方山矿二1煤水力冲孔压力考察试验

王永俊

(平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处, 河南平顶山467000)

方山矿二1煤水力冲孔压力考察试验

王永俊

(平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处, 河南平顶山467000)

针对无保护层、低透气性煤层预抽困难的问题,采取煤层底板巷水力冲孔,为确定合适冲孔水压采取了现场试验的办法,结果表明:试验地点水力冲孔临界破煤压力4 MPa左右,约为f=6.7～10;适宜破煤压力6～8 MPa,约为f=10～20,该压力下钻孔出煤量稳定,约0.4 t/m,出煤速度约0.03～0.04 t/min;当冲孔水压超过10MPa后,会产生冲孔钻孔憋孔现象,不仅对冲孔作业人员构成威胁,而且易引起巷道风流瓦斯浓度超限;试验结果为确定方山矿二1煤层水力冲孔参数提供了依据,指导了现场工作,也为周边矿井的水力冲孔作业提供了借鉴。

临界压力; 水力冲孔; 透气性

突出矿井采掘接替紧张是煤矿企业生产面临的普遍难题。开采保护层和预抽煤层瓦斯是区域性消突的主要措施,方山矿主采二1突出煤层不具备开采保护层条件,利用煤层底板巷道,采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯,是矿井瓦斯治理的首选。由于煤层透气性低,直接预抽,效果不明显,为此必须进行增透预抽。国内外采用的卸压增透强化抽采的方法主要有:水力压裂、水力挤出、煤层注水、排放钻孔、深孔爆破等[1-4]。这些方法在部分矿区取得了一定的效果,并有效遏制了瓦斯突出事故的发生或降低发生突出的强度[5-6],但这些防突措施在施工的安全性、周期性、广泛适用性均存在一定的不足,如施工工期长、措施复杂、操作难度大,有些措施的效果持续时间短等缺点。

水力冲孔是以煤(岩)为安全屏障,利用高压水射流的冲击力,在煤层内部冲刷煤体,形成孔洞,释放瓦斯潜能和煤体弹性能,增强煤体强度,改变钻孔周边围岩的应力分布,在降低煤层突出危险性的同时,能提高煤层透气性,有利于钻孔排放瓦斯[2,7-9]。水力冲孔效果的好坏,其关键因素之一是冲孔压力,冲孔压力的确定主要依据经验,实际应用中往往出现冲孔效果不佳的问题。为了获得最佳冲孔压力,对方山矿二1煤层进行了水力冲孔试验研究。

1 方山矿概况

方山矿新井地处禹州市方山镇境内,井田南北长约3.3 km,东西宽约1.2 km,面积约4.0 km2。主采二1煤为煤与瓦斯突出煤层,矿井设计生产能力为30万t/年。二1煤层位于山西组下部,煤层总体结构简单,层位稳定,平均厚度4.03 m,倾角10°～18°,平均14°。

水力冲孔试验地点在二1-11061机巷低抽巷,位于轨道下山北翼,开口水平位置标高-58～-72 m。测定煤坚固性系数f= 0.4～0.6,机巷低抽巷工程量680 m。根据预测,二1-11061综采面瓦斯压力为2.12 MPa,瓦斯含量为15 m3/t。煤层直接顶为f= 4～6的3 m厚砂质泥岩,直接底为f=3～5的泥岩。

2 冲孔装备

水力冲孔装备为钻、冲、防一体化水力冲孔装置。其中冲孔钻孔采用的是钻冲自动切换专用钻头,如图1所示。低水压(0.5 MPa以下)时,钻头的高压喷头关闭,钻头原喷嘴出水,清洗打钻产生的岩粉并冷却钻头,进行打钻作业;高水压(大于0.5 MPa)时,原喷嘴关闭,高压喷头出水,冲击钻头侧面煤体,实施水力冲孔。

3 水力冲孔试验

3.1 冲孔方案

设计考察8个钻孔,分2组进行,每组4个钻孔,分别命名A、B、C、D,两组钻孔的采用下标1和2进行区分,每组孔冲孔压力为4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa。

冲孔过程中记录每米钻孔的冲孔时间和冲出煤量,并记录打钻、冲孔过程中的异常情况。

另外,统计2014年4月开始的打钻报告单,统计出钻孔的冲孔时间和冲出煤量参数数据,分析出钻孔倾角与出煤量、出煤速度的关系。

3.2 冲孔过程

根据考察方案,冲孔钻孔布置参数见表1。在相关安全防护措施前提下,钻孔冲孔过程依据“可冲尽冲”的原则进行作业,并详细记录每米冲孔冲出的煤量及时间,见表2。

图1 水力冲孔钻冲专用钻头

表1 冲孔钻孔布置参数及冲孔记录

表2 冲孔过程出煤速度记录表

3.3 冲孔结果及分析

试验中,方山矿二1煤层水力冲孔的压力与出煤量关系如图2所示,冲孔压力与出煤速度关系如图3所示。

图2 冲孔压力与冲出煤量关系

图3 冲孔压力与出煤速度关系

结合冲孔过程现场观察的现象可知:当冲孔水压在4 MPa以下时,出煤量很小,且不连续,可以认为冲孔的临界压力在4 MPa,为f=6.7～10,与理论破煤临界压力值较为一致。

