高压水力排渣方案水力冲孔实施方案.doc

丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 山西昔阳丰汇煤业有限责任公司丰汇煤矿 一采西一采西 4#4#鉴定巷高压水力排渣方案鉴定巷高压水力排渣方案 编制单位：通防科编制单位：通防科 施工单位：通防工区施工单位：通防工区 编制日期：二编制日期：二一七年八月二十日一七年八月二十日 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 矿审批意见矿审批意见 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 会审单位及人员签字会审单位及人员签字 通防工区： 年 月 日 通 防 科： 年 月 日 安 监 科： 年 月 日 技 术 科： 年 月 日 地 测 科： 年 月 日 机 电 科： 年 月 日 调 度 室： 年 月 日 地测副总： 年 月 日 通防副总： 年 月 日 机电矿长： 年 月 日 生产矿长： 年 月 日 通防矿长： 年 月 日 安全矿长： 年 月 日 总工程师： 年 月 日 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 贯彻人： 贯彻时间： 序号 学习签字序号学习签字 122 223 324 425 526 627 728 829 930 1031 1132 1233 1334 1435 1536 1637 1738 1839 1940 2041 2142 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 0 目目 录录 一、实施背景 1 二、作用机理 1 三、工艺流程 3 四、技术要求 6 五、效果指标 8 六、安全措施 9 七、防治瓦斯超限措施 .12 八、其他 .14 附表： .14 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 0 一采西一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案鉴定巷高压水力排渣方案 一、实施背景一、实施背景 一采西 4#鉴定巷位于矿井西南部，揭煤地点北靠近马家沟向斜 轴部，加之煤层埋深大，地应力大，瓦斯压力大，瓦斯含量高，煤 层透气性差，难以抽采。若采取单一的预抽煤层瓦斯区域防突措施， 抽采周期长，预抽效果差。高压水力排渣增透抽采瓦斯防突措施是 一种行之有效的防突措施。参照外矿经验，结合本矿条件，拟在揭 煤工作面底板距煤层顶板的最小法向距离 5m 以前，在实施预抽煤 层瓦斯区域防突措施的同时，实施高压水力排渣局部防突措施，边 打边抽，边排边抽，从而达到快速消突安全揭煤之目的。 另一方面，我矿转为深部开采后，煤巷月进尺不足 50m，回采 工作面接替面临脱节的局面。在调整优化采掘部署的基础上，如水 力排渣防突措施在煤巷掘进工作面能够得以成功推广应用，将对矿 井实现安全高效稳产高产具有十分重要的意义。 二、作用机理二、作用机理 瓦斯、地应力和煤的物理力学性质等多种因素的共同作用导致 煤与瓦斯突出，突出的动力是煤岩中的弹性潜能和瓦斯的膨胀能。 水力排渣过程就是煤体破坏剥落，应力状态改变，煤体空隙、 裂隙增加，透气性增加，瓦斯大量释放的过程。水力排渣用于石门 揭煤是以留设 5m 岩柱作为安全屏障，向突出煤层打钻，见煤后利 用高压水射流冲击煤体，使煤层突出能量在可控的条件下缓慢释放， 逐渐形成若干直径较大的孔洞。排渣过程中孔洞周围煤体向钻孔轴 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 1 向移动，引起煤体的膨胀变形和煤层顶、底板岩石的显著变形，顶、 底板间向孔道方向出现相向位移，从而破坏煤体原应力平衡状态， 促使应力状态重新分布，集中应力带前移，孔洞周围地应力减低。 