石門揭煤抽采方案優化及增透消突技術實踐

冉永進

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400037)

煤礦災害主要有煤與瓦斯突出、火災、水災、煤塵災害、頂板災害、沖擊地壓災害等,其中煤與瓦斯突出是發生次數最多、危害最大的,會嚴重破壞井下設備,威脅井下工人生命安全,極易誘發瓦斯爆炸事故的發生。在各類突出事故中,以石門揭煤發生突出的概率最高,突出強度也最大[1-4]。國內外學者[5-10]針對石門揭煤突出機理和防治措施開展了研究,提出了各類防突方法,其中預抽煤層瓦斯區域防突措施應用最廣。在實際工作中,我們發現許多煤礦在揭煤工作中,對以抽采有效影響半徑為指導的抽采鉆孔布置存在認識誤區,即在抽采鉆孔設計時,單純的以2 倍有效抽采半徑的終孔間距來布置抽采鉆孔,導致抽采鉆孔工程量和鉆孔施工時間增加,造成資金和時間上的浪費。因此,現在以抽采鉆孔垂距小于或等于2 倍有效抽采影響半徑的原則來進行抽采鉆孔的合理布置,以此來減少抽采鉆孔的工程量,節約施工鉆孔時間。同時采用致裂增透措施來增加煤層透氣性,提高抽采效率,實現安全、快速消突揭煤的目的。

1 石門揭煤區域抽采鉆孔的設計

1.1 礦井石門揭煤抽采鉆孔設計方案

礦區為單斜構造,斷裂、褶曲不發育,01 石門區域未探測到地質構造發育。01 運輸石門距離煤層約42 m,揭煤工作面距離煤層法向距離為7 m,煤層頂板為粉砂質泥巖,底板為粉砂巖,揭煤處埋深約200 m,鄰近層無采空區,煤層處于原始瓦斯區域,未受到采動影響。通過物探未發現積水,施工地質探孔時,實測煤層原始瓦斯含量為10 m3/t,煤層厚度預計1.4 m,煤層傾角20°,實測煤層透氣性系數為 0.104 3 ～0.134 1 m2/MPa2·d,煤層透氣性系數小,煤層透氣性差。

依據《防治煤與瓦斯突出規定》(以下簡稱“防突規定”)第四十九條相關規定,目前01 石門揭煤工作面距離煤層法向距離為7 m,設計在此采取預抽煤層瓦斯的區域措施,鉆孔控制到揭煤處巷道左右兩幫輪廓線外15 m,上幫控制輪廓線范圍為14.44 m,下幫控制輪廓線范圍為14.62 m,滿足控制范圍的外邊緣到巷道輪廓線的最小距離不小于5 m。

鉆孔抽采有效影響半徑1.5 m,抽采鉆孔終孔間距3 m,預計抽采時間為90 d,抽采鉆孔設計如圖1 所示。

圖1 礦井抽采鉆孔設計圖

由上圖可知,礦井石門揭煤區域抽采鉆孔設計,是以2 倍的有效抽采半徑的終孔間距來布置抽采鉆孔,按照上述抽采鉆孔布置時,大部分抽采鉆孔間距都小于3 m,導致抽采鉆孔工程量增加。同時,由于煤層底板巖層硬度較大,施工抽采鉆孔困難,導致鉆孔施工時間增加,造成資金和時間的浪費。

1.2 優化鉆孔布置工藝

在石門掘進至迎頭距離頂部煤層垂距7 m 時,根據《防突規定》的相關要求確定抽采鉆孔控制范圍。抽采鉆孔的布置,以頂部邊界作為第一個抽采鉆孔,鉆孔開孔點位于巷道的頂板附近。然后以2倍的抽采鉆孔有效影響半徑的垂距向下偏移第一個鉆孔,以所偏移鉆孔延長后與煤層頂板的邊界的交點,為第二個抽采鉆孔的終孔點,第二個抽采孔的開孔點位于第一個抽采孔開孔點下部,能夠滿足第一和第二抽采鉆孔之間的最大間距小于3 m 即可,即抽采鉆孔之間無空白帶。依次類推,逐一進行抽采鉆孔優化設計,如圖2 所示。

