底板岩巷穿层抽采技术试验研究

2010年第9期 中州煤炭 总第177期 底板岩巷穿层抽采技术试验研究 赵社会 (河南煤业化工集团焦煤公司九里山矿，河南焦作454171) 摘要：底板岩巷穿层抽采是突出矿井进行区域瓦斯治理的一项关键技术，而对于透气性较差的煤层．有效的 增透技术则是提高瓦斯抽采效果的关键。九里山矿通过研究与实践，采用预裂爆破增透技术和水力切割扩 孔增透技术以保证煤巷掘进的安全施工。工业性试验表明，增透技术的实施，降低了工作面的瓦斯浓度。防 突效果明显。 关键词：掘进；突出穿层抽采；预裂；冲孔；增透 中图分类号：TD712．622文献标识码：B 文章编号：1003—0506(2010)09—0014—02 焦作矿区煤层瓦斯含鼍高，透气性差，突出危险 性大，直接在开采煤层中采取防突技术措施，很难取 得理想的防突效果。为防止严重突出危险地区煤与 瓦斯突出的发生，通过岩巷r程向采掘区域施T抽 采钻孔，采用最根本的抽采技术提前解除或降低掘 进范围内的煤与瓦斯突出危险，对于煤巷的安全快 速掘进具有重要作用。为此，九里山矿率先在15地 区进行了底板岩巷的穿层抽采防突试验。 1试验区概况 焦作矿区主采煤层为石炭二叠系山西组二。 煤，俗称大煤，煤种为变质程度较高的无烟煤。煤层 赋存稳定、结构简单，倾角100一12。，平均厚5～6 m。煤层直接顶一般为砂岩或砂质泥岩，基本顶为 中粒砂岩，底板为砂质泥岩或砂岩，瓦斯封闭较好， 煤层瓦斯含量高、压力大。九里山矿15采区位于井 田东部，为一水平下山采区，走向长度l 150一1600 m，倾斜宽度750m，共有6个区段。采区内煤层构 造复杂，煤质松软。15051工作面位于15采区东 翼，煤层顶板标高一310．8～一356．3m，设计走向长 度884m，倾斜长度124m。该工作面煤层瓦斯压力 1．5MPa，瓦斯含量32m3／t。2005年8月23日，该 工作面区段巷掘进至60m附近时，曾发生过一起强 度达2397t的特大型煤与瓦斯突出。 为有效地防止煤与瓦斯突出，九里山矿在该工 收稿日期：20lO一05一19 作者简介：赵社会(1967一)．男，河南焦作人，工程师，1991年毕业 于山东矿业学院，长期从事矿井生产管理及技术工作，现任几里山矿 生产矿长。 ·14· 作面运输巷外侧垂距7m处布置l条底板岩巷，对 1505l工作面运输巷(煤巷)进行穿层预抽。在底板 岩巷内，每隔10m布置1个钻场，钻场内施工穿层 抽采钻孔，钻孔孔底间距5m，分别控制煤巷设计范 围两帮不少于15m，并超前煤巷掘进工作面预抽。 穿层钻孔必须保证抽采后瓦斯含量降至焦作矿区始 突含量13m3／t以下，方可进行煤巷掘进。 2 穿层抽采钻孔增透措施 由于15地区煤层瓦斯含量高、透气性差，为提 高瓦斯抽采效果，必须采取针对性的增透技术措施。 与国内外相关技术研究比较，焦作矿区煤层无法实 现层外抽放技术措施，结合焦作矿区的煤层赋存特 点，在岩巷施工预抽钻孔期间，分别采取高压水冲 孔、预裂爆破等不同技术进行煤层增透试验。 2．1 预裂爆破增透技术 预裂爆破增透技术，即通过在穿层钻孑L内放入 药卷，有控制地进行深孔内爆破，之后对爆破范围内 的穿层钻孔进行强化抽采。综合爆破作用的各学派 观点认为，在低透气性煤层中的爆破作用表现在以 下3个方面：①爆破冲击波(应力波)的作用，在于 使煤岩体中产生裂纹，将原始损伤裂纹进一步扩展； ②爆生气体的作用，楔人煤岩体，使节理、裂隙、孑L隙 贯通，降低瓦斯压力；③爆炸能量和爆炸热对煤体加 热，促进吸附瓦斯转化为游离瓦斯。 炮孔装药结构是预裂爆破法致裂过程中的关键 环节，它直接关系到爆破致裂的效果，为提高爆破效 果，优化了装药丁艺和爆破方式。装药时用竹板上、 下错步扣住药卷，炸药卷之间必须相互接触，从预裂 万方数据 2010年第9期 赵社会：底板岩巷穿层抽采技术试验研究 总第177期 管和炸药顶端开始敷设导爆索，导爆索和炸药要紧 密接触。