煤层中新裂缝的产生和应力水平的降低打破了瓦斯吸附与解吸的动 态平衡，瓦斯解吸和排放速度加快，使部分吸附瓦斯转化成游离瓦 斯，而游离瓦斯则通过裂隙运移得以排放，大幅度地释放了煤体及 围岩中的弹性潜能和瓦斯膨胀能，煤层瓦斯透气性显著提高。 水力排渣过程排出了大量的瓦斯和一定数量的煤炭，因此在煤 体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域。在这个安全区域内，水力排 渣既消除了突出的动力，又改变了突出煤层的性质，因而破坏了突 出发生的基础条件，起到了有效的防治突出效果。 水力排渣本孔与邻孔 Q-t 关系图见图一。 t（h） Q（L/min） 水力孔 临近孔 Q（L/min）抽采纯量 t（h） 时间 图一：水力排渣本孔与邻孔 Q-t 关系图 三、工艺流程三、工艺流程 1、设备及管路选型 （1）钻机选用 ZDY4000S 型煤矿用全液压坑道钻机，钻杆直径 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 2 73mm，扩孔钻孔钻头直径 113mm，透孔钻头直径 94mm，套管直 径 108mm。 （2）钻冲一体化装置（矿用水力排渣装置）选用 KSC130-12 高低压自动转换水力冲孔装置，泵压分 12MPa 和 19MPa 高低两档， 钻头为自动转换钻头，成孔、扩孔一次成型。 （3）高压水表选用 SGS 双功能高压水表，压力 025MPa，流 量 02.5m3。供水管路选取 32mm 高压胶管。 （4）排渣三通、密封防喷装置、气水煤分离器、集气箱、积水 箱，自制。 2、布孔方法 水力孔利用预抽钻孔或在预抽钻孔之间相间品字形布孔，同排 （行）相隔 2 个孔布置一个。邻孔采取加密观测，通过观测邻孔瓦 斯浓度、流量变化情况，验证排渣效果，从而确定水力排渣的有效 影响半径，以进一步优化布孔和排渣参数。 3、施工工艺 孔口安设三通套管，岩柱初始段下 2m 长固结套管，并外露 0.4m 以便安设孔口三通和孔口防喷装置，套管与钻孔之间采用 AB 料固孔。固结套管管口与钻杆之间的空隙采用组合法兰盘密封防喷。 通过孔口三通 90mm 支管将瓦斯、水、煤渣引入水封式气水煤分 离器中。气水煤分离器分离的瓦斯含有大量水汽，经过集气筒上的 90 集气管进入密闭式集气箱进行水气分离，密闭式集气箱上的 90mm 集气管与 325mm 抽采管联通，集气箱底部收集的冷凝水 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 3 通过 108mm 管路流入积水箱内。积水箱底部设放水阀。汽水煤分 离器分离的渣水靠自重分离到铁桶内，铁桶桶壁 0.8m 高度位置焊接 108 溢流管。溢流时水通过管路依次流入 1#沉淀池、2#沉淀池、 水仓内。气水煤分离器的集气筒底部焊接 3 个支腿，支腿底部用螺 栓固定在铁桶桶底。 掘进迎头 6m 留设 1m 高台阶，台阶底板并排铺设 3m 长坑木 4 根，间距 1m，硬化 0.2m 厚，向外有一 5%流水坡度。紧邻台阶砌筑 沉淀池，规格长 5.0m宽 2m深 0.5m。沉淀池四周应用砌块砌墙并 用水泥砂浆进行粉刷，底板浇筑混凝土 0.1m 厚，中间隔墙 0.5m 高， 外墙高 0.65m，两道墙上靠帮留出水口，规格宽 0.2m，高 0.1m。沉 淀池上并排铺设 5cm 厚木板 2 块，用钢管做拦杆防止人员失足落水。 外墙外砌筑梯道，方便人员上下。水仓利用一采西迎头已做水仓， 规格长 4.2m宽 4m深 1.5m。沉淀池和水仓之间靠帮挖毛水沟，规 格宽 0.3m高 0.2m。 f0.5 时，泵压取 12MPa，流量取 125L/min；f0.5 时，泵压 取 19MPa，流量取 200L/min。 水力排渣后，采用临时封孔器封孔进行瓦斯抽采，抽采时间不 少于 24h，然后再用封孔材料进行永久封孔。 