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水力擴(kuò)孔技術(shù)在深井石門揭煤防突中的應(yīng)用

文檔作者：張鵬程麗周汝洪王艷華文檔來(lái)源： 1．煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院 2．淮南礦業(yè)集團(tuán)公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年08月30日
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18 能源技術(shù)與管理 2011年第1期
doi：lO．3969~．issn 1672—9943．201 1 0t 007
水力擴(kuò)孔技木在深并石門褐煤 突中的應(yīng)用
張鵬 ，程麗 ，周汝洪 ，王艷華
(1．煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，重慶400037；2．淮南礦業(yè)集團(tuán)公司新莊孜煤礦，安徽淮南232001)
[摘要] 為了保證礦井順利安全的揭開(kāi)淮南礦業(yè)集團(tuán)新莊孜礦B 煤層，根據(jù)礦井B 煤層賦
存及突出危險(xiǎn)性情況，進(jìn)行了水力擴(kuò)孔試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)水力擴(kuò)孔后的鉆孔瓦斯流量、
排出煤屑率、瓦斯抽排率鉆孔等指標(biāo)的考察以及揭煤過(guò)程中防突效果的驗(yàn)證，綜合
分析認(rèn)為：水力擴(kuò)孔技術(shù)在石門揭煤過(guò)程中可以提高鉆孔瓦斯抽排效果，減少防突
工程，加快石門揭煤速度。
[關(guān)鍵詞] 水力擴(kuò)孔；石門揭煤；防突
[中圖分類號(hào)]TD713+．34[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1672-9943(201 1)01-001 8-03
1 試驗(yàn)區(qū)基本情況
淮南礦業(yè)集團(tuán)公司新莊孜礦主采煤層A 、B 、
B 、B， 、B 較復(fù)雜，其它煤層均較簡(jiǎn)單。井田內(nèi)普
遍發(fā)育相當(dāng)數(shù)量的中、小型構(gòu)造，以壓扭性為主。
試驗(yàn)地點(diǎn)為一812 m北一暗副斜井井底車場(chǎng)揭B
煤層。該車場(chǎng)設(shè)計(jì)按NE方向以方位角58o向前
施工石門，至B 煤層頂板2 m結(jié)束。B 煤層的物
理性質(zhì)為黑色，玻璃光澤，水平層理，參差狀斷口，
裂隙較發(fā)育，較硬，易碎，可選性高。煤巖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)
單，中部夾0～0．4 m泥巖矸石。該段煤層的傾角為
22?！?6。，煤層硬度0．3～0．5，煤層厚度2．8～3．6 m。
從該礦歷史突出資料和瓦斯地質(zhì)角度來(lái)看，
新莊孜礦B 煤層共突出6次，其中石門1次，煤
巷5次，采煤工作面1次，始突標(biāo)高一301 m(深度
約325 ITI)。礦井進(jìn)入一812 m水平開(kāi)拓，石門揭穿
B 煤層垂深達(dá)830 1TI左右，突出危險(xiǎn)性明顯增
加。另外，揭煤施工鉆孔均不同程度地發(fā)生夾鉆、
頂鉆的現(xiàn)象，且施工過(guò)程中多次發(fā)生嚴(yán)重噴孔的
情況，噴出大量的煤和瓦斯，單孑L噴煤量達(dá)3 t，因
此，揭煤區(qū)域內(nèi)B 煤層突出危險(xiǎn)性十分嚴(yán)重。
針對(duì)B 煤層埋深大、突出危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，
為了保證順利安全的揭開(kāi)B 煤層，決定在此進(jìn)行