随着冲孔水压的上升,出煤量有上升趋势,当压力达到10 MPa时,在现场观察到冲孔过程中持续有轻微的憋孔现象,每次憋孔现象持续约1～3 min,且每米出煤量很不稳定,此现象说明冲孔产生的瞬时出煤量大于了钻孔泄煤能力。这种情况带来的后果是钻孔内瓦斯不能快速顺利泄排,导致钻孔内气体压力上升,易引起喷孔,对作业人员构成威胁。也就是说,10 MPa的冲孔水压相对于试验地点的煤层条件和钻孔条件,压力偏大。将冲孔水压上调至12 MPa后发现憋孔更加严重,钻场下风侧瓦斯探头T2高值报警,超过4%,停冲后瓦斯浓度超过2%的时间达2 min的现象进一步说明了试验地点冲孔水压过高带来的危害,可见,冲孔水压不超过10 MPa较为合适。

冲孔水压为6～8 MPa时,钻孔每米出煤量相差不大,约0.4 t/m,且出煤速度也相近,约0.03～0.04 t/min。可以认为,该试验地点正常冲孔水压在6～8 MPa,约为f= 10～20较为适宜。

4 结论

通过对方山矿二1煤水力冲孔压力现场试验,得到如下结论:水力冲孔过程中冲出煤量和冲孔水压有着密切的联系,随着冲孔水压由低到高变化,冲出煤量会相应增加;当冲孔水压达到一定值时,煤体才能在冲孔水压下发生破坏,随水流排出钻孔,该压力为临界压力,试验地点临界压力约4 MPa,是煤坚固性系数f=6.7～7倍范围;冲孔水压超出临界压力后,冲孔水压越大,单位时间冲出煤量越多,受钻孔直径、煤体强度和冲孔水流量等因素的综合制约,孔口出煤速度与冲孔水压之间并非成线性增长关系,当冲孔水压达到一定程度后,孔口出煤速度会减缓;冲孔水压超出一定值后,会产生憋孔现象,并引起巷道风流瓦斯浓度超限,试验地点的上限水压约为10 MPa。

[1] 王新新,石必明,穆朝民.水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机理研究[J].煤炭学报,2012, 37(3):467-471.

[2] 刘明举,崔凯,刘彦伟,等.深部低透气性煤层水力冲孔措施防突机理分析[J].煤炭科学技术,2012,40(2):45-48.

[3] 王兆丰,范迎春,李世生.水力冲孔技术在松软低透突出煤层中的应用[J].煤炭科学技术, 2012,40(2):52-55.

[4] 温世平.水力冲孔孔洞瓦斯造成掘进工作面瓦斯超限的的原因及控制措施[J].煤矿安全, 2015,46(8):171-173.

[5] 冯文军,苏现波,王建伟,等.“三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验[J].煤田地质与勘探,2015,43(1):100-103.

[6] 刘勇,刘建磊,温志辉,等.多级破煤水力冲孔强化松软低透煤层瓦斯抽采技术研究[J].中国安全生产科学技术,2015,11(4):27-32.

[7] 郝富昌,孙丽娟,刘明举.考虑卸压和抽采效果的水力冲孔布孔参数优化研究[J].采矿与安全工程学报,2014,31(5):756-763.

[8] 徐东方,黄渊跃,罗治顺,等.底板巷水力冲孔卸压增透技术的研究与应用[J].煤炭科学技术,2013,41(2):42-44,48.

[9] 陈攀.水力冲孔技术在九里山矿15071底抽巷的应用[J].煤矿安全,2013,44(5):139-141.

Study on Water Pressure of Hydraulic Flushing at the Second Coal Seam of Fangshan Coalmine

WANG Yong-jun
(Pingdingshan Tian'an Coal Mining Corp.Ltd., Pingdingshan Henan 467000)

For the reason of bad gas pre-drainage,hydraulic flushing was used in low gas permeability and no protective coal seam,and field test was done to determine water pressure.The results show that the critical pressure breaking coal seam is about 4MPa,which is 6.7-10 f.And the suitable water pressure is 6-8MPa(about 10-20 f).Under this condition,the broken coal particle by water from borehole is stable,about0.4t/m,and coal output is about 0.03-0.04t/min.when water pressure over 10MPa, there is blocked in the borehole by mixed coal and water,which is a threaten to operators and a reason of gas concentration over limitation.

critical pressure; hydraulic flushing; gas permeability

TD713+.34

B

1671-4733(2015)06-0001-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.06.001

2015-10-10

王永俊(1987-),女,河南平顶山人,助理工程师,研究方向为地质工程,电话:15137582237。