4、排渣顺序 水力排渣钻孔终孔位置位于巷道轮廓线外 35m 处，根据影响 范围可布置排渣钻孔 610 个，在石门工作面的中央布置一个检查 孔。为避免各孔之间的卸压干扰，应先排巷道断面外的对角孔，再 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 4 排中间孔，最后排断面内的钻孔。 水力排渣设备及管路布置示意图见图二。 5、水力排渣消突有效影响半径测定 （1）流量测定法 根据瓦斯径向流动理论，瓦斯将由压力大的地方向压力小的地 方运移，由于空洞周围卸压范围煤体内的裂隙进一步扩大，煤层透 气性系数提高，瓦斯抽放量大幅提高。故可以对比分析排渣前后钻 孔瓦斯抽放浓度的大小来判别高压水射流的影响范围，即排渣有效 半径的距离。 以此为依据，将水力排渣的钻孔作为被考察孔布置在中央，其 他考察孔布置在四周，其中相临抽放孔 1 个，隔一个抽放孔 2 个， 隔 2 个抽放孔 1 个。先施工考察孔，每完成一个钻孔立刻进行连抽， 测定钻孔瓦斯的浓度和流量。最后施工被考察孔，进行水力排渣。 开始排渣时每隔 5min 测定一次考察孔的钻孔流量，共测定至少 5 次。 （2）压力测定法 在流量法测定排渣有效影响半径的基础上，选定周边 2 个抽放 孔作为考察孔，采用压力测定法对流量法测定的有效影响半径进行 验证。测定方法及频次同流量测定法。 四、技术要求四、技术要求 1、影响排渣效果的要素：水量、水压、排渣钻头孔眼设计、钻 杆直径与孔径差、煤的坚固性系数等。 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 5 供水量不变时，孔眼个数越少、孔眼直径越小，水压越大，排 渣越多，如果钻杆直径与孔径差过小，容易堵塞钻孔，造成喷孔或 埋钻；反之，供水量不变时，孔眼个数越多、孔眼直径越大，水压 越小，排渣越少，甚至排不出渣。煤越硬，需要的水量越大、水压 越高、钻杆直径与孔径差越大。 2、高压水管、高压压力表、高压闸阀、高压水辫、钻杆承压能 力应与高压水泵的压力相匹配，且不低于高压水泵的压力。 3、高压管、水辫、钻杆等接头必须加装密封装置，减少漏水， 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 6 附图二：水力冲孔设备及管路布置示意图 水仓 2#沉淀池 1#沉淀池 矿用水力 冲孔装置 钻机 密封法兰盘 水煤气分离装置 集气箱 积水箱 排 渣 三 通 水辫 90 高压压力表 113 108 94 108 108 32 32 水 沟 113 108 94 A A 108 高压水表 水泵 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 7 确保高压泵压力不小于 18 MPa。 4、排渣地点 20m 范围内应安设高压抗震压力表和卸压阀，合 理控制排渣压力，并满足快速卸压需要。 5、利用穿层钻孔高压水力排渣，可根据单孔排出煤量等效果判 断，确定排渣间隔一个孔或两个孔，但应保证钻孔间不存在空白带。 6、孔口防喷装置和气水煤分离器完善可靠，避免瓦斯泄漏超限。 7、施工后喷孔严重的应进行临时封孔预抽，再次启封排渣前应 重新透孔，然后实施高压水力排渣。 8、高压水力排渣后的穿层钻孔应严格按照“两堵一注”封孔的 方式实施带压封孔。 9、高压水力排渣过程中出现相邻钻孔冲透串孔时，本钻孔停止 排渣，下一排渣钻孔应间隔一定距离。 10、气水煤分离器的煤应由专人随时捞出装入编织袋内，装满 后及时扎口并计数。一级沉淀池和二级沉淀池挖出的煤泥也要装袋 计数。一个沉淀池清挖时必须使用另一个沉淀池。 11、应建立高压水力排渣管理台账，详细记录钻孔孔号、班次、 见煤深度、穿煤长度、排渣压力、排渣时间、排出煤量等参数以及 排渣操作人员等内容。 12、高压水力排渣钻孔单列或单组总排出煤量应在钻孔竣工图 上详细标注。 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 8 五、效果指标五、效果指标 1、倾角在 0及以上的穿层钻孔，排出煤量应达到平均控制煤 体煤量的 610。 