李生舟,陳玉濤,徐 斌
(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)
保護(hù)層開采、本煤層大面積預(yù)抽煤層瓦斯是當(dāng)前防治煤與瓦斯突出災(zāi)害的主要技術(shù)措施[1-6]。保護(hù)層開采能夠?qū)Ρ槐Wo(hù)層進(jìn)行卸壓,提高瓦斯抽采效率,是防治煤與瓦斯突出的有效措施。但對于不具備保護(hù)層開采條件的高地應(yīng)力環(huán)境下的突出煤層,僅依靠傳統(tǒng)的本煤層大面積預(yù)抽煤層瓦斯措施無法有效消除煤層的突出危險(xiǎn)[7-8]。
韓城礦區(qū)新構(gòu)造活動性較強(qiáng),屬于淺源地震活動危險(xiǎn)帶,具有6級地震以上的地壓背景。韓城礦區(qū)主采的3#煤層共計(jì)發(fā)生突出事故約150次,其中60%的突出事故為壓出類型,83%的突出事故發(fā)生在煤巷及石門揭煤過程中,韓城礦區(qū)有記錄的突出煤層的最低瓦斯含量為6.6 m3/t。大量突出事故表明,韓城礦區(qū)的突出災(zāi)害多是由地應(yīng)力起主導(dǎo)作用,而瓦斯次之。韓城礦區(qū)主要采取以保護(hù)層開采結(jié)合卸壓瓦斯抽采為主的綜合治理措施,但礦區(qū)內(nèi)可作為保護(hù)層的2#、11#煤層因煤層局部缺失、部分區(qū)域煤層間距過小或受奧灰水的威脅,難以作為保護(hù)層開采。目前韓城礦區(qū)針對突出災(zāi)害的防治措施以瓦斯抽采為主,區(qū)域措施效果評價(jià)指標(biāo)僅考慮瓦斯因素。傳統(tǒng)的單一預(yù)抽瓦斯的模式難以解決礦區(qū)的突出災(zāi)害難題,亟需研究地應(yīng)力主導(dǎo)型煤巷突出災(zāi)害防治技術(shù)及評價(jià)指標(biāo),解決韓城礦區(qū)不具備保護(hù)層開采條件下區(qū)域煤巷掘進(jìn)突出災(zāi)害防治的難題。
韓城礦區(qū)桑樹坪煤礦開采3#煤層(貧瘦煤),瓦斯含量為8~12 m3/t,最大瓦斯壓力為1.5 MPa。煤層破壞類型為Ⅱ~Ⅴ類,分布無規(guī)律,主體破壞類型為Ⅳ類,煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.1~0.3;煤層厚度變化大,煤厚3~9 m,一般厚度5~6 m。礦區(qū)內(nèi),3#煤層破壞類型為Ⅴ類,構(gòu)造附近區(qū)域、煤層厚度急劇變化帶為3#煤層突出災(zāi)害的高發(fā)區(qū),桑樹坪煤礦3#煤層的賦存條件在韓城礦區(qū)具有典型的代表性。
桑樹坪煤礦發(fā)生的煤與瓦斯突出類型包括突出、壓出、傾出,以壓出類型為主,共發(fā)生壓出68次,約占55%;共發(fā)生突出44次,約占45%。表明桑樹坪煤礦突出動力現(xiàn)象以地應(yīng)力為主,瓦斯壓力為輔。
該礦于2015年7月6日在南一采區(qū)3314下聯(lián)絡(luò)巷工作面發(fā)生一次具有典型代表性的地應(yīng)力主導(dǎo)的延期煤體突然壓出事故。煤巷掘進(jìn)區(qū)域采用穿層鉆孔措施預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯進(jìn)行區(qū)域防突,煤巷掘進(jìn)區(qū)域預(yù)抽瓦斯效果達(dá)標(biāo),實(shí)測最大殘余瓦斯含量為6.7 m3/t,且施工檢驗(yàn)孔時(shí)未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。
在清理煤巷掘進(jìn)落煤時(shí)發(fā)生了煤與瓦斯延期突出,拋出煤堆積巷道長度約65 m,煤炭500 t,涌出瓦斯11 232 m3;相對瓦斯涌出量為22.5 m3/t。堆積的煤炭以粉煤為主,夾雜有少量塊狀煤,煤炭堆積角較大,分選性不明顯。
