高压射流钻割一体化卸压技术在石门揭煤防治煤与瓦斯突出中的应用.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年 月 檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽殦殦殦殦实用技术收稿日期：；：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：谭家贵（），男，云南昭通人，高级工程师，年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任华能云南滇东能源有限责任公司白龙山煤矿一井矿长，长期从事煤矿瓦斯治理与现场管理工作。引用格式：谭家贵，李贤忠，李克相，等 高压射流钻割一体化卸压技术在石门揭煤防治煤与瓦斯突出中的应用 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）高压射流钻割一体化卸压技术在石门揭煤防治煤与瓦斯突出中的应用谭家贵，李贤忠，李克相，郭建忠，孙京，盛柱稳（华能云南滇东能源有限责任公司 白龙山煤矿一井，云南 曲靖 ；河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 ）摘要：高压射流钻割一体化卸压技术是指在瓦斯抽采钻孔施工完成后，再利用高压射流在钻孔内割缝，破解钻孔周围产生的瓶颈效应，从而达到卸压的效果。在白龙山煤矿一井一号 采区一区段运煤斜巷 石门揭煤防治煤与瓦斯突出过程中，使用了高压射流钻割一体化卸压技术。结果表明，瓦斯钻孔施工完成后，再在钻孔内割缝可消除应力集中，提高单孔出煤量，扩大钻孔的卸压范围；经孔内割缝操作后，煤层内残余瓦斯含量已经低于突出危险临界值，在效果检验孔施工过程中未出现异常瓦斯动力现象，消除了煤与瓦斯突出危险性，取得了明显的防突效果。关键词：高压射流钻割一体化；卸压；石门揭煤；煤与瓦斯突出中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：；：年第 期煤炭科技第 卷煤与瓦斯突出是煤矿生产中一种复杂的动力灾害 。一般地，它是指在地应力与瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩与瓦斯从煤岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象 。常发生于石门、煤层平巷、上山与下山掘进过程中。其中，石门突出虽然总突出次数不多，但是一旦发生，多为大强度、高能量的事故。据统计，在我国几十起特大型突出事故中，石门突出占据了 以上 ，这给矿工的生命安全、国家的财产安全带来了巨大的威胁。针对白龙山煤矿一井石门揭突出煤层危险性大，揭煤周期长的问题，提出用高压射流钻割一体化技术扩大瓦斯抽采钻孔的有效半径，有效缩短石门揭煤工期，并在白龙山煤矿一井一号 采区一区段运煤斜巷 石门揭煤防治煤与瓦斯突出过程中，使用了高压射流钻割一体化卸压技术，展开现场试验研究与效果考察。高压射流钻割一体化卸压防治突出原理 石门揭煤容易诱发煤与瓦斯突出原因石门揭煤程序中主要包括施工地质钻孔（探煤）、区域突出危险性预测、区域防突措施、区域措施效果检验、区域验证及最后验证。石门揭煤程序及煤巷交界处应力分布 如图 所示。图 石门揭煤程序及煤巷交界处应力分布 根据球壳失稳理论 ，石门揭煤过程中，当岩巷掘进至煤岩交界处时，原本三相受力的煤体突然有一相失稳暴露，煤岩受力不均发生严重变形，高浓度瓦斯在两相应力的作用下将破坏的煤岩抛出，被抛出的煤体使得新暴露的煤体产生相似的变化 。值得注意的是，石门揭煤过程中，在沿岩巷向前掘进时，引起围岩的应力梯度上升，进而使得围岩的透气性随之降低，瓦斯排放更加困难；在煤岩交界处应力下降梯度大，瓦斯排放缓慢，更容易引起高强度、大能量的煤与瓦斯突出事故。防治煤与瓦斯突出原理高压射流钻割一体化技术主要包括两方面：施工瓦斯抽采钻孔和高压水射流割缝。瓦斯钻孔预抽煤层瓦斯是消除煤层突出危险的根本手段 。钻孔施工完毕后，在钻孔周围会产生卸压圈和应力集中圈，如图 所示。卸压圈层的厚度一般小于钻孔直径的 倍，处于卸压圈内部的瓦斯可以顺利被钻孔抽采；但是应力集中圈会闭合裂隙，阻碍瓦斯向钻孔流动，形成瓶颈效应。图 高压射流割缝卸压防突原理 ，高压射流钻割一体化卸压增透原理结合了 种指导思想：利用钻机打钻在工作面前方煤体形成钻孔，利用高压射流割缝工艺在钻孔内割缝并排出部分煤体，消除应力集中，破解钻孔周围产生的瓶颈效应，形成钻孔内较大范围的卸压增透区域 ；消除工作面前方煤体中的地应力，改变了原始煤层裂隙状态，增大了煤层透气性能，加速了瓦斯解吸与卸压，也降低了瓦斯压力，进而达到防治煤与瓦斯突出的目标 。高压射流钻割一体化卸压技术应用 工作面概况 采区一区段运煤斜巷设计全宽为 ，净高为 ，墙高为 ，掘进断面积为 ，净断面积为 。巷道底板标高 ，巷道开口点中心位于 煤层底板胶运上山中导线点 往东 处，巷道方位 ，坡度为 （开口 及贯通前 设计施工平巷），围岩类别为级。