水力擴(kuò)孑L試驗(yàn)，加快瓦斯排放速度，提高揭煤安全
性和揭煤速度。
2 高壓水射擴(kuò)孔及消突原理[1-3
2．1 水力擴(kuò)孔原理
基金項(xiàng)目：國(guó)家“十一五”科技攻關(guān)支撐項(xiàng)目(2007BAK28B01)
水力擴(kuò)孔原理是：鉆孔施工后，鉆孑L周圍煤體
一定范圍內(nèi)發(fā)生塑性破壞，原生裂隙和破壞裂隙
發(fā)育，同時(shí)瓦斯的解吸和釋放，使的煤體強(qiáng)度明顯
降低，這為水力擴(kuò)孔創(chuàng)造了有利條件。然后在已施
工的穿層鉆孑L中，利用可噴出水力，又能自行旋轉(zhuǎn)
的擴(kuò)孔射流器對(duì)鉆孔周圍的煤體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割。
同時(shí)通過(guò)高壓擴(kuò)孔鉆桿沿鉆孔軸向方向運(yùn)動(dòng)形成
對(duì)整個(gè)鉆孔的徑向連續(xù)擴(kuò)孔。通過(guò)切割排出更多
煤炭，達(dá)到擴(kuò)大鉆孔直徑，增加煤層的暴露面積和
卸壓范圍，提高煤層的透氣性，加大抽放或排放鉆
孔的影響半徑，提高鉆孔的抽排瓦斯量和抽排效
果。
2．2 水力擴(kuò)孑L消突原理
煤層中發(fā)生煤與瓦斯突出的動(dòng)力，是煤層和
圍巖中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能。因此只要能
足夠釋放引起煤和瓦斯突出的能量，就能達(dá)到預(yù)
防瓦斯突出的目的。水力措施就是依靠高壓水的
沖擊能力，使得受力煤體逐漸破碎，并向孔道方向
發(fā)生大幅度的移動(dòng)，造成煤體的膨脹變形和位移，
促使孑L道周圍一定范圍內(nèi)煤體應(yīng)力得以釋放。同
時(shí)，孔道周圍得到充分卸壓的煤體裂隙顯著增加，
從而大幅度提高煤層透氣性，促進(jìn)瓦斯解吸和排
放，大大減少煤層中的瓦斯含量，并使煤的塑性增
高和濕度增加，達(dá)到既消除了突出的動(dòng)力，又改變
了突出煤層的性質(zhì)，從而起到在采掘作業(yè)時(shí)防止
煤與瓦斯突出的作用。另外，通過(guò)高壓水的浸泡，
使得大面積煤體的硬度整體降低，弱化了煤層中
軟硬分層的層理性質(zhì)差異，調(diào)節(jié)了瓦斯壓力分布，
降低了瓦斯壓力梯度，進(jìn)一步避免了突出危險(xiǎn)的
發(fā)生?？偟恼f(shuō)，水力措施增加了煤的塑性，降低了
2011年第1期 張鵬，等水力擴(kuò)孔技術(shù)在深井石門揭煤防突中的應(yīng)用 19
煤體內(nèi)部的應(yīng)力集中，提高了煤層的透氣性，促進(jìn)
了瓦斯的釋放，增加了防止煤和瓦斯突出的能力，
起到了綜合防突的作用。
3 水力擴(kuò)孔設(shè)備
水力擴(kuò)孔的設(shè)備由水力擴(kuò)孔器及其配套的高
壓水泵組成。水力擴(kuò)孔器包括擴(kuò)孔射流器、過(guò)濾裝
置、高壓擴(kuò)孔鉆桿和高壓水泵等主要部件。高壓水
泵主要技術(shù)參數(shù)為-額定壓力25 MPa，額定流量
50～75 L／min。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)供水條件差時(shí)，還需增加一
個(gè)過(guò)濾儲(chǔ)水箱。水力擴(kuò)孔設(shè)備及工藝流程示意圖
如圖1、2所示。
圖1 水力擴(kuò)孔設(shè)備及工藝流程示意圖
噴嘴 旋轉(zhuǎn)噴嘴軸 保護(hù)套
4 水力擴(kuò)孑L防突效果分析
圖2 水力擴(kuò)子L射流器及其結(jié)構(gòu)示意圖
4．1 鉆子L瓦斯流量考察
試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)B 煤層考察鉆孔的自然瓦斯
流量進(jìn)行了對(duì)比分析。圖3為考察鉆孔瓦斯流量
衰減曲線圖，其中：5 鉆孔為自然排放鉆孔，24 鉆
孔為自然排放穩(wěn)定后再進(jìn)行水力擴(kuò)孔。