事故主要原因:韓城礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育,而采掘活動造成該區(qū)域支承壓力疊加;煤層厚度急劇變化進(jìn)一步造成應(yīng)力集中,普通穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)域防突措施降低了煤層瓦斯含量,但無法卸除煤層中的高地應(yīng)力,該區(qū)域復(fù)雜的高地應(yīng)力是事故發(fā)生的主要?jiǎng)恿Γ凰绍浢簩泳哂腥渥冃再|(zhì)[9-11],在煤層上覆載荷不變的情況下,工作面煤體變形量依然隨時(shí)間增加而增大,煤體變形導(dǎo)致煤體失穩(wěn),發(fā)生了由地應(yīng)力主導(dǎo)的延期煤體突然壓出事故。
事故原因表明,必須采取措施降低突出危險(xiǎn)區(qū)域的煤層應(yīng)力,為煤體創(chuàng)造一定的變形卸壓空間。
桑樹坪煤礦3#煤層煤巷突出災(zāi)害依靠單一預(yù)抽瓦斯措施無法被有效消除,且僅依靠煤層殘余瓦斯含量指標(biāo)也無法準(zhǔn)確評價(jià)工作面突出危險(xiǎn)。因此,3#煤層的區(qū)域防突措施必須優(yōu)先從降低煤層應(yīng)力的角度出發(fā),兼顧煤層瓦斯抽采,才能從根本上解決煤巷掘進(jìn)防突問題?;诘V井煤層松軟的賦存特點(diǎn),經(jīng)驗(yàn)表明水射流擴(kuò)孔卸壓技術(shù)是可行的防突技術(shù)措施。
水射流鉆擴(kuò)一體化技術(shù)是一種兼顧煤層瓦斯抽采效率和煤層應(yīng)力卸除的技術(shù)。水射流鉆擴(kuò)一體化裝置主要由擴(kuò)孔鉆頭、高壓鉆桿、高壓旋轉(zhuǎn)水尾、高壓水泵、儲水箱、高壓膠管、高壓閘閥、礦用鉆機(jī)等組成,其性能良好,現(xiàn)場操作簡單方便。在石門揭煤或底板巖巷施工穿層鉆孔時(shí),利用鉆機(jī)帶動鉆桿旋轉(zhuǎn),通過特殊擴(kuò)孔鉆頭截齒切割或剝落大塊煤;同時(shí)利用高壓水射流對鉆孔周圍的煤體進(jìn)行打擊、剝落,以擴(kuò)大煤孔直徑,增加煤層暴露面積和鉆孔徑向卸壓范圍,擴(kuò)出更多煤炭,進(jìn)一步增加單孔卸壓范圍,提高瓦斯抽排效果,縮短鉆孔卸壓抽排時(shí)間。同時(shí),煤層潤濕后,煤體彈性減小,煤體卸壓、瓦斯放散初速度降低,有利于防治煤與瓦斯突出[12-15]。高壓水射流鉆擴(kuò)一體化技術(shù)工藝如圖1所示。
圖1 高壓水射流鉆擴(kuò)一體化技術(shù)工藝示意圖
在桑樹坪煤礦4321工作面開切眼區(qū)域開展水射流擴(kuò)孔卸壓防突效果試驗(yàn),該工作面3#煤層平均厚度為5.0 m,煤體破壞類型為Ⅳ~Ⅴ類,煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.1~0.3。在4321工作面開切眼正下方20 m位置布置1條底板巷,施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯進(jìn)行區(qū)域防突。在4321工作面區(qū)域測得3#煤層最大原始瓦斯含量為10.21 m3/t。
在4321底板巷32號和31號鉆場內(nèi)設(shè)計(jì)2組考察鉆孔,32號鉆場內(nèi)為普通穿層鉆孔,共計(jì)50個(gè);1號鉆場內(nèi)為穿層擴(kuò)孔鉆孔,共計(jì)49個(gè)。所有鉆孔終孔間距均按照6 m×6 m三花狀布置,如圖2 所示。
單位:mm
在水射流擴(kuò)孔卸壓效果考察過程中,要求整體擴(kuò)出煤屑率不低于3%,同時(shí)對普通穿層鉆孔及穿層擴(kuò)孔鉆孔的初始瓦斯涌出量、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)及瓦斯抽采效果等進(jìn)行考察。