根据地质勘探资料可知，煤层为半亮型煤，以块状为主，属全区大部可采的薄至中厚煤层，煤层平均厚度 ；采区一区段 年第 期谭家贵，等：高压射流钻割一体化卸压技术在石门揭煤防治煤与瓦斯突出中的应用第 卷运煤斜巷设计全长 。在施工区域防突措施前，测定了该控制区域内煤层瓦斯初始含量和压力，在施工揭 煤层区域防突措施前，在 采区运煤斜巷施工取样钻孔进行取样，原始瓦斯含量分别为 、（表 ）。由中煤科工集团重庆研究院鉴定，煤层鉴定工作开展还未结束，均按照突出煤层进行管理。表 煤层原始瓦斯含量记录 煤样实验室测定可解吸瓦斯含量（）残存瓦斯含量（）煤层瓦斯总含量（）煤样 煤样 钻孔施工本次石门揭 煤层区域抽放钻孔，设计从巷道顶板距离 煤层 ，到 煤层顶板法距 范围段，控制巷道轮廓线外左右两侧各 ，抽放控制平距长度 ，合计 个，钻孔呈 方格网式布置，设计总孔深 ，设计每排 个钻孔进行水力割缝增透。水力割缝施工为确保抽采达标和揭煤安全，由钻机队在运煤斜巷工作面施工了水力割缝增透钻孔。共计施工冲孔 个，平均掏煤长度 ，总钻孔量 ，平均单孔煤量 （约 ）。待施工完成后进行封孔连抽，累计抽放瓦斯量约 ，抽采量约为 。水力割缝开孔布置如图 所示。图 试验区域水力割缝开孔断面布置示意 卸压技术应用后防治煤与瓦斯突出效果 钻孔出煤量情况水力割缝钻孔单孔出煤量越大，钻孔孔径扩大倍数越大，卸压增透促抽效果越好。水力割缝钻孔施工期间，对冲煤长度、出煤量等参数进行了现场考察。根据 个水力割缝试验钻孔冲煤长度、出煤量数据可以发现，试验区域内钻孔冲煤长度 ，平均 ；单孔出煤量 ，平均 ；取煤体密度 ，单孔出煤量 ，平均 。具体参数见表 。表 试验区域水力割缝钻孔出煤参数 孔号冲孔煤长度 出煤量出煤量 孔号冲孔煤长度 出煤量出煤量 防治煤与瓦斯突出效果情况（）预抽瓦斯效果指标计算。本次预抽区域 煤层原始瓦斯含量，采用实测最大原始瓦斯含量 ，煤层平均厚度取值 ，真密度为 ，抽放控制长度为 ，左右两帮各 ，计算的整个预抽区域原始瓦斯储量为：原始量 预抽控制区域煤层体积 真密度代入公式计算得，整个预抽区域原始瓦斯储量为 。（）预抽区域抽采瓦斯后残余瓦斯含量计算。（原始 抽放）预抽煤量代入公式计算得，预抽区域抽采瓦斯后残余瓦斯含量为 ，小于 防治煤与瓦斯突出细则的临界值。（）揭煤前区域防突措施效果检验。检验采用直接测定抽放控制区域 煤层残余瓦斯含量法。于 年 月在一区段运煤斜巷工作面施工 个区域防突措施效果检验钻孔，分别对 煤层进行取 年第 期煤炭科技第 卷样，实测抽采后残余煤层瓦斯含量。通过实测残余瓦斯含量可知，平均瓦斯含量为 ，最大残余瓦斯含量为 ，小于 防治煤与瓦斯突出细则 的临界值，且在效果检验孔施工过程中未出现异常瓦斯动力现象（表 、图 ）。表 实测 煤层残余瓦斯含量记录 孔号可解吸瓦斯含量（）不可解吸瓦斯含量（）煤层残余瓦斯含量（）图 煤层残余瓦斯含量及成分 （）揭煤期间瓦斯参数。白龙山煤矿一井在历次揭煤经验积累的基础上，通过对揭煤过程加强管控，采区一区段运煤斜巷于 年 月 日掘进至巷道顶板与 煤层底板法距位置，进入揭煤程序；月 日揭开 煤层，月 日安全顺利揭过 煤层，实际揭煤时间 。揭煤过程中，共预测（效检）次，最大 值为 （），最大钻屑量 ；共执行远距离放炮 次，炮后最大瓦斯浓度 。结论利用高压射流钻割一体化卸压技术使钻孔周围的应力集中圈外移，达到卸压的目的，从而提高瓦斯抽采效果，实现安全、快速揭煤作业。该卸压技术在白龙山煤矿一井 采区一区段运煤斜巷 石门揭煤防突中得到了成功应用。（）在完成钻割流程后，钻孔平均冲煤长度 ，单孔平均出煤量 。经抽采瓦斯，累计抽放瓦斯量约 ，抽采量约为 ，取得了较好的瓦斯抽采效果。（）经实测煤层残余瓦斯含量可知，平均瓦斯含量为 ，最大残余瓦斯含量为 ，小于 防治煤与瓦斯突出细则 的临界值；效检最大 值为 （），最大钻屑量为 ，炮后最大瓦斯浓度为 ，具备揭煤作业的条件。参考文献（）：林柏泉 矿井瓦斯防治理论与技术 徐州：中国矿业大学出版社，陈学习 矿井瓦斯防治与利用 徐州：中国矿业大学出版社，俞启香 矿井瓦斯防治 徐州：中国矿业大学出版社，周震 基于金属骨架的冻结式石门揭煤实验研究 徐州：中国矿业大学，蒋承林 煤与瓦斯突出阵面的推进过程及力学条件分析 中国矿业大学学报，（）：，（）：蒋承林，俞启香 煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说 煤矿安全，（）：，（）：杨威，林柏泉，吴海进，等“强弱强”结构石门揭煤消突机理研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：谭家贵，李克相，张茂元，等 水力冲孔增透促抽技术在突出煤层石门揭煤中的应用 矿业安全与环保，（）：，（）：周雷，李立，夏彬伟，等 含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形态及影响要素 煤炭学报，（）：，（）：刘生龙，朱传杰，林柏泉，等 水力割缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律 采矿与安全工程学报，（）：，（）：