水力割縫防突技術在掘進工作面的應用＊

陳 淼李寶玉李 超龐學文

(1.中國礦業大學電力工程學院,江蘇省徐州市,221008; 2.義馬煤業集團新安礦,河南省洛陽市,471842)

★煤礦安全 ★——晉城煤業集團公司協辦

水力割縫防突技術在掘進工作面的應用＊

陳 淼1李寶玉1李 超1龐學文2

(1.中國礦業大學電力工程學院,江蘇省徐州市,221008; 2.義馬煤業集團新安礦,河南省洛陽市,471842)

分析了高壓水射流水力割縫防突機理,并在新安煤礦14221工作面現場進行了水力割縫防突技術試驗,結果表明,在水力割縫過程中有大量煤與瓦斯隨水流從鉆孔內排出,各割縫孔平均沖出煤62 kg,巷道瓦斯濃度最大為0.8%,比未割縫前的瓦斯濃度增加了2～3倍;鉆孔瓦斯涌出初速度v最大值由割縫前的20 L/min降到割縫后的4 L/min,v值下降80%左右。水力割縫技術能使煤體卸壓帶加長,煤體瓦斯潛能及彈性能得到有效釋放,應力集中區向內部轉移,減弱或消除了煤體的突出危險性。

水力割縫 掘進防突 卸壓 新安煤礦

AbstractIn order to obtain a clear idea about the effectiveness of water jet kerf-cutting as an outburst prevention technology,a theoretical analysis is carried out in this paper on the mechanism of coal/ gas outbursts and the mechanism of water jet kerf-cutting to prevent such outbursts.In reality,a field experiment is carried out on the site of#14221 heading face in Xin’an Coal Mine to test this outburst prevention technology.The experiment results indicate that large quantities of coal and methane flow out of the drill holes together with water flows from the cracks or kerf made.An average amount of 62kg of coal-gas is blown out of each kerf or drill holes while on the other hand methane gas concentration in the drift reaches the high of 0.8%,2～3 folds higher than it was before the cutting/drilling is made.The maximum value of the initial methane gas outflow rate from the drill holes v increases from v=20 L/ min before the cutting/drilling drops down to 4 L/min by around 80%.The application of this technology extends the pressure relieving zones in the coal body,which helps realize an effective release of the potential power and elastic energy of the coal seam methane gas,while at the same time the stress concentrated area shifts towards the central part,which minimizes or eliminates the dangers of coal outbursts.

Key wordswater jet kerf-cutting,heading for burst prevention,pressure relieving,Xin’an Coal Mine

煤與瓦斯突出是煤礦最嚴重的災害之一。據統 計,突出多數發生在煤巷掘進工作面,2008年9月河南登封市新豐二礦造成37人死亡和2009年5月發生在重慶市松藻煤電同華煤礦30人死亡的特大煤與瓦斯突出事故,都是發生在掘進工作面。因此,有效防治煤巷掘進突出,不僅是安全生產的保障,同時又能加快煤巷掘進速度,為回采工作面消除突出危險性拓展空間和時間。因此,研究煤巷掘進防突技術是防突工作的重點,也是煤與瓦斯突出礦井實現高產高效的關鍵。

1 煤與瓦斯突出機理研究

煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯壓力和煤的物理、化學及力學性質等綜合作用的結果,是涉及氣固流耦合力學理論、孔隙裂隙二重介質的擴散解吸與滲流理論的復雜過程。國內外專家學者一致認為,影響煤與瓦斯突出的最主要因素是地應力和瓦斯壓力。煤層巷道開挖以后,巷道周圍附近圍巖應力、瓦斯壓力將重新分布,煤體邊緣部分將首先遭到破壞,產生卸壓,并逐漸向深部擴展,形成卸壓區、應力集中區和原始應力區。煤體中應力分布狀態見圖1。

圖1 工作面前方煤體中的應力分布示意圖

計算出卸壓區的安全寬度為:

式中:X0——卸壓區長度,m;

M——煤層厚度,m;

