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    大柳塔礦活雞兔井12煤下分層放頂煤工作面放煤效果研究

    2020-10-22 11:27:48高士崗
    煤炭工程 2020年10期
    關(guān)鍵詞:藥卷水力裂隙

    高士崗

    (1.神東煤炭集團(tuán) 大柳塔煤礦,陜西 神木 719315;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

    大柳塔煤礦活雞兔井12煤層復(fù)合區(qū)屬特厚煤層,煤層厚度為10m左右,煤層普氏系數(shù)約為3,且節(jié)理裂隙不發(fā)育、煤層韌性較好,埋深為76~106m,煤層埋深較淺。2001年3月至2006年5月對該盤區(qū)上分層進(jìn)行了綜采回采,且回采時未采取鋪網(wǎng)等人工制造假頂措施,上分層回采時采高為4.0m,剩余下分層煤層厚度為6m。經(jīng)過研究、論證,結(jié)合特厚煤層開采工藝和放頂煤開采工藝的特點[1-3],對剩余6m厚的下分層采用綜放開采方法,采高3.7m,放頂煤2.3m,但是由于工作面采取外錯式布置巷道,下分層的巷道布置在上分層實體煤柱下方,因此,存在兩端頭放煤效果較差的問題,大塊多,頂煤不易回收而遺留于采空區(qū),影響資源回收率,并且存在遺煤氧化自燃導(dǎo)致采空區(qū)產(chǎn)生火災(zāi)的風(fēng)險[4-11]。為了提高煤炭資源的回收率,減少采空區(qū)的遺煤,采取高壓水力預(yù)裂[12-14]、高壓氣體深孔預(yù)裂[8]進(jìn)行頂煤預(yù)先弱化,并且通過輔助措施改變頂煤的超前支承壓力,從而提高頂煤的可冒性和可放性[15]。

    1 工作面基本條件

    圖1 12下206工作面巷道布置

    12下206綜放工作面位于大柳塔煤礦活雞兔井12煤復(fù)合區(qū)下分層,工作面西北始于12煤南側(cè)輔運巷,工作面東側(cè)為12煤復(fù)合區(qū)的火燒邊界,北側(cè)為12下204采空區(qū),工作面南側(cè)為12下208工作面,工作面正上方為12上206采空區(qū),12下206工作面巷道布置如圖1所示。該工作面為刀把式工作面,12下206工作面長度為287m,推進(jìn)長度2687.6m,12下206回風(fēng)巷道布置在距離工作面回風(fēng)巷道沿傾向長度39.5m處的實體煤下方,該段煤層平均厚度為10m,正常回采期間工作面煤機(jī)采高3.7m,放煤高度6.3m,其余段工作面平均煤厚在6m左右,上覆為上分層采空區(qū),煤機(jī)割煤高度3.7m,放煤高度2.3m。

    12下206煤層類型以亮煤為主,單軸抗壓強(qiáng)度為13.2~56.7MPa,平均33MPa。采用166臺液壓支架和一組兩臺組合支架共同對工作面頂板進(jìn)行支護(hù)。工作面回采巷道使用“錨桿+錨索+冷拔絲網(wǎng)片”支護(hù),上分層聯(lián)巷與本工作面回采巷道交叉點段使用U型棚進(jìn)行支護(hù),工作面端頭側(cè)超前壓力集中區(qū)域20m范圍內(nèi)端頭采用液壓單體支柱和組合支架進(jìn)行聯(lián)合支護(hù),機(jī)尾超前支護(hù)采取一組兩臺超前邁步支架支護(hù)。

    2 工作面放煤效果

    2.1 放煤工藝

    12下206綜放工作面采煤工藝為:割煤—移架—推前溜—放煤—拉后溜。其中放煤采取“一采一放平行作業(yè)雙輪順序放煤”作業(yè)方式。即:在采煤機(jī)正常割煤過程中,隨著拉架、推前溜工序的完成,放煤工A滯后移架不少于10架依次動作支架插板和尾梁開始放頂煤作業(yè)。放煤工B滯后放煤工A在10架以上進(jìn)行第二輪放煤,見矸關(guān)門。放煤組成員必須遵循“無煤封口、見矸即止”的工作原則。當(dāng)綜放開采時,一刀一放每次移架放煤可以為頂煤提供松動空間,移架過程即為完成一次放煤。一刀一放時,移架、放煤及拉后部輸送機(jī)各工序的關(guān)系如圖2所示,順序為(a)→(b)→(c)→(a)。

