風水交替沖孔立井快速揭煤技術試驗研究
2011-01-01 00:00:00張彬連昌寶
安徽理工大學學報·自然科學版 2011年2期
摘 要：針對低透氣性煤層傳統的排放鉆孔立井揭煤技術嚴重地制約施工進度的問題， 在桃園礦新副井揭8煤施工過程中， 首次提出并試用了風水交替沖孔的快速揭煤技術， 利用風水交替沖孔對鉆孔孔壁煤體實施有序可控的剝離， 增大了鉆孔見煤段的孔徑， 使鉆孔周圍煤體得以卸壓， 瓦斯得到了較快的排放， 消除了措施區域的煤與瓦斯突出危險性， 實現了安全快速揭穿8煤。
關鍵詞：煤與瓦斯突出；揭煤；卸壓范圍
中圖分類號：TD713.3文獻標識碼：A
[WT]文章編號：1672-1098(2011)02-0041-03
收稿日期：2011-03-23
作者簡介：張彬(1957-)，男，安徽太和人，高級工程師，學士，長期從事“一通三防”工作，先后獲國家科技進步二等獎1項，省部級進步獎7項。
[JZ(〗[WT3BZ]Experimental Study of Technology of Quick Uncovering Coal Seam in Shaft by Alternate Flushing Boreholes with Air Flow and Water
ZHANG Bin，LIAN Vhang-bao
(Huaibei Mining Group CompanyVentilation and Disaster Prevention office， Huaibei Anhui 235006， China)
Abstract: In order to solve the problem of limited shaft construction progress in uncovering coal seam of low permeability by traditional technology， in the process of uncovering No. 8 coal seam in new auxiliary shaft of Taoyuan Coal Mine the technology of quick uncovering coal seam in shaft by alternate flushing boreholes with air flow and water was firstly proposed and tested. Coal body in borehole walls was flaked off in controlled and orderly way by alternate flushing with air flow and water to enlarge borehole’s diameter in coal seam， so that pressure in coal body around boreholes got relived， and gas emitted rapidly. Risk of coal and gas outburst was eliminated; safe and quick uncovering No. 8 coal seam was realized.
Key words:coal and gas outburst; coal seam uncovering; pressure relief extension
目前，在立井、下山等揭穿突出煤層前，通常采用排放鉆孔的方法對煤層內的瓦斯進行排放(或抽采)卸壓，以降低煤層內的瓦斯潛能，消除煤與瓦斯突出發生的瓦斯動力因素。淮北礦區煤層透氣性差，預抽時間往往要長達數月甚至一年之久，且鉆孔工程量大，嚴重地制約著施工進度。突出礦井揭煤更是如此，預抽瓦斯時間有的達數年時間，瓦斯治理已成為突出礦井建設的瓶頸。
淮北礦業集團公司桃園煤礦在新副井揭穿7煤層前，距煤層7 m法距向煤層打鉆孔施工過煤期間，以水作為介質進行排渣，頂鉆、抱鉆、卡鉆、噴孔十分嚴重，先后發生強烈噴孔15次，最大單孔噴出煤量達7 t，單孔噴出瓦斯瞬間最大流量達4 m3／min，噴孔口周圍05 m范圍巖層發生顫動，并在井口聽見噴孔的轟鳴聲，噴出煤巖碎屑射出孔口高達30 m，嚴重威脅著立井揭煤的安全。