l
| —·一5 一自然排放I
} 一24—一水力擴(kuò)孔l
t
}
● — ● 一 ．
、 ＼ ＼
I
0 2 4 6 8 10 l2 14 16 】8
天數(shù)／d
圖3 考察鉆孑L百米煤孔瓦斯流量衰減曲線
由5 鉆孔衰減曲線可知，鉆孔自然瓦斯流量
變化隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，基本呈現(xiàn)陡減至衰減穩(wěn)定
的趨勢(shì)，需要大約15 d的時(shí)間。另外鉆孔前4 d時(shí)
間的瓦斯流量較大，但衰減較快，可見(jiàn)煤層原始透
氣性較差，單純利用排放鉆孔來(lái)卸壓及排放瓦斯，
時(shí)間長(zhǎng)，效果差，短時(shí)問(wèn)內(nèi)難以達(dá)到較好的消突效
果。
24#鉆孔為鉆孔自然瓦斯流量衰減穩(wěn)定后進(jìn)
行水力擴(kuò)孔，其自然瓦斯流量衰減穩(wěn)定值為
5．6 L／rain。由圖3中24 鉆孑L經(jīng)水力擴(kuò)孔后的百米
煤孔瓦斯流量衰減曲線可知，水力擴(kuò)孔后鉆孔瓦
斯流量明顯增大，百米煤孔瓦斯流量最大值達(dá)
1 10 Umin，比其自然瓦斯流量衰減穩(wěn)定值增大近
20倍；水力擴(kuò)孔后鉆孔瓦斯流量變化隨著時(shí)間的
延長(zhǎng)，基本呈現(xiàn)先小幅度增大，然后穩(wěn)定一段時(shí)間
后，再大幅度減小直至衰減穩(wěn)定的這樣一個(gè)過(guò)程。
顯然，采用水力擴(kuò)孔措施強(qiáng)化了鉆孔周圍煤體卸
能源技術(shù)與管理 201 1年第1期
壓、提高了瓦斯排放效果，從而可以縮短揭煤工
期。
4．2 鉆孔排出煤屑率考察
根據(jù)前期排放孔施工和水力擴(kuò)孔過(guò)程中的煤
粉量統(tǒng)計(jì)，從施工排放孔開(kāi)始，截至到2008年5
月7日，揭煤區(qū)域共出煤量約200 t。其中，措施孔
170 t，單孔1 t；水力擴(kuò)孔30 t，單孔0．4 t。因此，單
孔出煤量，為排放鉆孔體積煤量的25倍，水力擴(kuò)
孔又新增煤屑量為鉆孔體積煤量的l0倍。
根據(jù)揭煤控制區(qū)域內(nèi)的煤量8 525 t，計(jì)算可
知整個(gè)石門揭煤措施鉆孑L控制區(qū)域內(nèi)的排出煤屑
率為2．35％。
由于措施鉆孔較均勻地布置在石門揭煤控制
區(qū)域，鉆孔排出煤屑率預(yù)計(jì)2．35％[4j。按照《防治
煤與瓦斯突出規(guī)定》第八十三條規(guī)定：石門全斷面
沖 的總煤量(t)數(shù)值不得小于煤層厚度(m)乘以
20。經(jīng)計(jì)算分析認(rèn)為采取水力擴(kuò)孑L措施后排出煤
屑率達(dá)到2．35％，說(shuō)明擴(kuò)孔后其卸壓效果是顯著
的。
4．3 瓦斯抽排量
通過(guò)在突出危險(xiǎn)l生煤層揭煤防突措施中采用
水力擴(kuò)孑L后，排放瓦斯量為0．5 m3／min，抽采瓦斯
量為0．4 m3／min，總抽排量達(dá)到13．3萬(wàn)m 。
4．4 殘余瓦斯壓力及含量
在石門迎頭距B 煤層法距5．3 m處，進(jìn)行殘
余瓦斯壓力測(cè)定，其最大值為0．2 MPa，根據(jù)《煤礦
瓦斯抽采基本指標(biāo)》中的公式計(jì)算得B 煤層殘余
瓦斯含量為4．2 m3／t。
4．5 鉆孔預(yù)測(cè)指標(biāo)效果檢驗(yàn)
在距煤層法距2 ITI迎頭位置，測(cè)得鉆屑量預(yù)
測(cè)指標(biāo)S～=2．0 kg／m， 鉆屑解吸指標(biāo)K ～=
0．14 mL／g·min ，所測(cè)預(yù)測(cè)指標(biāo)最大值均小于B 煤
層預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值ESJSo=4．0kg／m，K1o=0．3 mug·min 。
4．6 防突效果綜合分析
鉆孔經(jīng)水力擴(kuò)孑L后鉆孔平均直徑均達(dá)到350 mm