    圖2 放煤工序

    2.2 無輔助措施下放煤效果

    在12下206綜放工作面回采過程中,采高6m段,隨著工作面的推進(jìn),頂煤在超前壓力的影響下,均能很好的從支架后部運輸機(jī)放出,采出率達(dá)90%左右。但是機(jī)尾39.2m,由于采高為10m,煤機(jī)采出3.7m,頂煤厚度6.3m,由于上分層未開采,煤層原有的力學(xué)特性未受到破壞,隨著工作面的推進(jìn),頂煤不能及時斷裂、垮落,致使頂煤的冒放性差,大塊多,使頂煤不易回收而遺留于采空區(qū),既造成了回收困難,又使煤炭資源浪費,影響資源回收率,該段回收率不足40%。

    2.3 放煤效果原因分析

    根據(jù)回采過程放煤效果和周期來壓分析發(fā)現(xiàn),機(jī)頭段(1#—125#支架)礦壓顯現(xiàn)不明顯,頂煤隨著放煤工操作支架后擋煤板很容易放出,主要原因是在開采過程中由于頂煤厚度只有2.3m,通過直接頂和頂煤介質(zhì)傳遞礦山壓力,在礦壓的作用下頂煤很容易變得破碎,所以礦壓顯現(xiàn)不明顯且放煤效果比較好。

    機(jī)尾段(126#—166#支架)工作面周期來壓比較明顯,正常生產(chǎn)過程中頂煤冒放性比較差、頂煤塊度比較大,頂煤回收率比較低,只有在工作面來壓時放煤效果較好。分析其原因,主要是因為由于頂煤比較厚(此段頂煤厚為6.3m),且上部頂煤堅硬,頂煤充當(dāng)了直接頂?shù)囊徊糠?,在支架未冒頂煤和已冒頂煤之間形成了拱式平衡結(jié)構(gòu),即“煤-煤”結(jié)構(gòu),如圖3所示。

    圖3 “煤-煤”拱式平衡結(jié)構(gòu)

    3 水力預(yù)裂輔助放煤

    為了弱化頂煤,增強(qiáng)頂煤的裂隙,減小頂煤的塊度,進(jìn)一步提升放頂煤的回收率。在工作面推進(jìn)至200m時采用水力預(yù)裂技術(shù)。

    3.1 水力預(yù)裂鉆孔設(shè)計

    試驗一段在12下206-1回風(fēng)巷距離切眼推進(jìn)200m處開始施工,鉆孔間隔為10m,鉆孔采用ZDY1200S型全液壓鉆機(jī)施工,鉆頭?56mm,鉆孔的傾角為12°,鉆孔長度為34.5m/29.5m,共施工10個鉆孔。試驗二段在12下206-1回風(fēng)巷距離切眼推進(jìn)300m處開始施工,鉆孔間隔為6m,鉆孔采用ZDY1200S型全液壓鉆機(jī)施工,鉆頭?56mm,鉆孔的傾角為14°,鉆孔長度為34.5m/29.5m,共計施工17個鉆孔并采用高壓水壓裂。鉆孔布置如圖4所示。

    圖4 水力預(yù)裂鉆孔布置(m)

    3.2 水力預(yù)裂鉆孔施工

    水力壓裂弱化頂煤采用橫向切槽鉆頭,預(yù)制橫向切槽,利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹,達(dá)到封孔目的,然后連接高壓泵實施壓裂。

    預(yù)裂鉆孔施工采用單孔多次壓裂方式進(jìn)行高壓水預(yù)裂,壓裂間隔為2m,壓裂時間為15min,在距離孔口9m時,停止壓裂,平均每個孔壓裂13次。壓裂強(qiáng)度為10~16MPa,隨著距離孔口漸近,泵壓逐步減小,減小幅度約為1MPa。壓裂時間為15min,注入水量為1.35t。預(yù)裂段范圍對應(yīng)工作面142#—158#支架。

    3.3 水力預(yù)裂放煤效果

    根據(jù)現(xiàn)場觀測可看出,當(dāng)預(yù)裂孔間距為6m時,放煤效果比未預(yù)裂和預(yù)裂鉆孔為10m時的效果好,在工作面140#—151#頂煤回收效果較好,回收率能達(dá)到70%,主要是因為140#—150#支架段處在上分層應(yīng)力集中場內(nèi),再加之水力預(yù)裂對頂煤原始裂隙的破壞,所以放煤效果比較好,但是在151#—161#支架段,放煤過程中大塊仍然比較多,頂煤回收率只能達(dá)到50%,該段只受到水力預(yù)裂對原始頂煤裂隙的擴(kuò)張方面因素的影響,所以頂煤回收率低于140#—151#支架。

    水力預(yù)裂雖然可以提升頂煤的冒放性,但是效果并不突出,垮落下來的頂煤大塊仍比較多,可回收的小塊仍比較少,頂煤回收率不高。主要原因為該種預(yù)裂方法,水壓力小了不能有效預(yù)裂,壓力大了高壓水會順著阻力小的裂隙跑掉,整個預(yù)裂過程不可控,預(yù)裂完后大塊仍然比較多、效果不好,嚴(yán)重影響放煤效果。

