方山矿水力冲孔方案.docx

方山矿11051机巷底板巷水力冲孔消突增透技术实施方案许平煤业方山矿新井二1-11051采面位于二1轨道下山南翼，西邻二1-11032采面采空区，东边为未开采的实体煤柱，南边为四4主斜井保护煤柱，北为轨道下山及其保护煤柱。采面设计走向长300m(均），倾斜宽140m，采高3.0m，储量17.64万吨。该采面标高-44-72m,埋深为504-648米。煤层厚度为1.7314.95m，平均厚度8.5m。二1煤层总体走向NNE，倾向SEE，倾角1018，平均14。根据煤与瓦斯突出区域的划分，二1-11051采面位于煤与瓦斯突出区域，根据二1-11051工作面机巷测定瓦斯含量7.145m3/t，瓦斯压力为0.5MPa，随着掘进面深度的增加，瓦斯涌出量可能增大。回采期间预计该综采面瓦斯涌出量为10.74-12.08m3/t。根据矿方提供资料，岩石集中巷布置在煤层以下20m的位置，倾向上距下巷中心线水平距离为5.0m，底板岩巷宽3.0m，高3.0m，断面为直墙半圆拱。为了掩护11051机巷掘进，在底抽巷内采取水力冲孔卸压增透措施，按照防治煤与瓦斯突出规定要求控制机巷两帮各15m，根据设计要求沿煤层走向方向控制24m的范围。1 水力冲孔技术设备1.1 乳化液泵及乳化液箱乳化液泵型号选用BRW200/31.5，额定流量为200L/min，额定压力为31.5MPa，与乳化液泵相连的是FRx1000型辅助乳化液箱，液箱额定容量为1000L，其外形尺寸29009501300，重量700kg。1.2 钻机和高压胶管本次选用煤矿用坑道钻机，钻机与乳化液泵相连的连接管采用内径25mm或 32mm、耐压32MPa钢丝缠绕胶管，将胶管的另一头与50mm钻杆尾端连接，连接处采用快速接头和U型卡加固。高压胶管的内径一般为：8mm、16mm、25mm和32mm。本次水力冲孔采用的高压胶管内径是25mm 或32mm。1.3 低浓度沼气传感器在回风巷中安装有由煤炭科学研究总院重庆分院生产的智能低浓度沼气传感器作为探头T1，用来监控瓦斯浓度的变化。1.4 双功能高压水表为了测定水力冲孔期间，水压变化和流量为监测水压和流量在水力冲孔期间的变化，在距钻孔开口5m处安装了SGS型双功能高压水表：BH GB/T778.131996 N2.5 DN20 PN1 P=0.1MPa 精度：0.01、0.001、0.0001，压力表量程为025MPa，在其旁边连接型号为QJ16的球形截止阀。1.5 安全阀安全阀的作用是安全报警，即当机组溢流阀或其它因素出现意外，乳化液泵压力超过排出压力的1.101.25倍或1.081.10倍时，高压液体就会克服安全阀弹簧的预计压力，打开阀芯，报警降压。1.6 水力冲孔喷嘴喷嘴的作用是将高压水射流的压力能转变为动能，利用从喷嘴射出的具有很高能量的射流来进行切割、破碎煤体。喷嘴的结构与射流性能关系是非常紧密的，喷嘴质量的好坏直接影响到水射流的切割能力。本次试验所采用多级破碎喷头。2 水力冲孔系统水力冲孔系统一般是由乳化液泵、水箱、钻机、高压胶管、多功能流量表、喷头等组成。如图1所示。图1 水力冲孔系统布置示意图3 总体方案3.1 水力冲孔钻孔设计本次实施水力冲孔措施钻孔采用直径89mm，设计钻孔24个，冲孔半径按照5.6m进行设计，在试验中考察冲孔有效半径的大小后在另行修改。为了掩护机巷掘进，本次设计控制范围为：沿煤层倾向方向控制34m，沿煤层走向方向控制24m，具体参数如表1所示，钻孔设计图如2所示。