現(xiàn)場測得3#煤層普通穿層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.053 0~0.074 0 d-1,穿層擴(kuò)孔鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.014 0~0.026 0 d-1,抽采鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)降低了65%~74%,難抽采煤層轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙椴擅簩?;普通穿層鉆孔自然瓦斯涌出流量為6.818 2~11.500 0 L/min,穿層擴(kuò)孔鉆孔自然瓦斯涌出流量為17.307 7~23.214 3 L/min,穿層擴(kuò)孔鉆孔自然瓦斯涌出量相對提高了2~3倍,表明水射流擴(kuò)孔卸壓技術(shù)能夠明顯改善煤層的可抽性。普通穿層鉆孔及穿層擴(kuò)孔鉆孔瓦斯涌出衰減曲線如圖3 所示。
圖3 普通穿層鉆孔及穿層擴(kuò)孔鉆孔瓦斯涌出衰減曲線圖
對32號和31號鉆場內(nèi)2組鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測,穿層擴(kuò)孔鉆孔抽采瓦斯?jié)舛绕骄鶠?3.5%,單孔抽采瓦斯量平均為0.067 m3/min;普通穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯?jié)舛绕骄鶠?2.0%左右,單孔抽采瓦斯量平均為0.020 m3/min??梢姴捎盟淞鲾U(kuò)孔后的瓦斯抽采濃度能夠提高1.0倍,抽采瓦斯混合量提高2.4倍。抽采瓦斯?jié)舛燃盎旌狭髁咳鐖D4所示。
(a)穿層擴(kuò)孔鉆孔
普通穿層鉆孔抽采瓦斯?jié)舛燃傲髁靠傮w隨抽采時(shí)間延長而衰減,但穿層擴(kuò)孔鉆孔抽采瓦斯?jié)舛燃傲髁坎▌虞^大,分析認(rèn)為這是穿層擴(kuò)孔鉆孔四周的煤體向擴(kuò)孔形成的孔洞內(nèi)緩慢變形,持續(xù)卸壓形成的效果。通過水射流擴(kuò)孔,鉆孔排出大量煤屑,煤層內(nèi)部自由空間增加,卸除煤層中的部分應(yīng)力,消除煤體的彈性能。通過卸壓提高了煤層的透氣性,瓦斯抽采效果得到提升,對防控桑樹坪煤礦地應(yīng)力主導(dǎo)型煤與瓦斯突出的效果顯著。
當(dāng)采用傳統(tǒng)預(yù)抽煤層瓦斯手段作為消突措施時(shí),采用煤層殘余瓦斯含量作為評價(jià)指標(biāo),瓦斯含量采用《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》推薦的8 m3/t作為臨界值。
在桑樹坪煤礦煤巷掘進(jìn)過程中,通過區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)煤層殘余瓦斯含量為5.00~6.00 m3/t時(shí),在部分地質(zhì)條件異常區(qū)域依然出現(xiàn)局部預(yù)測指標(biāo)超限及頂鉆、夾鉆等現(xiàn)象;保護(hù)層開采后,煤層殘余瓦斯含量約為7.00 m3/t,采掘過程中無局部預(yù)測指標(biāo)超限及頂鉆、夾鉆等現(xiàn)象。2種措施最大的區(qū)別在于保護(hù)層開采后煤層卸壓,3#煤層區(qū)域防突措施效果評價(jià)單純采用殘余瓦斯含量作為評價(jià)指標(biāo),難以真實(shí)判斷區(qū)域煤層突出危險(xiǎn)性是否被消除,因此區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)既要能反映煤層瓦斯抽采效果又要能反映煤層應(yīng)力卸除效果。