封孔段用黄沙和黄泥进行充填。 2．2高压水冲孔增透技术 高水力切割增透技术，即利用高压水的破碎能 量压裂冲刷出穿层钻孔内的煤体，人为扩大钻孔的 卸压范围，提高瓦斯抽采效果。国内外水压致裂理 论认为：岩石中存在许多封闭的层理、节理，层理和 节理贯通孔隙；要保持岩石不发生破裂，孔隙内的流 体压力必须低于最小应力，当液体压力高于最小应 力值时，在孔隙和裂隙的尖端将出现张应力集中，破 裂迅速地扩展和生长。当高压气液流体的压力忽然 发乍变化(降低)时，可导致岩石中原有裂隙的张开 和岩体碎裂。 水力切割技术主要利用煤矿现有的抽放钻机及 可提供高压动力水的注水泵来实现。一般情况下， 要求抽放钻机能够在钻进过程中以压风作为排粉动 力，在达到预定位置后，将压风切换为高压水，利用 高压水进行钻孔内部的切割和排渣。采用水力切割 技术进行抽放钻孔增透试验，必须保证良好的成孔 质最和与之相适应的封孔技术。考虑到水力切割期 间水流的排出对钻孔孑L口煤体形状的影响，采用相 匹配的护孔管护孑L，以保证孔口的成型和封孔质量。 3 穿层钻孑L抽采效果考察 3．1预裂爆破增透效果 试验期间，分别在15051底抽巷24、54和8’钻场 采取了钻孑L预裂爆破措施。爆破后，钻孑L瓦斯抽采 量提高，衰减系数成倍降低，表现出了明显的增透效 果。试验期问的考察曲线如图l所示。 0．10 eo．08 7 0．06 毒0．04 姗 蒙0．02 O．00 t0．08 7 0．06 面o·04 蒙0．02 0，00 0 3 6 9 12 15 1821 24 27 30 33 36 时间，f1 (a)1505I第8钻场外帮 0 3 6 9 12 15 18 21 2427 30 33 36 时间，d (b)1505l第9钻场里帮 圈l 预裂爆破后穿层钻孔瓦斯抽采量变化曲线 由图l可以看出：爆破后较短时间内瓦斯抽采 量增加幅度较大，虽然很快有所衰减，但衰减系数由 0．0260～0．030l d“降至0．0039～0．0054d～， 可见煤层透气性系数得到了明显增加。 3．2水力切割增透抽采效果 水力切割即通过高压水射流对煤体进行短时、 快速的破碎，以提高煤体卸压影响范围，提高煤体透 气性的技术措施。试验期间，利用焦煤科研所研制 的自动变径扩孔增透切割钻具进行切割试验。水力 切割的效果主要反映在切割后钻孔的成孑L大小，试 验期间，及时准确记录钻孔的成孔深度、扩孔深度， 并对割孑L期间排出钻孑L的煤量进行观察记录，反推 钻孔的冲割大小。 试验过程中，在10。一244钻场中线打1列共5 个⑦89mm的抽放钻孑L，然后进行水力切割，经计 算，扩孑L后直径0．30—0．54m，单孔冲出煤量l一3 t，该措施起到了显著的卸压作用。15051底板岩巷 内10。一24。钻场内钻孔抽放衰减系数由0．0383 d“降至0．0236d～，透气性也得到较好改善。 3．3工业性试验效果 采取穿层抽采措施后，15051运输巷掘进期间， 工作面正常瓦斯浓度平均为0．12％，炮后瓦斯浓度 平均为0．29％，工作面正常瓦斯涌出鼍为0．287 m3／rain，炮后瓦斯没有超限现象，平均月进尺达到 了60m。对比同一地区上部的15031运输巷掘进 数据，其工作面正常瓦斯浓度平均为0．20％，炮后 瓦斯浓度平均为0．40％，下作面正常瓦斯涌出量为 0．88m3／min，炮后瓦斯时有超限现象，平均月进尺 仅40nl。可见，穿层抽采取得了明显的防突效果。 4 结语 九里山矿1505l底板岩巷穿层抽采技术的应用 证明，对于严重突出危险地区采取岩巷超前预抽掩 护煤巷掘进的措施，是一种安全有效的区域瓦斯治 理途径。而对于透气性较差的煤层，在采取穿层抽 采钻孔防突时，行之有效的增透技术则是提高瓦斯 抽采效果的关键。九里山矿采取的预裂爆破增透技 术和水力切割扩孔增透技术，对于条件类似的矿井 和地区也有着重要的借鉴意义。 (责任编辑：刘光雨) ·15· 万方数据