图2 水力冲孔钻孔布置图表1钻孔参数表钻孔编号倾角（）偏角（）距底板高度（m）距中线距离（m）距循环点（m）岩孔斜长（m）岩孔长度（m）煤孔长度（m）钻孔长度（m）148右251.5左1.5右0.519.8121.86 16.66 38.51 248右91.5左1.5右1.019.8120.06 15.29 35.34 348左91.5左1.5左0.519.8120.06 15.29 35.34 448左251.5左1.5左1.019.8121.86 16.66 38.51 556右352.15左1.35右0.515.5618.99 15.43 34.42 656右132.15左1.35右1.015.5615.97 12.97 28.94 756左132.15左1.35左0.515.5615.97 12.97 28.94 856左352.15左1.35左1.015.5618.99 15.43 34.42 968右532.67左0.93右0.512.12620.14 17.36 37.50 1068右232.67左0.93右1.012.12613.17 11.36 24.53 1168左232.67左0.93左0.512.12613.17 11.36 24.53 1268左532.67左0.93左1.012.12620.14 17.36 37.50 1387右962.96左0.34右0.59.899.94 8.96 18.91 1487右722.96左0.34右1.09.8930.08 27.59 57.66 1587左722.96左0.34左0.59.8931.94 28.79 60.74 1687左962.96左0.34左1.09.899.94 8.96 18.91 17110右1182.96右0.34右0.59.31210.55 9.67 20.22 18110右1502.96右0.34右1.09.31210.75 9.86 20.61 19110左1502.96右0.34左0.59.31210.75 9.86 20.61 20110左1182.96右0.34左1.09.31210.55 9.67 20.22 21131右1402.67右0.93右0.510.53413.75 12.43 26.17 22131右1652.67右0.93右1.010.53410.91 9.86 20.76 23131左1652.67右0.93左0.510.53410.91 9.86 20.76 24131左1402.67右0.93左1.010.53413.75 12.43 26.17 3.2 水力冲孔参数考察及钻孔参数优化本次试验主要考察以下两个方面：（1）考察水力冲孔工艺参数；（2）考察水力冲孔的有效影响半径，优化钻孔布置参数。（1）水力冲孔工艺参数考察经多个矿区的试验应用证明水力冲孔卸压增透技术是一项防突效果显著的防突措施，但其应用在不同矿区、不同条件的煤层的主要技术参数也不相同。其中重要的技术参数主要有破煤压力、喷嘴直径选取、乳化液压力及冲孔工艺，破煤压力又取决于煤质坚硬程度。在确定了破煤所需压力后便需要通过理论和试验来确定喷嘴压力、流量及喷嘴型号，从而最终确定满足要求的系统管路压力流量。针对方山矿煤层实际情况，在实验过程中做如下考察。方山矿煤质较软 f值在0.100.15之间，按照经验公式破煤压力等于10f，即射流破煤压力为1.01.5MPa之间。