在水射流擴(kuò)孔過程中,擴(kuò)出的煤屑越多,則鉆孔內(nèi)部的卸壓空間越大,而且卸壓效果越好。根據(jù)擴(kuò)出煤屑量在防突措施控制區(qū)域內(nèi)煤體總質(zhì)量所占比例即擴(kuò)出煤屑率,評價(jià)水射流擴(kuò)孔卸壓的效果是否充分。擴(kuò)出煤屑率計(jì)算公式如下:
η煤屑率=T煤屑量/T煤總量
(1)
式中:η煤屑率為擴(kuò)出煤屑率,%;T煤屑量為鉆孔擴(kuò)出的煤屑質(zhì)量,t;T煤總量為防突措施控制區(qū)域內(nèi)煤體總質(zhì)量,t。
根據(jù)水射流擴(kuò)孔卸壓技術(shù)的特點(diǎn),煤巷條帶區(qū)域防突措施效果評價(jià)指標(biāo)采用擴(kuò)出煤屑率及殘余瓦斯含量。
擴(kuò)出煤屑率結(jié)合殘余瓦斯含量的評價(jià)指標(biāo)既能體現(xiàn)出3#煤層的突出主導(dǎo)因素,又適應(yīng)礦井的具體測試條件,但還需明確評價(jià)指標(biāo)的臨界值才能準(zhǔn)確評價(jià)區(qū)域防突措施效果。
3.2.1 考察方案及結(jié)果分析
試驗(yàn)地點(diǎn)為4321工作面運(yùn)輸巷,考察指標(biāo)為擴(kuò)出煤屑率、殘余瓦斯含量。由于煤巷條帶區(qū)域煤層賦存及突出危險(xiǎn)性的差異性,將考察區(qū)域分為一般防范危險(xiǎn)區(qū)(煤層賦存正常區(qū)域)和重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)(地質(zhì)構(gòu)造區(qū)、煤厚變化劇烈區(qū)、噴孔或頂鉆嚴(yán)重區(qū)域等),并分別考察評價(jià)指標(biāo)的臨界值。通過統(tǒng)計(jì)分析煤巷掘進(jìn)過程中異常瓦斯動力現(xiàn)象及區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)結(jié)果與區(qū)域防突措施效果評價(jià)指標(biāo)值之間的關(guān)系,進(jìn)而確定合理臨界值。
將考察巷道劃分為17個(gè)效果評價(jià)單元,其中一般防范危險(xiǎn)區(qū)有9個(gè)評價(jià)單元,鉆場編號分別為3、7~11、12~14、17、20、21、22、26~28、29~31;重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)有8個(gè)評價(jià)單元,鉆場編號分別為4、5、6、15、16、19、23、24~25??疾旖Y(jié)果及構(gòu)造分布情況如圖5 所示。
圖5 4321工作面運(yùn)輸巷各評價(jià)單元擴(kuò)出煤屑率及殘余瓦斯含量測定結(jié)果圖
由圖5可知,考察區(qū)域內(nèi)擴(kuò)出煤屑率為1.2%~6.4%,測定的殘余瓦斯含量為4.20~7.12 m3/t。分別對一般防范危險(xiǎn)區(qū)和重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)的擴(kuò)出煤屑率、殘余瓦斯含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖6、圖7 所示。
圖6 擴(kuò)出煤屑率測定結(jié)果
圖7 殘余瓦斯含量測定結(jié)果
對掘進(jìn)過程中反映煤體應(yīng)力狀態(tài)的鉆屑量S和反映煤體瓦斯含量的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2進(jìn)行測定和計(jì)算,4321工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)如圖8所示。
圖8 4321工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)測定結(jié)果
