可靠的安全性。
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