荊 偉
(山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司 ,山西 陽泉 045000)
新景礦保安分區(qū)3#煤3107輔助進(jìn)風(fēng)巷位于保安分區(qū)南翼東部,東為本區(qū)3105工作面(已采)南為蘆南二區(qū)7206、7208工作面(已采),西為本區(qū)3109工作面(未掘),北隔采區(qū)大巷為3108工作面(未掘)。3107工作面主要開采3號煤層,該工作面構(gòu)造發(fā)育,煤層透氣性系數(shù)平均為0.000375md,瓦斯流量衰減系數(shù)平均為0.069d-1,瓦斯放散初速度為10.2mL/s,為煤與瓦斯突出煤層。為防止工作面在開采過程中出現(xiàn)煤與瓦斯突出事故,選擇在3107輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行水力沖孔造穴試驗,該巷道選用矩形斷面,巷道斷面尺寸(寬×高)=5m×2.8m,巷道為沿底掘進(jìn)巷道,試驗區(qū)域為3107輔助進(jìn)風(fēng)巷煤頭前方60m范圍內(nèi)。
1)卸壓增透原理。通過水力沖孔作業(yè),將孔周邊的煤體沖出,從而在鉆孔周邊形成一個孔洞,為在地應(yīng)力作用下孔周邊發(fā)生膨脹變形的煤體提供了自由變形空間;孔穴的形成導(dǎo)致煤體發(fā)生相對移動,頂?shù)装彘g產(chǎn)生相向位移,從而在鉆孔區(qū)域形成一個應(yīng)力降低區(qū),煤體內(nèi)壓力得到釋放,煤體內(nèi)部裂隙增加,煤體透氣性得到增強,進(jìn)而促進(jìn)了瓦斯的解吸和排放,提高了瓦斯抽采效率。
2)水力沖孔系統(tǒng)。水力沖孔系統(tǒng)主要由水力沖孔鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、水力沖孔接頭、氣渣分離器、高壓注水泵、水箱、高壓管路等組成,如圖1所示。
圖1 水力沖孔系統(tǒng)示意圖
1)施工地點選擇在3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷,鉆機(jī)開孔位置選擇在距離巷道底板1.3m處,根據(jù)鉆孔施工布置圖進(jìn)行順層鉆孔施工,通過螺旋高壓密封鉆桿螺旋葉片排渣,在前2根鉆桿間連接水力沖孔接頭;
2)當(dāng)鉆桿鉆進(jìn)到設(shè)計位置深度時,將高壓注水泵與鉆桿通過高壓膠管相連接,開啟高壓泵并設(shè)置壓力為18MPa;
3)管路連接完成后,將鉆機(jī)開啟,同時空轉(zhuǎn)鉆桿至孔口有水流出(水流出所需時間與煤體物理力學(xué)性質(zhì)及鉆孔深度有關(guān)系);
4)通過水力沖孔作業(yè)對煤體進(jìn)行切割,在進(jìn)行沖孔作業(yè)時,鉆桿轉(zhuǎn)動速度較正常鉆進(jìn)時略小,從而使煤體被充分切割,將鉆桿退出過程中要同時轉(zhuǎn)動鉆桿;
5)為取得良好的沖孔效果,在孔內(nèi)造穴位置多次鉆、退鉆桿,重復(fù)沖孔作業(yè);
6)首次造穴完成后,重復(fù)進(jìn)行上述步驟1~3,直至該鉆孔內(nèi)全部沖孔造穴工作按設(shè)計要求完成,此時將高壓泵關(guān)閉,空轉(zhuǎn)鉆桿待排渣完成后,將鉆桿退出,該鉆孔內(nèi)造穴完成。
3107輔助進(jìn)風(fēng)巷共造穴5個鉆孔、27個孔穴,鉆孔布置如圖2所示,具體參數(shù)見表1。沖孔半徑按照出煤推算平均達(dá)到0.57m,造穴出煤量最少0.7t,最多2.38噸,5個鉆孔累計在27個位置進(jìn)行造穴煤粉39.3t,平均每個位置造穴煤粉1.4t。
表1 鉆孔及沖孔造穴參數(shù)表
圖2 3107輔助進(jìn)風(fēng)巷沖孔造穴鉆孔參數(shù)設(shè)計
水力沖孔造穴施工完成后,對5個鉆孔內(nèi)瓦斯進(jìn)行預(yù)抽,從12月4日至12日,瓦斯抽放純量累計總量為2268.14m3,造穴單孔瓦斯抽采濃度為22.94%,單孔抽采平均混合量為0.312m3/min,平均純量為0.078m3/min,具體情況見表2。
表2 水力沖孔后本煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽情況表
表3 未進(jìn)行水力沖孔本煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽情況表