3.2.2 評價(jià)指標(biāo)差異化臨界值確定
1)擴(kuò)出煤屑率
a.一般防范危險(xiǎn)區(qū)
由圖6可知,一般防范危險(xiǎn)區(qū)的3號鉆場控制區(qū)域擴(kuò)出煤屑率為2.4%,雖然煤體殘余瓦斯含量降至6.00 m3/t以下,在煤巷掘進(jìn)過程中連續(xù)性區(qū)域驗(yàn)證過程中鉆屑量S指標(biāo)超限現(xiàn)象依然較為明顯,超標(biāo)值為6~8 kg/m,如圖8所示。由于部分區(qū)域煤層松軟,小型斷層構(gòu)造致使煤體應(yīng)力集中,放炮過程中出現(xiàn)了1次煤體異常壓出情況。突出預(yù)兆出現(xiàn)后重新補(bǔ)充水射流擴(kuò)孔預(yù)抽瓦斯區(qū)域防突措施,將擴(kuò)出煤屑率提高至3%后,實(shí)現(xiàn)煤巷安全掘進(jìn)。而其他 8個(gè)評價(jià)單元控制區(qū)域擴(kuò)出煤屑率為3.2%~5.7%,均未出現(xiàn)異?,F(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)煤巷安全掘進(jìn)。因此,對于煤層賦存正常的一般防范危險(xiǎn)區(qū)域,擴(kuò)出煤屑率應(yīng)不低于3.0%。
b.重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)
由圖6可知,重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)域的5個(gè)評價(jià)單元(4、5、6、16、23)的擴(kuò)出煤屑率分別為1.2%、1.3%、1.4%、4.4%、4.0%,其他3個(gè)評價(jià)單元(15、19、24~25)的擴(kuò)出煤屑率分別為6.4%、5.1%、6.0%。由圖8可知,擴(kuò)出煤屑率小于5.0%的5個(gè)評價(jià)單元(4、5、6、16、23)的鉆屑量S均出現(xiàn)超限現(xiàn)象;擴(kuò)出煤屑率大于5.0%的3個(gè)評價(jià)單元(15、19、24~25)雖然掘進(jìn)時(shí)也遇到了斷層構(gòu)造、煤厚變化劇烈區(qū)域和褶曲,但鉆屑量S均未出現(xiàn)超限現(xiàn)象。因此,對于存在異常賦存條件的重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū),擴(kuò)出煤屑率應(yīng)不低于5.0%。
基于上述研究,擴(kuò)出煤屑率可以有效反映煤層應(yīng)力卸除效果,可作為區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)評價(jià)的指標(biāo),在一般防范危險(xiǎn)區(qū)其臨界值為3.0%,在重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)其臨界值為5.0%。
2)殘余瓦斯含量
a.一般防范危險(xiǎn)區(qū)
由圖7可知,一般防范危險(xiǎn)區(qū)的殘余瓦斯含量為4.20~7.12 m3/t,均小于8 m3/t。3#煤層煤巷掘進(jìn)區(qū)域效果檢驗(yàn)指標(biāo)臨界值考察過程中,一直采用《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的推薦值作為臨界值,正常賦存條件區(qū)域的9個(gè)評價(jià)單元均未出現(xiàn)瓦斯異?,F(xiàn)象。一般防范危險(xiǎn)區(qū)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2均未出現(xiàn)超限現(xiàn)象,如圖8所示。由此可知,在實(shí)施水射流擴(kuò)孔卸壓措施情況下,殘余瓦斯含量為8 m3/t時(shí),能夠準(zhǔn)確評價(jià)一般防范危險(xiǎn)區(qū)的突出危險(xiǎn)性。