在冲孔过程中，始终保证喷嘴射流压力不低于2MPa；依据喷嘴射流压力的大小，选取32.0mm型喷嘴；由于乳化液泵距离冲孔位置的距离较远，同时在高压胶管与钻机的连接处、钻杆之间都存在压力的损失，本次水力冲孔实验压力定为6MPa、8MPa、10MPa、12MPa等，依据双功能水表压力显示压力在进行调整，若所建立压力偏小则可以增大乳化液泵压力或更换小喷嘴喷头，若压力偏大则减小乳化液泵压力或更换大喷嘴喷头。根据上述原则，进行水力冲孔实验，考察出能够适合本矿的水力冲孔喷头和乳化液泵压力。由于该矿煤质较软，如采取从煤层上部向下部冲和从中部向钻孔两端冲孔，会存在塌孔、堵孔现象，致使冲孔不能顺利进行，所以本次冲孔采取从煤岩交界处逐步向钻孔深部进行冲孔，冲孔过程中应缓慢转动钻杆，每米煤孔冲孔到返清水为止或初步定为20min。冲孔时在距离孔口2m左右悬挂瓦斯便携仪，当瓦斯浓度达到1%时，暂停冲孔，并将钻杆推出煤孔以外，当浓度降到0.5%时重新冲孔。（2）水力冲孔有效影响半径考察本次设计方案采用两种方法考察水力冲孔有效影响半径，流量法和压力法。流量法：施工顺序：施工水力冲孔钻孔周围的抽放钻孔测定煤层瓦斯含量将抽放钻孔连接到抽放管路上考察各抽放钻孔流量施工水力冲孔钻孔将钻头换成喷头冲孔前抽放钻孔瓦斯流量测定进行水力冲孔措施冲孔中、后测定瓦斯流量；冲孔前测瓦斯流量：各个抽放钻孔施工完毕后，连茬抽放，每班测定两到三组钻孔瓦斯流量，在水力冲孔前，每隔510分钟测定1次抽放钻孔的瓦斯流量，共计测定5组以上。冲孔中、后测瓦斯流量：冲孔中，根据瓦斯流量变化的大小，每隔510分钟测定1组瓦斯流量，冲孔后，当班测定10组以上数据，绘制各个抽放钻孔的瓦斯流量变化曲线，如果连续3次测定的流量比冲孔前增大10%，表明抽放钻孔处于水力冲孔影响半径内。以后每天至少测3次，考察抽放量衰减情况。压力法：施工顺序：测定煤层瓦斯压力待煤层瓦斯压力稳定后，施工水力冲孔钻孔将钻头换成喷头记录压力表读数。冲孔中、后测瓦斯压力：冲孔前记录压力表读数，冲孔中时刻观察压力表读数变化，在冲孔过程中，如果压力表读数有下降趋势，则认为该距离为水力冲孔有效影响半径。根据上述两种方法所得到的水力冲孔有效半径大小，对钻孔布置参数进行优化设计，具体钻孔参数再另行设计。3.3 水力冲孔效果考察在冲孔过程中详细记录钻孔冲出煤量（可通过装袋或矿车）、冲孔时间、冲孔期间所建立的压力、流量及其钻孔施工参数；通过瓦斯浓度和风量考计算冲出期间排放瓦斯量、在冲孔结束后考察钻孔抽放量、在适当位置布置钻孔，测定煤层残存瓦斯含量大小。参数记录表见附表1。4 水力冲孔影响半径考察方案4.1 冲孔有效影响半径流量考察法水力冲孔流量法考察有效影响半径主要依据高压水射流能够影响到的范围煤体将大幅度的卸压，同时改变改善了煤体应力状态，在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下破碎钻孔周围的煤体，使得钻孔周围形成一定的孔洞，同时在高压水射流有效靶距范围内，煤体的裂隙将进一步的扩大。根据瓦斯径向流动理论，瓦斯将有压力大的地方向压力小的地方运移，卸压范围内由于煤体内的裂隙将进一步的扩大，煤层透气性系数将提高，钻孔瓦斯浓度将增大，瓦斯抽放量将大幅度上升。从而可以对比分析冲孔前后钻孔瓦斯抽放浓度的大小来判别高压水射流的影响范围，即冲孔有效半径的距离。水力冲孔是利用从喷嘴射出的具有很高能量密度的射流来切割和破碎钻孔周围煤体，喷嘴与钻机上的钻杆相连。在冲孔过程中喷嘴是随钻杆不停旋转的，所以水射流可以切割钻孔四周的煤体。依此为依据进行钻孔布置，将水力冲孔的钻孔作为被考察孔布置到中央，其他考察孔布置到四周。先施工四个考察孔，每施工完成一个钻孔就立刻连接到抽放管路上，测定钻孔瓦斯浓度和流量。