2、倾角在 0以下的穿层钻孔，排出煤量应不小于平均控制煤 体煤量的 3。 3、按照每个孔排出煤量累计相加，计算排出煤量与措施控制范 围内的煤储量的比值，作为排出煤量考核指标。 4、严禁以排代抽，排渣指标不得作为消突指标，排渣地点必须 严格按照规定进行抽采达标评判。 六、安全措施六、安全措施 1、高压泵站距离排渣地点不小于 50m，附近 5m 范围内必须安 设甲烷传感器。高压泵站以及其他所有电气设备必须实现甲烷电、 风电闭锁。 2、工作地点附近安设直通调度室的电话，确保通讯畅通，供水、 供电、通风以及瓦斯监测等方面一切正常。 3、排渣地点压风自救装置无风、风量不足、消防设施、灭火器 材及安全设施不到位时，严禁开钻。 4、排渣前检查钻场工作面围岩及顶板支护情况，随时进行敲帮 问顶。钻机、水泵摆放平稳，打牢压紧。各类电气设备、管线、钻 杆、工具要放在巷道的同一侧，分类码放，吊挂整齐。 5、作业人员必须衣扣整齐，灯带系好，开钻后与钻机保持一定 距离。打钻排渣作业时两金属物不准互相撞击。 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 9 6、排渣钻场地点必须设专职瓦检员，且在排渣地点悬挂便携式 甲烷、一氧化碳报警仪。回风流中甲烷浓度达到 0.8时立即停止作 业，撤出人员并汇报调度室。 7、排渣过程中必须随时对孔口的甲烷浓度进行检查，以钻孔为 圆心，半径 0.4m，距岩壁 0.6m 以外，瓦斯浓度不得超过 0.8%，距 岩壁 0.20.6m 以内，瓦斯浓度不得超过 2%（距岩壁 0.2m 以内不做 限制） ，否则必须停止打钻，撤出人员。 8、钻机要稳牢固，防止高压排渣时钻机移动或倾倒。 9、开钻前，至少开泵试运转 1 次，检查系统的可靠性。检查钻 机是否运转正常，高压水管路是还连接紧密牢固，保证高压水管路 每个连接处都有“U”卡，不得用螺栓代替。 10、采用钻机推动钻杆排渣时，应首先检查确认钻杆、高压胶 管、高压水辫等处是否连接牢固、固定可靠。待高压水泵出水压力 达到要求后，开动钻机匀速推进钻杆进行排渣作业。 11、在操作排渣过程中严格控制钻机加压量，保证不因压力过 大导致钻孔偏斜、钻杆夹死，或堵塞钻头（打闷） 。出现动力现象 （如顶钻、夹钻、喷孔等） ，必须停止排渣。 12、排渣时，所有人员严禁站在钻机后方，防止回转器卡不牢 钻杆时，钻杆快速退出伤人。 13、排渣过程中要反复进退钻杆，尽可能多排煤，并注意观察 钻孔是否正常出水和煤，防止摩擦产生高温引燃瓦斯、煤尘。排渣 确实困难时，不准硬给压力，应继续进行反复排渣。 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 10 14、排渣时应分段排，均匀钻进。钻机推进完一根排渣钻杆时， 若孔口仍有大量的煤渣排出，应缓慢推拉钻杆直到钻孔内返水量正 常，且排出煤渣显著减少后，方可结束该根钻杆的排渣作业。 15、应在钻孔返水正常时接卸钻杆，以防止堵孔和卡钻。钻孔 出现淤煤堵塞现象时，必须查清原因进行处理，淤煤排出后方可继 续排渣。 16、不得带压拆接高压管路、钻杆，拆接时必须先关停高压水， 待排渣三通排出停止时方可取开钻杆（卸压后） 。在人工取下钻杆及 加钻杆时，钻机的控制开关必须打到停止位置，不得违章作业。必 须采用钻机排渣，严禁人工排渣。 17、排渣过程中要设专人观察钻孔的出水和排渣情况，严禁人 员正对排渣钻孔站立和行走。发现钻孔停止排出水、煤、有毒有害 气体涌出、喷孔等异常情况时，必须停止打钻，停电撤人，采取措 施进行处理，并向调度室汇报。 18、排渣过程中应根据煤层赋存条件和巷道布置情况控制单孔 排出煤量，以防止排渣空洞过大、避免后期掘进支护困难。 19、高压水力排渣作业前应做好预知预判，水力排渣作业期间， 对可能影响的巷道，必须严格执行站岗警戒、撤人断电制度，避免 无关人员误入排渣影响区域。 