b.重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)
桑樹坪煤礦曾在構(gòu)造附近發(fā)生過突出,突出時(shí)的最低瓦斯含量為6.60 m3/t。基于煤巷掘進(jìn)過程中的防突經(jīng)驗(yàn),并留有一定的安全系數(shù),對重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)的評價(jià)指標(biāo)及臨界值初步定為6 m3/t進(jìn)行了研究。
由圖7可知,重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)的3個(gè)評價(jià)單元(4、5、6)的殘余瓦斯含量分別為5.29、5.63、5.52 m3/t,其他5個(gè)評價(jià)單元(15、16、19、23、24~25)的殘余瓦斯含量分別為6.71、6.97、6.18、6.46、6.45 m3/t。殘余瓦斯含量小于6 m3/t時(shí),煤巷掘進(jìn)過程中均未出現(xiàn)瓦斯異?,F(xiàn)象,同時(shí)重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)的8個(gè)評價(jià)單元的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2均小于臨界值200 Pa,如圖8所示。
基于上述考察情況,殘余瓦斯含量可以有效反映煤層瓦斯抽采效果,在一般防范危險(xiǎn)區(qū)其臨界值為8 m3/t,在重點(diǎn)防范危險(xiǎn)區(qū)其臨界值為6 m3/t。
應(yīng)用水射流擴(kuò)孔卸壓技術(shù)結(jié)合擴(kuò)出煤屑率及殘余瓦斯含量的評價(jià)指標(biāo)體系,可準(zhǔn)確評價(jià)桑樹坪煤礦地應(yīng)力主導(dǎo)型松軟突出厚煤層煤巷掘進(jìn)的防突效果,實(shí)現(xiàn)煤礦安全快速掘進(jìn),平均進(jìn)度由60 m/月提升至120 m/月,4321工作面提前準(zhǔn)備到位,緩解了采掘接替緊張局面;采取區(qū)域強(qiáng)化卸壓抽采措施后,減少了常規(guī)預(yù)抽鉆孔工程量,降低了成本。
1)針對地應(yīng)力主導(dǎo)型松軟突出煤層煤巷條帶,采取底板巷穿層鉆孔結(jié)合水射流鉆擴(kuò)卸壓技術(shù)措施,可有效改善煤層的可抽采性,降低煤層地應(yīng)力,消除地應(yīng)力主導(dǎo)型煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。
2)針對桑樹坪煤礦3#煤層地應(yīng)力主導(dǎo)型突出危險(xiǎn)災(zāi)害,應(yīng)采用擴(kuò)出煤屑率結(jié)合殘余瓦斯含量的區(qū)域措施效果評價(jià)方法,從地應(yīng)力卸除和瓦斯含量 2個(gè)角度評價(jià)區(qū)域防突措施消突效果。
3)根據(jù)地勘、物探及鉆孔施工過程中噴孔的程度等資料,預(yù)判煤巷掘進(jìn)區(qū)域的突出災(zāi)害嚴(yán)重程度,按照差異化考察確定的煤層殘余瓦斯含量和擴(kuò)出煤屑率臨界值,能夠準(zhǔn)確評價(jià)區(qū)域防突措施效果,實(shí)現(xiàn)煤巷安全掘進(jìn)。
4)水射流擴(kuò)孔技術(shù)能夠同時(shí)解決煤層瓦斯抽采及煤層卸壓問題,適用于防治桑樹坪煤礦松軟煤層地應(yīng)力主導(dǎo)型突出災(zāi)害,可從采掘部署上進(jìn)行調(diào)整,將水射流擴(kuò)孔技術(shù)應(yīng)用于工作面回采區(qū)域,可以保證工作面安全高效回采。