A0——側壓系數;

φ——煤體內摩擦角,(°);

C——煤體黏結力,Pa;

H——煤層開采深度,m;

p——瓦斯壓力,Pa;

σy——地應力,Pa;

σT——抗拉強度,Pa。

由 (1)式可知,卸壓區的安全寬度X0與煤層 (或軟分層)厚度M、地應力σy和瓦斯壓力p成正比,與煤體強度σT成反比。

當煤巷卸壓區中的煤體受到破壞時,則往往導致突出的發生。煤與瓦斯突出的條件為:

由 (2)式可知:煤與瓦斯突出不僅取決于地應力、瓦斯壓力和煤體強度,同時還和卸壓區的長度有關。當卸壓區長度X0一定時,地應力σy、瓦斯壓力p越大,則突出的危險性就越大;反之,當地應力σy、瓦斯壓力p一定時,卸壓區長度X0越小,突出危險性就越大。

綜上所述,煤與瓦斯突出與工作面前方卸壓區的寬度大小有直接關系,卸壓區的寬度大小決定了煤體中儲存的彈性潛能和瓦斯內能是否能夠釋放,突出是否能夠形成。一般情況下,卸壓區越薄,則集中應力區最大值越接近工作面,瓦斯壓力梯度越大,卸壓區被沖破而形成突出的可能性就越大;當卸壓區的范圍足夠大時,即使工作面前方存在高壓瓦斯和急劇的應力集中,突出也不可能形成,現行的許多防突措施如深孔預裂爆破、開卸壓槽等,其理論基礎就是以擴大卸壓區的范圍來實現防突目的。

2 水力割縫防突機理

高壓水射流水力割縫是對透氣性系數低、原始地應力大、瓦斯含量高的有突出危險煤層進行超前水力割縫。在預先打好的鉆孔內,利用高壓水射流對鉆孔兩側的煤體進行切割,由于高壓水割縫的切割、沖擊作用,鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走,形成扁平縫槽空間。這一縫槽相當于在局部范圍內開采了一層極薄的保護層,達到層內自我解放,給煤層內部卸壓、瓦斯釋放和流動創造了良好的條件,其結果是縫槽上下的煤體在一定范圍內得到較充分的卸壓,增大了煤層的透氣性;同時,縫槽周圍的煤體在地應力的作用下向縫槽產生空間移動,使煤體內的裂隙擴大,大大改善了煤層中的瓦斯流動狀態。煤體內的瓦斯得到充分釋放,應力集中帶向內部轉移,從而消除了煤與瓦斯突出危險性。

3 工業性試驗

3.1 礦井瓦斯地質概況

14221工作面回風巷位于新安礦14采區下山西翼,上鄰14201工作面,下鄰14241工作面,均未掘進。巷道設計長度615 m,地面標高+535～+550 m,井下標高-13～-23 m。走向近東西,全區可采煤厚在1.8～14.2 m之間,平均厚度為5.2 m,煤層傾角在6～9°之間,平均傾角為7°。頂、底板均為砂質泥巖,煤層瓦斯壓力為 1.2 MPa,絕對瓦斯涌出量1.5～2 m3/t,煤層硬度系數 f為0.2。根據新安煤礦二1煤層突出危險性區域劃分范圍,該工作面掘進施工區為突出危險區。該工作面現已安全掘進約200 m,防突措施以打超前鉆孔為主,由于排放鉆孔有效影響半徑較小,對于10 m2左右的掘進斷面有時要打20～30個排放孔,并經常遇到嚴重噴孔、夾鉆、卡鉆等現象,施工困難,防突措施工程占用時間長,掘進速度較慢,平均月進尺僅有50 m,嚴重影響了采掘工作面接替。

3.2 試驗過程

(1)鉆孔布置。如圖2和圖3所示,在4.3 m ×2.2 m斷面上下2排布置8個孔徑為89 mm割縫鉆孔,鉆孔終孔控制巷道兩幫輪廓線以外5 m,正前方9～12 m范圍。