等到施工完成被考察孔时，进行水力冲孔。按上述原则首先实施1号、2号、3号、4号孔，最后实施5号孔，钻孔布置图如图3所示。每个孔打到穿过煤层为止，施工完每个孔后立刻将每个钻孔连接到抽放管路上，测定钻孔瓦斯流量。以5号孔作为被考察孔，以1号、2号、3号、4号孔为考察孔，被考察孔与考察孔见煤点之间的距离为4.0m7.0m，到5号孔施工完毕后，进行水力冲孔试验。冲孔前每隔5分钟测定一次以1号、2号、3号、4号孔的钻孔流量，共测定五次。具体钻孔参数如表2所示。图3 钻孔布置示意图表2 测压钻孔布置参数钻孔编号倾角（）偏角（）距底板高度（m）距中线距离（m）距循环点（m）岩孔斜长（m）岩孔长度（m）煤孔长度（m）钻孔长度（m）150左31.5左1.5右0.518.9919.02 14.50 33.52 255右122.67左0.93右1.015.0315.37 15.30 30.67 355左142.67左0.93左0.515.0315.50 14.39 29.89 465左62.96左0.34右0.512.1112.18 10.97 23.15 555左42.67左0.93右0.515.0315.07 13.00 28.07 图4 钻孔见煤点布置图钻孔见煤点布置图如图4所示，由上图可知，1、2、3、4号钻孔分别距离5号钻孔6m、5m、 4m、7m。，1、2、3、4号钻抽放钻孔施工完毕后，连茬抽放，每班测定两到三组钻孔瓦斯流量，在水力冲孔前，每隔510分钟测定1次抽放钻孔的瓦斯流量，共计测定5组以上。冲孔中，根据瓦斯流量变化的大小，每隔510分钟测定1组瓦斯流量，冲孔后，当班测定10组以上数据，绘制各个抽放钻孔的瓦斯流量变化曲线，如果连续3次测定的流量比冲孔前增大10%，表明抽放钻孔孔处于水力冲孔影响半径内。4.2 冲孔有效影响半径压力考察法在流量法考察冲孔有效影响半径的基础上，采用压力法考察冲孔有效影响半径，更能直观的观测到高压水射流能够影响的范围。压力法考察有效影响半径的依据是高压水射流能够影响到的地方，煤体裂隙扩展，煤层瓦斯压力下降，可以通过压力表读书的变化来直径判断水射流是否影响到该范围。水力冲孔前首先测定煤层瓦斯压力，等到瓦斯稳定时再施工水力冲孔钻孔，进行水力冲孔试验。本次试验布置2个测压孔，J1号测压孔和J3号测压孔，钻孔孔径为63mm，采用主动测压方式水泥砂浆封孔，J1号测压孔、J3号测压孔终孔点间距为15m，在距离J1号测压孔9m处，同时距离J3号测压孔6m处布置1个水力冲孔钻孔。待两个测压钻孔压力读数稳定后，在进行水力冲孔，由于J3号测压钻孔距离J2水力冲孔钻孔较近，实施水力冲孔过程中，一旦J3压力读数下降或者变为0MPa时，则认为水力冲孔措施已经对该范围内产生影响，记录当时冲出煤量，然后继续进行水力冲孔措施，利用J1号孔的距离来考察出煤量的多少与冲孔有效影响半径范围的关系。如果在继续的冲孔过程中，J1号测压钻孔压力读数始终没有变化，可以认为水力冲孔有效影响半径大于6m、小于9m。则在J1号测压钻孔右侧另行布置水力冲孔钻孔。如果在实施水力冲孔措施过程中，J3号测压钻孔压力读数始终没有变化，说明冲孔有效影响半径小于6m，则在J3号测压钻孔左侧另行布置钻孔。钻孔布置图如图5所示，具体参数如表3所示。冲孔前记录压力表读数，冲孔中时刻观察压力表读数变化，在冲孔过程中，如果压力表读数有下降趋势，则认为该距离为水力冲孔有效影响半径。