選取保安南六出煤巷掘進(jìn)工作面4個長度同樣為60m未進(jìn)行水力沖孔的本煤層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽,預(yù)抽時間為11月23日至28日,瓦斯抽放純量累計總量為889.92m3,造穴單孔瓦斯抽采濃度為10.17%,單孔抽采平均混合量為0.257m3/min,平均純量為0.0261m3/min,具體情況見表3。
通過對水力沖孔造穴和未進(jìn)行水力沖孔造穴鉆孔內(nèi)瓦斯預(yù)抽情況對比可知,前者瓦斯抽采濃度是后者的2.25倍,前者瓦斯抽采純量是后者的2.55倍,水力沖孔卸壓增透效果明顯。
3107工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷于12月13日開始掘進(jìn),截止12月28日8點班共施工40m,本循環(huán)掘進(jìn)正常,未出現(xiàn)瓦斯斷電等異常。根據(jù)掘進(jìn)期間瓦斯涌出量與推進(jìn)度的關(guān)系,繪制掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛茸兓€如圖3所示。
圖3 掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛茸兓€
從以上3107輔助進(jìn)風(fēng)巷回風(fēng)流瓦斯曲線可以看出:掘進(jìn)工作面推進(jìn)前40m,工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?、瓦斯涌出量穩(wěn)定,瓦斯?jié)舛茸罡?.3%,瓦斯涌出量最大1.2m3/min。
掘進(jìn)期間煤層情況及測試K1值分析見表4。
表4 K1值測試表
從上表中K1值及掘進(jìn)期間煤層變化情況可以看出:在掘進(jìn)前40m,K1值均不大于0.4,施工期間未出現(xiàn)噴孔、吸鉆現(xiàn)象。
抽放后瓦斯含量計算:根據(jù)工作面掘進(jìn)前抽放量為2268.14m3,計算得出3107輔助進(jìn)風(fēng)巷60m條帶煤層瓦斯含量平均減少0.36m3/t,瓦斯含量測定記錄如表5所示。
表5 瓦斯含量測定記錄表
通過瓦斯含量測定記錄表可以看出:工作面通過預(yù)抽,本煤層瓦斯含量減小,但隨著工作面的推進(jìn),煤層瓦斯含量增大。也從側(cè)面反應(yīng)出隨著工作面向前推進(jìn),造穴孔間距增大,局部煤層受造穴孔間距影響,不能得到充分預(yù)抽,瓦斯含量變化不大。造穴孔設(shè)計必須要考慮造穴孔影響半徑。預(yù)估消除前方條帶煤體突出危險性需要的時間??梢灶A(yù)判造穴孔影響半徑4.1m。
根據(jù)3107輔助進(jìn)風(fēng)掘進(jìn)情況統(tǒng)計資料和造穴鉆孔參數(shù)設(shè)計可知:在15m處兩側(cè)造穴孔與巷道造穴孔間距為3.86m時,測試K1值均小于0.4,瓦斯?jié)舛刃∮?.4%,涌出量小于3m3/min,施工過程中無吸鉆、噴瓦斯現(xiàn)象;施工至25m處時間距為5.78m,測試K1值均小于0.4,但瓦斯?jié)舛壬?.8%,涌出量達(dá)到3.84m3/min;施工至35m處時間距為8.17m,測試K1值為0.94,瓦斯?jié)舛壬?.7%,涌出量達(dá)到3.36m3/min,出現(xiàn)吸鉆、噴瓦斯現(xiàn)象。
通過對上述資料分析可以看出:隨著工作面向前推進(jìn),當(dāng)兩側(cè)造穴孔距巷道造穴孔距離越來越遠(yuǎn),造穴孔對之間煤體影響將越來越小。
1)對煤層采取水力沖孔造穴措施將煤體沖出,可將鉆孔周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象消除,實現(xiàn)煤體的卸壓作用。
2)3107輔助進(jìn)風(fēng)巷共造穴5個鉆孔、27個孔穴,與未進(jìn)行沖孔造穴相比較,造穴后煤層透氣性得到很大程度的改善,預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊玫矫黠@提高,消除了激發(fā)瓦斯突出的應(yīng)力和條件,有顯著的防突作用效果。
3)由考察分析預(yù)估前方條帶消除煤體突出危險性需要的時間,可以預(yù)判造穴孔影響半徑4.1m,對下一步造穴沖孔設(shè)計起指導(dǎo)、優(yōu)化作用。