圖2 割縫鉆孔主視圖

(2)割縫試驗。將噴槍伸至鉆孔底部,高壓泵開始加壓,噴槍頭開始向孔外移動,割縫速度大約控制在 0.5 m/min左右,水壓控制在 30～32 MPa。

(3)試驗情況。割縫深度最大達到550 mm、高度20 mm左右,在割縫過程中有大量煤與瓦斯隨水流從鉆孔內排出,各割縫孔平均沖出62 kg的煤,巷道瓦斯濃度最大為0.8%,比沒有割縫前的瓦斯濃度增加了2～3倍,試驗采用位移量測定儀在工作面前方煤體進行了3次位移量測試,在鉆孔深度5 m處達到位移最大值20 mm;一個正常割縫循環2 h從孔里流出的水量大約3 m3左右,在短時間基本被預先留煤吸收,沒有出現掘進頭大量積水問題。

圖3 割縫鉆孔俯視圖

3.3 試驗結果分析

(1)割縫時平均各孔沖出的煤量約62 kg,這對煤體卸壓和瓦斯排放起到重要作用。

(2)鉆孔瓦斯涌出初速度v最大值由割縫前的20 L/min降到割縫后的4 L/min,v值下降80%左右,說明割縫確實能降低煤體瓦斯壓力,具有很好的消突作用。

(3)在動力現象比較嚴重的地點,進行多個鉆孔割縫期間能聽到煤炮聲,這說明由于在軟分層中孔內出現塌孔不能有效釋放地應力和瓦斯,而利用高壓水射流進行割縫能在煤層內形成自由面增加卸壓區域,使地應力重新分布,應力集中區向深部轉移。

(4)割縫范圍內的煤體位移量很大,最大值出現在工作面前方5 m處達20 mm,充分說明割縫能夠釋放地應力。

(5)在割縫過程中,高壓水注入煤體,使煤體充分濕潤,力學性質改變,彈性模量降低,增強了煤體的塑性,起到注水防突的輔助功效。同時濕潤的煤體減少了粉塵的產生,故水力割縫還能起到降塵的良好效果。

4 結論

(1)地應力和瓦斯壓力是煤與瓦斯突出的關鍵性因素。卸壓區的寬度對是否突出其著很重要的作用,當卸壓區的寬度達到一定長度,即大于卸壓區的安全寬度時,不會發生突出。

(2)通過對瓦斯突出機理的深入研究,在14221掘進巷道實施水力割縫防突技術措施中沒有發生一次突出,掘進速度由原來的50 m/月提高到90 m/月,掘進速度提高80%,經濟效益和社會效益十分顯著。

(3)利用高壓水射流對鉆孔進行水力割縫,使煤體瓦斯潛能及彈性能得到有效釋放,煤層透氣性增加,應力集中區向內部轉移,減弱或消除了煤體突出危險性。同時,割縫過程又能起到給煤體注水,增加了注水防突的輔助功效。該技術作為煤巷掘進防突措施是切實可行的。

[1]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994

[2]林柏泉,呂有廠,李寶玉,翟成.高壓磨料射流割縫技術及其在防突工程中的應用[J].煤炭學報,2007(09)

[3]葉青,李寶玉,林柏泉.高壓磨料水力割縫防突技術[J].煤礦安全,2005,(12)

(責任編輯 梁子榮)

Application of water jet kerf-cutting as an outburst prevention technology in heading face

Chen Miao1,Li Baoyu1,Li Chao1,Pang Xuewen2
(1.China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China; 2.Xin’an Coal Mine,Yima Coal Industry Group,Luoyang,Henan province 471842,China)

TD713.34

B

陳淼(1984-),男,漢族,湖南省澧縣人,碩士研究生,從事流體機械及煤礦瓦斯防治方面的研究。

＊國家自然科學基金資助項目(50574093,50534090),國家重點基礎研究發展計劃(2005cb221506)和國家“十五”科技攻關重點項目(2005ba813b07)資助。