图5 钻孔布置图表3 测压钻孔布置参数钻孔编号倾角（）偏角（）距底板高度（m）距中线距离（m）距循环点（m）岩孔斜长（m）岩孔长度（m）煤孔长度（m）钻孔长度（m）J156右352.15左1.35右1.015.5618.99 15.42 34.41 J256右112.15左1.35015.5615.85 12.87 28.72 J356左72.15左1.35左1.015.5615.68 14.74 30.42 5 水力冲孔冲孔工艺施工顺序：打钻判别煤层位置冲整个煤段返水变清。打钻：冲孔前要先按预定孔径和角度施工钻孔，详细记录排渣情况，并判定煤层准确位置。冲孔：在穿过煤层厚，将钻头换成喷头送到煤层预定位置，设定乳化液泵压力，开泵进行水力冲孔，然后从煤岩交接处向钻孔深部逐渐冲孔，同时转动钻杆，并抽拉钻杆，以利于排渣，冲孔后可从里向外再冲孔，采用边进边退的方法，直至出清水为止。为防止埋钻和憋孔，可控制冲孔速度或间歇式冲孔，但大量出煤期间，不能停钻，加钻杆可乘出煤量较小，且返水量正常时进行。发生憋孔时可停止供水，但不能停钻，以利于排粉。冲孔前保持排水的畅通，以保证现场有较好的工作环境。6 需要矿井提供的设备水力冲孔影响半径考察和冲孔期间需要乳化液压力泵、钻机及相关的材料，期间冲孔用的喷嘴由河南理工大学提供，其它则需要矿方提供，需矿方提供的设备及材料见表4。冲孔的主要工艺和参数如下：冲孔水压初步选用13MPa，可通过试验逐步提高并最终确定，连接管采用内径32mm、耐压32MPa高压胶管将乳化液泵与钻杆尾端连接，为防止连接处断开，在连接处用4分钢丝绳加固。流量按乳化液泵的额定流量，冲出煤量考察指标初步确定为1.0t/m以上，技术参数可根据现场试验考察进一步调整。冲孔前要先按预定孔径和角度施工钻孔，施工好后，从煤岩交接处向钻孔深部逐渐冲孔，达到煤层顶板时，冲孔后可从里向外再冲孔，采用边进边退的方法，直至出清水，冲不出煤和瓦斯为止，为防止瓦斯浓度严重超限，可间歇式冲孔，当瓦斯浓度达到2%时即停止冲孔，当瓦斯浓度降低为0.8%以下后再开泵继续冲孔。冲孔前保持排水系统的畅通，以保证现场有较好的工作环境。表4 水力冲孔及影响半径考察需设备材料封冲孔钻孔放水闸阀7 安全技术措施1）为保证水力冲孔的顺利实施，应提供试验地点的准确地质资料并在试验点安装专用电话。2）冲孔系统管路应保证畅通、密封性良好，各管路接头及冲孔钻杆必须严密合缝，高压管路不得有破损，不准使用丝扣磨损及废旧钻杆，接头不得有跑水、冒水现象，非冲孔时间，应关闭管路阀门，严禁随意打开。3）试验地点加强通风瓦斯管理，冲孔地区要形成独立回风系统，在进风侧建立二道坚固的符合规程规定的反向风门。4）施工水力冲孔钻孔时，必须严格按照措施孔的操作要求及施工顺序进行施工。5）工作面进行水力冲孔前，架设、固定冲孔管路必须牢固可靠，高压胶管及其附属设施必须用8#铁丝与风、水管路栓牢，两个栓挂间距为5m，以防连接头脱落，高压胶管甩动伤人。6）在进行水力冲孔期间，监测探头必须可靠，报警浓度：1.0%，断电浓度：1.5%，复电浓度：0.8% （人工复电）。断电范围：钻机及其回风流电器设备。回风系统的供电设备要确保安全可靠、无失爆。7）冲孔期间，除钻机操作人员和考察水力冲孔影响半径人员外，钻机附近及钻杆后方不准有人，周围10m范围内设置警戒，水力冲孔期间禁止人员在钻机前后左右过往。8）冲孔工作准备好后，电话通知乳化泵司机开泵，乳化液的初始压力要控制在3MPa左右，压力逐渐升至10MPa。9）钻机在冲孔的过程中要轻压慢进，注意观察孔口，若冲出的煤量较多且瓦斯超限，或发现其它异常情况时减慢冲孔速度，必要时通知停泵，停止冲孔，待瓦斯浓度降低到正常值时方可继续开泵冲孔。