在低透氣性煤層立井揭煤中，為了提高煤層的卸壓增透效果，可使用的增透技術有水力沖孔和專用鉆具擴孔技術等。水力沖孔技術用于立井揭煤，由于排渣問題不能利好地解決，特別是對沖煤速度不能實現很好的控制，容易誘發煤與瓦斯突出。而采用鉆孔在見煤段擴大直徑提高卸壓增透排放效果的方法又需要專門的鉆具，且擴孔程度受到一定程度的限制，而且仍然存在擴孔過程中發生嚴重噴孔的問題。
為了防止在揭穿82煤過程出現類似于揭穿7煤時的嚴重噴孔問題，特提出了風水交替沖孔技術。
1 風水交替沖孔揭煤防突機理
風水交替沖孔技術把排放鉆孔、水力沖孔和擴孔技術三者有機地結合起來，對排放鉆孔實行有序的可控剝離、可控噴孔，以循序漸進地增大鉆孔見煤段的半徑，提高煤層的卸壓增透及瓦斯排放效果，以實現安全快速揭煤。
風水交替沖孔能實現對松軟煤層鉆孔周圍煤體有序可控剝離的機理是：在鉆孔鉆進結束后，用壓力水對鉆孔進行沖孔，會使孔壁周圍一定厚度的煤體得以濕潤，濕潤后的煤體整體抗破壞強度增加，透氣性降低，在形成的筆筒狀濕潤煤體以及鉆孔內水壓(含煤渣鉆屑)的共同作用下，筆筒外煤體中瓦斯的釋放和卸壓范圍的擴大得以減緩。當瓦斯壓力上升到一定程度后，便會沖破筆筒狀濕潤煤體的約束，發生噴孔。如果在筆筒狀煤體被高壓瓦斯沖破之前，適時地將筆筒狀濕潤煤體破壞，則可以使筆筒狀煤體外部的瓦斯壓力不能再得以繼續上升，也就不會發生突然噴孔的現象。在鉆孔鉆進結束后，首先用一定壓力(約5 MPa以上)水對鉆孔進行沖洗，之后再改用壓風掃孔，繼續清除鉆孔內殘余的鉆屑和積水，以降低筆筒狀濕潤煤體和孔內積水對未濕潤煤體瓦斯壓力釋放的抵抗，結果便會使筆筒狀濕潤煤體在瓦斯壓力和地應力的共同作用下而得以破壞，即發生噴孔現象。但由于這種煤體破壞的動力不大，所發生的噴孔程度較小，即可控噴孔。如此反復地水力沖孔和壓風排渣排水，鉆孔孔徑不斷擴大，鉆孔周圍的卸壓范圍不斷擴大，瓦斯得以較快的排放，瓦斯壓力潛能得以釋放，即可消除煤層的煤與瓦斯突出的危險性。
2 風水交替沖孔技術實施操作步驟
1)鉆孔前，準備好鉆孔設備和沖孔鉆頭和風水交替孔專用的三通。
2)正常鉆進時采用壓風排渣。當鉆孔鉆至煤層頂板05 m時，改壓風排渣為水排渣，并繼續鉆透待揭露煤層。
3)待返水色澤變清后，拔出鉆具，隨即安設與鉆孔孔徑相匹配的特制沖孔鉆頭。若沖孔孔口圍巖破碎，應在孔口下套管對孔壁進行加固。
4)當鉆頭下至沖孔合適深度后，在沖孔鉆桿后端連接硬質可變形高壓管，管口外端聯接三通接頭分別與壓風、高壓水管連接。
5)打開高壓水閘閥開始進行水力沖孔，沖孔壓力視孔深、煤體強度確定，一般不小于5 MPa。沖孔過程中應來回挪動鉆頭直至沖凈孔內煤渣。
6)當沖孔返水變清后，關閉沖水閘閥同時開啟壓風閘閥，通過壓風沖出孔內積水后停止，以待噴孔發生。
7)待到鉆孔發生噴孔后，根據噴孔能量的大小確定是否進行再次風水沖孔，使得可控噴孔循環發生。
8)當循環發生的可控噴孔的能量很小，或不再發生噴孔后，停止風水交替沖孔技術使用，待煤層的消突工作結束。
3 風水交替沖孔揭煤防突實踐
為考察風水交替沖孔發生可控噴孔后實現安全快速揭露突出煤體的效果。本技術在桃園礦新副井揭82煤層(原始瓦斯壓力43 MPa，瓦斯含量162 m3／t)首次采用。在距82煤層法距55～65 m處，施工瓦斯卸壓排放孔。鉆孔控制至井筒輪廓線8 m以外，鉆孔間距2 m，孔徑97 mm。穿過82煤層05 m后終孔，共布置7圈165個鉆孔（見圖1）。
圖1 鉆孔布置圖
排放鉆孔施工由里向外，逐圈按順序采用水排碴遞進施工。終孔后及時安裝孔口管，因井筒涌水量較大，低位含水孔直接采用壓風吹掃鉆孔，掃孔間隔時間視孔內積水、瓦斯涌出、鉆孔竣工時間確定；對高位無水鉆孔，間歇向孔內沖水，隨即采用壓風吹干孔內積水。鉆孔施工與沖煤掃孔排渣累計用時48 d(邊打鉆、邊掃孔34 d，鉆孔竣工后沖煤掃孔持續14 d)，瓦斯排放率達669％，殘余瓦斯含量降為471 m3／t；沖出煤60 t，占鉆孔控制范圍煤層儲量的21％。采用此技術后，在遠距離爆破揭煤時，回風流最高瓦斯濃度僅為06％，實現了安全快速揭穿突出煤層。
4 主要結論
本文結合排放鉆孔、水力沖孔和擴孔技術三者的特點，首次提出了風水交替沖孔的瓦斯治理技術，并在立井揭煤中成功地運用了該技術安全快速地揭露了桃園礦82突出煤層，取得了明顯的安全和經濟效果。對以后類似地質條件下的立井揭煤瓦斯治理技術具有重要借鑒價值。
參考文獻：
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(責任編輯：何學華，吳曉紅)