    4 高壓氣體深孔預(yù)裂輔助放煤

    由于采用高壓水預(yù)裂頂煤效果不佳,在工作面推進(jìn)至500m時,采用高壓氣體深孔預(yù)裂新技術(shù)對頂煤實施預(yù)裂弱化。

    4.1 高壓氣體預(yù)裂鉆孔設(shè)計

    鉆孔參數(shù):鉆孔在工作面回風(fēng)巷道50m范圍內(nèi),共布置6個孔,鉆孔間距為12m,其中30.7m的孔3個,水平傾角12°,裝藥長度為18m;鉆孔長度28.4m的孔3個,水平傾角13°裝藥長度16.2m。鉆孔直徑86mm,總裝藥量為508.2kg。鉆孔設(shè)計如圖5所示。

    圖5 高壓氣體預(yù)裂鉆孔布置(m)

    4.2 高壓氣體預(yù)裂工藝

    高壓氣體預(yù)裂的工藝依次為:打鉆—裝藥—封孔—連線—放炮。其中固體產(chǎn)氣預(yù)裂藥劑,分為A型藥卷、B型藥卷和C型藥卷,A型藥卷直徑76mm、長900mm,主要作用是在瞬間產(chǎn)生大量的氣體,B型藥卷直徑76mm、長900mm,主要作用是爆炸,C型藥卷直徑10mm、長900mm,主要作用是起點火作用。超低溫氣體壓裂裝置技術(shù)的特點是常溫常壓下不燃燒,高溫高壓下迅速燃燒,產(chǎn)生大量氣體,煤層壓裂后停止分解,安全可控。鉆孔中藥卷裝入順序,如圖6所示。

    1)1號孔裝藥:先裝入B型藥卷1節(jié),再裝入帶點火藥的直徑A型藥卷7節(jié)(帶點火藥的放7節(jié)的中間位置,點火端朝里),然后再放入B型藥卷1節(jié),之后放入A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置,點火端朝里),再放入1節(jié)B型藥卷后放入A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置,點火端朝里),之后封孔。

    2)2號孔裝藥:先裝入B型藥卷1節(jié),再裝入帶點火藥的A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置,點火端朝里),然后再放入B型藥卷1節(jié),之后放入A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置,點火端朝里),再放入1節(jié)B型藥卷后放入A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置,點火端朝里),之后封孔。

    3)封孔時先填入1m長的黃泥搗實,然后裝入快速水泥,并將快速水泥搗實,1號孔快速水泥裝入11m,2號孔快速水泥裝入10m。將每個鉆孔的三個點火藥線并聯(lián)后,打通斷,然后孔與孔之間串聯(lián)后與放炮母線相連,再打通斷。最后一個孔封孔完畢后,封孔水泥要凝固至少40min。連接完后方可放炮。

    圖6 鉆孔裝藥方案

    4.3 高壓氣體預(yù)裂放煤效果

    根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場觀測可看出,工作面回采至預(yù)裂孔前后30m范圍內(nèi),140#—160#支架壓力減弱,機(jī)尾段無明顯的周期來壓,架后頂煤隨著支架前移及時垮落,大塊率顯著降低,塊度均勻,大大提高了回收率,頂煤回收率可達(dá)85%左右。

    5 結(jié) 論

    1)堅硬厚煤層采用放頂煤開采時,支架后部采空區(qū)已冒落頂煤和未垮落的頂煤之間形成“煤-煤”拱式平衡結(jié)構(gòu),頂煤回收率底,容易造成資源浪費,需采取輔助放煤措施。

    2)對于堅硬頂煤采用輔助措施進(jìn)行放煤,固體產(chǎn)氣預(yù)裂劑預(yù)裂的效果優(yōu)于高壓水力預(yù)裂裂。主要是因為水力壓裂壓力小,裂隙無法擴(kuò)張,壓力大時,水會從大裂隙阻力小的地方流出,而達(dá)不到均勻預(yù)裂的效果。同時水分子較氣體分子大,無法進(jìn)入孔隙微孔隙,高壓水只會沿已有的大裂隙流動,而不會產(chǎn)生新的裂隙孔隙。然而采用固體產(chǎn)氣預(yù)裂劑深孔預(yù)裂技術(shù),高壓氣體可以迅速的楔入新生裂隙及煤體原始裂隙使裂隙擴(kuò)展,結(jié)合二次爆轟,將裂隙間的煤塊進(jìn)行網(wǎng)格性壓裂劃分,可以有效提高放頂煤的回收率。

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