10）在钻孔施工过程中，孔内有劲、顶钻、终孔时均要校测残尺，计算深度，并认真做好原始记录。11）施工前必须将安全退路清理畅通。12）施工人员必须精力集中，配合一致，听从一个口令，出现管接头或高压管损坏等异常情况要立即停泵和切断乳化液泵电源进行处理。处理前必须先把孔内的高压水用专用的放水闸阀充分卸完后方可处理。13）水力冲孔时，清理出的煤粉要进行计量，统计。14）乳化液泵设置在集中轨道上山往北180m（3203岩中巷处），开关在乳化液泵的后侧不少于5m处。15）水力冲孔结束后，电话通知乳化液泵司机停泵。16）与乳化液泵连接的高压胶管必须安设量程31.5MPa的压力表和专用放水闸阀并保证连接可靠。8 煤层瓦斯压力测定施工方案8.1钻孔施工钻孔设计参数2所示，钻孔施工应严格按设计钻孔参数进行，并保证钻孔平直、孔形完整，穿透被测煤层。钻孔施工中，应准确记录钻孔参数、岩孔段的长度，煤段的长度，以及钻孔开孔时间、见煤时间及结束时间。钻孔施工程序：先用63mm钻头钻进，当钻头正常钻进至煤层时换风，取样并做瓦斯含量测定；然后继续钻进穿过煤层进入煤层顶板0.5m停钻，退出钻杆，用压风清孔，即完成测压孔施工。打钻时按表5填写打钻记录。表5 测压钻孔施工参数记录表孔号方位角()倾角()岩孔长度(m)煤段长度(m)开孔时间见煤时间终孔时间8.2封孔工艺提高封孔质量是确保钻孔准确测定煤层瓦斯参数的重要因素。为了提高封孔质量，采用注浆泵进行注浆封孔，测压钻孔的岩段封孔长度至少大于10m。封孔管可用4分镀锌管连接而成，每2m一根，第一根镀锌管（称为集气管）前1m管壁上交错钻3040个小孔（孔径5mm），如图6所示，在集气管上缠上铁纱网。后面镀锌管（称为中间管，如图7所示）之间的连接螺纹用生料带认真缠好，以防漏气。将测压管（测压管长度以井下巷道及运输条件而定）安装到钻孔中预定位置后，在孔口用聚氨酯封住，封孔长度要达到600mm，同时安装好注浆管，如图8所示，即可注浆，注浆时先注稀浆，后注稠浆。水泥浆应添加一定比例的膨胀剂，以免凝固后产生裂缝。根据封孔深度确定膨胀不收缩水泥的使用量。在按一定比例（参考值为：水灰比为2：1，膨胀剂的掺量为水泥的12%）配制好封孔水泥浆后，用注浆泵一次连续将封孔水泥浆注入钻孔内。注浆泵的能力应能使水泥浆达到要求的深度。注浆封孔测压示意图如图4所示。钻孔施工完后及时进行钻孔封孔工作并安装压力表，1天后用氮气罐向测压室补气，补偿气体的充气压力宜为预计煤层瓦斯压力的0.5倍。图6 集气管（材料：钢管、3mmA3钢板）图7中间管（材料：4钢管）图8 注浆管（材料：4钢管）1充气装置（主动测压）；2三通；3压力表；4木楔；5测压管（GB/T 8163 -1999输送流体用无缝钢管）；6煤层；7封堵材料；8注浆管（GB/T 8163 -1999输送流体用无缝钢管）；9注浆泵；10筛孔管（GB/T 8163 -1999输送流体用无缝钢管）。图9 注浆封孔测压示意图8.3所需材料清单煤层瓦斯压力测定水需要钻机、注浆泵、聚氨酯、水泥、四分管及相关的材料由矿方提供，需矿方提供的设备及材料见表6，压力表读数记录如附表2所示。表6 水力冲孔及影响半径考察需设备材料3个聚氨酯三通将测压管与风管相连接管箍木楔铁丝附表1水力冲孔记录表冲孔日期孔号倾角()偏角（）煤段长度(m)孔深(m)钻机处水压(MPa)乳化液泵压力（Mpa）流量(L/min)冲孔时间/min冲出煤量(t)孔口瓦浓度憋孔情况备注冲出瓦斯量从监测系统回风探头T2获取附表2