圖2 石門揭煤抽采鉆孔優化設計示意圖

通過優化后,抽采鉆孔工程量減少約50%。煤層實測原始瓦斯含量10 m3/t,煤層厚度預計1.4 m,煤層瓦斯儲量3.15×104m3。以瓦斯含量8 m3/t 為消突臨近值,按照優化后的抽采方案,施工抽采鉆孔后,封孔連抽,采用馬麗散封孔,每個鉆孔封孔長度為10 m,抽采負壓為20 kPa,通過對抽采鉆孔瓦斯濃度(體積分數,以下瓦斯濃度均為體積分數)的觀察,鉆孔平均瓦斯濃度每天變化如圖3 所示。

圖3 抽采鉆孔平均瓦斯濃度變化圖

由圖3 可以看出,當抽采時間達到45 d 時,抽采鉆孔平均瓦斯濃度已經很小,此時如果繼續抽采,抽采效率低,此時采取致裂增透措施,增加煤層透氣性,能有效地提高抽采效率,縮短抽采時間。

2 致裂增透措施

二氧化碳致裂增透措施作為增加煤層透氣性,提高礦井瓦斯抽采技術水平與抽采能力的新技術,能夠有效地提高低透氣性煤層的透氣性,縮短突出煤層的抽采時間,達到高效、快速消突的目的。鄒德龍等[11]將液態二氧化碳致裂增透技術應用于下溝煤礦ZF302 工作面、許石青等[12]將二氧化碳致裂技術在金佳煤礦212 運輸石門揭煤過程中的應用等為二氧化碳致裂增透技術的應用提供了實踐基礎。二氧化碳致裂增透機理為:液態二氧化碳汽化時,瞬間產生強大的沖擊波使煤體致裂,增加煤體透氣性,同時二氧化碳對煤體內的瓦斯進行驅替,使煤體瓦斯游離度提高[13-14],能夠更容易將瓦斯從煤體中抽采出來。

通過對抽采鉆孔平均瓦斯濃度變化的觀察,得出在抽采 45 d 后,抽采鉆孔平均瓦斯濃度為2.5%,抽采效率低,宜采取致裂增透措施。關閉1、2、3 號抽采鉆孔閥門,打開抽采鉆孔 1、2、3 號鉆孔(詳見圖2),用鉆機進行掏空,確保每個鉆孔在煤孔段,能夠布置一根致裂器,進行致裂爆破。由于煤層底板相對較硬,鉆孔成孔較好,不易造成塌孔,有利于實施二氧化碳致裂爆破,通過測試未發現塌孔,如果煤孔段塌孔,可以用鉆機掏孔至孔底,再進行致裂爆破。實施致裂爆破后,將措施孔進行封孔連抽,對致裂孔周邊約6 m 范圍內的抽采鉆孔平均瓦斯濃度進行觀測,每天的觀測結果如圖4 所示。由圖4 可以看出,實施致裂爆破后,抽采鉆孔平均瓦斯濃度最大為8.5%,增加了3.4 倍,表明實施致裂增透后,煤層透氣性有了明顯增加,提高了煤體瓦斯抽采效率。

圖4 致裂后鉆孔平均瓦斯濃度變化

在施工地質探孔時,實測煤層原始瓦斯含量為10 m3/t,在抽采60 d 后,實測抽采后殘余瓦斯含量為 6.7 ～ 7.3 m3/t,小于《防突規定》中的臨界值8 m3/t,實現了消突,原預計抽采時間為90 d,結合實施增透措施后,安全揭煤時間縮短了33%。

3 結論

1)依據抽采鉆孔有效影響半徑,以2 倍抽采鉆孔有效影響半徑的垂距偏移前一個鉆孔,來確定下一個鉆孔的鉆孔布置方案,在保證抽采鉆孔無空白帶的前提下,大大減少了抽采鉆孔的工程量,節約了工程成本和鉆孔施工時間。

2)通過實施致裂爆破措施,抽采鉆孔平均瓦斯濃度相比致裂前增加了3.4 倍,表明致裂爆破增加了煤體透氣性,提高了煤體瓦斯游離度,縮短了消突預抽時間,從而提高了抽采效率。