20、排渣地点的回风系统存在冒顶、片帮、断面不足、回风不 畅等重大安全隐患，必须及时组织处理，修复之前严禁进行高压水 力排渣作业。 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 11 21、实施水力排渣期间，两道风门以里严禁从事其他扰动煤体 的作业活动。 22、气水煤分离器分离出的煤渣应及时装袋码放整齐，装车运 走，不得影响通风、施工和人员通行。施工后方靠帮挖水沟，附近 底板应平整并向水沟方向留设不小于 10的流水坡度。 23、每班排渣情况由当班组长填好排渣记录，做到详细准确。 24、施工单位必须有管理人员现场跟班指挥。 七、防治瓦斯超限措施七、防治瓦斯超限措施 （一）原因分析 1、穿层钻孔初见煤体或进入软煤发育区时，由于钻孔打破了原 有瓦斯赋存平衡状态，致使煤层中大量的高压瓦斯瞬间解吸，喷出 钻孔引起瓦斯超限。 2、软煤发育区瓦斯含量高，钻孔塌孔严重，积渣堵塞钻孔后排 渣不利，当压力聚积到一定程度后，煤渣与瓦斯突然喷出，引起瓦 斯超限。 3、钻机退钻过程中，由于退钻速度快，大量的瓦斯和煤体快速 涌出，引起瓦斯超限。 4、穿层钻孔进行水力排渣期间，由于高压水体快速剥离煤体， 大量的瓦斯及煤渣在高压水流的作用下瞬间喷出钻孔，引起瓦斯超 限。 5、打钻期间不使用防喷装置，造成喷孔时瓦斯直接进入巷道风 流中，引起瓦斯超限。 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 12 6、防喷装置抽采连接管管径细或防喷装置与钻杆接触区域封闭 不严等原因，造成喷孔时部分瓦斯进入巷道风流中，引起瓦斯超限。 7、巷道配风量小，不能有效稀释打钻期间涌出的瓦斯，引起瓦 斯超限。 （二）防治措施 1、管理措施 （1）通风系统合理可靠。 （2）探测煤层和瓦斯基础参数，弄清瓦斯赋存状况。 （3）瓦斯监控有效可靠。 （4）加强电气设备管理，杜绝失爆。 （5）加强打钻地点的监督检查，确保措施到位。 （6）加强防突培训，提高安全防护意识。 2、技术措施 （1）保证施工地点配风量。 （2）确保钻孔排渣全程连抽。 （3）使用防喷装置。 （4）提高各连接部位密封性能。 （5）合理安排钻孔施工顺序，充分利用已连抽钻孔的卸压作用， 降低喷孔强度。 （6）增加气水煤分离器抽采三通。 （7）排渣过程中，根据钻孔瓦斯涌出情况及时调整钻进速度。 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 13 （三）处置措施 1、打钻期间发生喷孔时，必须立即停钻，且不得拔出钻杆，1 小时后待瓦斯涌出稳定，方可重新开钻。 2、水力排渣期间，造成瓦斯超限时，必须立即停泵、停水，待 瓦斯涌出稳定后，方可恢复正常工作。 3、瓦斯超限后，必须按措施规定立即断电、撤人、汇报，风流 瓦斯浓度恢复正常后，人员方可进入工作。 4、打钻和排渣期间，严禁人员正对钻孔，防止喷孔伤人。 5、打钻和排渣期间瓦斯超限后，要认真进行原因分析，采取针 对性措施，并形成分析报告。 八、其他八、其他 本方案与一采西 4#鉴定巷揭煤防突专项设计一并执行。 附表：附表： 1、高压水表记录表 2、高压压力表记录表 3、钻孔施工记录表 4、水力排渣记录表 5、抽放参数记录表 6、水力排渣记录汇总表 7、水力排渣影响半径观测参数表 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 0 高压水表记录表高压水表记录表 月 日 班 观测时间 （时：分） 流量 (m3/h ） 初始 读数 (m3) 期末 读数 (m3) 消耗 水量 (m3) 现象及问题 起 止 起 止 起 止 起 止 起 止 起 止 起 止 起 止 起 止 施工人员： 记录员： 丰汇煤矿一采西 4#鉴定巷高压水力排渣方案 1 高压压力表记录表高压压力表记录表 年 月 日 班 孔号 时间 （时：分） 表压 （M