以上，為擴(kuò)孔前的4倍；最大直徑達(dá)到652 mm，為
擴(kuò)孔前的7．5倍。擴(kuò)孔后鉆孔的抽排效果明顯提
高，抽放量達(dá)到擴(kuò)孔前的2倍以上。鉆孔擴(kuò)孔后，
增大了鉆孔煤層的露面積和卸壓范圍，降低了煤
體的應(yīng)力，增加了煤體的力學(xué)強(qiáng)度，降低了煤層的
突出危險(xiǎn)性；明顯降低預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性指標(biāo)，減少
了防突措施工作量，加快了石門揭煤速度。揭煤過(guò)
程未出現(xiàn)吸鉆、夾鉆、冒頂?shù)葎?dòng)力現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了安
全、順利地揭開(kāi)整個(gè)B 煤層。
采取水力擴(kuò)孔技術(shù)后，石門揭煤區(qū)域B 煤層
煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。
表1 石門揭煤區(qū)域B 煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)
項(xiàng)目 煤層殘余參數(shù)判別指標(biāo)突出危險(xiǎn)性
以上分析說(shuō)明，經(jīng)過(guò)水力擴(kuò)孔后，進(jìn)行揭煤區(qū)
域瓦斯抽采后，消除了B 煤層的突出危險(xiǎn)性，滿
足礦井快速高效揭煤的要求。
5 結(jié)論
(1)采用水力擴(kuò)孔技術(shù)能沖出大量的煤炭，
增加煤體的暴露面積，提高煤層的透氣性，有利于
鉆孔瓦斯的抽排，縮短了排放時(shí)間，減少鉆孔數(shù)
量；同時(shí)擴(kuò)大了鉆孔卸壓的范圍，減小或削弱了突
出煤層的突出危險(xiǎn)性。
(2)試驗(yàn)區(qū)B 煤層埋深大、突出危險(xiǎn)性大，
采用水力擴(kuò)孔技術(shù)后有效的消除煤層突出危險(xiǎn)，
并加快了石門揭煤速度。
(3)水力擴(kuò)孔技術(shù)在深井石門揭煤中的成功
應(yīng)用，為礦井深部開(kāi)采提供了安全技術(shù)保障。
[參考文獻(xiàn)]
[1]于不凡．煤礦瓦斯災(zāi)害防治與利用手冊(cè)[M]．北京：煤
炭工業(yè)出版社，2005
『2]梁運(yùn)培，孫東玲，董鋼鋒．高壓水射流擴(kuò)孔技術(shù)的研究
[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(10)
[3]淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，煤炭科學(xué)研究總院重
慶研究院．淮南礦區(qū)石門揭煤水力防突技術(shù)研究[R]．
2009
[4]淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，煤炭科學(xué)研究總院重
慶研究院．采掘工作面(包括石門揭煤)突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)
敏感指標(biāo)體系及其臨界值的確定[R]，2009
f5 f國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局．防
治煤與瓦斯突出規(guī)定『M1．jE京： 煤炭工業(yè)出版社，
2009
[作者簡(jiǎn)介]
張鵬f1982一)，男，2006年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，現(xiàn)工
作于煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院。
[收稿日期：201o一09-25]

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