（安全技术及工程专业论文）水力挤出消突措施合理注水压力研究.pdf

a b s 订a c t s t u d yo nt h er 丑t i o 曲jw 曩t e rp r e s s u r eo f i l y d r 蛐h ce x t s i o nm e a s u r e 王y d r a u l i ce x 劬j s i o nm e a s l l r ei san e wd e v e l o p i n gm e a s u r ea g a i n s tc o a la n dg a s o u t b u r s ti nr e c e my e a r s t h ea c 挑址r e s u l t so fa p p l y i n gi ns o m eo u t b u r s tm i n e ss h o w l a t t h em e a s u r e 矩i a 洫s to u t b 嘣i s f e a t i v e t h c r ea r em 托yi n e 缸c sb yu s i n g 也em e a s u r e f o rc x 锄p l c t l l eq 啪t 时o fc o n s 劬c t i o ni sl i 札l e t h er a t eo fe x c e e d i n gs t a n d a r do f c h e c l i n gh o l ei sl o w 也ew o r k i g 目l v i r o n m e mi sh t t 盯m a nb e f o r c a tp r e s e n t p e o p l e 掣a d l l a l l yr e a l i 髓 哑h y d 豫u 王i ce x m l s i o ni sal i 帕o fm e 嚣u r et l l a tc a np r e v e n to u t b l l f s t e 丘b c t i v e l y b u t 锄b i g u o u s l yu n d e r s t a i l dt h e 栅o n a lp a r a m e t e r so ft h em 髓s u r e e s p e c i a l l yt h er a l 如n a lw a t e rp r e s s u r e i nt h i sp a p 也e o r ya n a i y s e sa n da 咖a ls u r v e y a i l dc o m p u t e rn 岫e r i c a ls i i n u l a t i o ni sl l s e dt 0 觚a i y z em ep r o c e 血 o fh y d r a u l i c e x 缸j s i o nm 饿l s u r e t h em d o n a lc r a c k i n gw a t e rp r e s s u r ea n d 也ew a t e rp r e s s l l r eo f m a i m a i 恤gd e v e l o p m e n ti sa n a l z e d t h en e we l a s t i c p l a s t i c i 哆d y n a m i cm o d e lo f h y d r 鲫匡i ce 栅s i o nm e a s u r ci sc r e a t e d l a r g e s c a l en 砌e r i c a ls i m u l 撕o ns o m v a r c a n s y si su s e dt oi m i 诅t ea n ds o l v ct h eh y 幽n d i ce x 咖i o nm s l 珊a t 也e v i n g w o r k i n gf k e c o m p a r e d 也e 也 r yw a t e rp r e s s u r c 粕ds i m u l a d o nw a t e rp r e s s u r e c o m b 主n e d v i t ht 1 1 er e a l i 吼吐圮p l a s t i c 时c o r i e c t i l l gc o 胡i c i t 九i sd e s i g n e d t h e p r o c e d u r eo fc n l s h i n gc o a lo fh y d r a u 匡i cm 船s u c o n c l u d e sa b o u t4p a n s f i r s t 王y t h e p 删yc o a lb o d yi sw e t t c db yl o wi l l j e c t i n gw a t c rp r e s s u r e t h em e c h 强i cp r o p e n yo f t h i s a lb o d yi sc h 觚g e d 1 ke la s 如时o f c o a lb o d yi sr e d u c e da 耐t i 幢p l 枷c 畸o f i t i si n c 愀da n d 也es e c 砸t yo f 也em e a s u r ci sc 1 1 l l a n c e d s e c o n d l y m ec r a c ki s p m d u c e d o rt l l ee x i s tc r a c ki se x t e n d c db ym i d d l e 城曲嘲e c 血gw a t e rp r e s s u r e t h i r d l y 也ec o a lb o d yi s p 2 l 媳t e dm u t u 丑1 i nm i ss 协g e t h ev e n i c a lc r a c ki sc h a n g e di m o h o r i z o h t a lc r a c k fb e t w e e nm ec o a lb o d ya 1 1 dr o o fo ri n 也ec o a lb o d i e s 协es e p a r a t i o ni s p r o d u c 嗣 t h ep a m yo rw h o l ec o a lb o d yi sm o v e dt om ew o r k i n gf k e a tl a s t 也c a t e rp r e s s u r ci sd c c 糟雒e db y3 0 o fp e a kv a l u eo fw a t c rp r e s s l l r e i n j e c t i i l gw a t e ri s s t o p p e d 鼬dm em e 髂u i sf i l l i s h e d km i sp a p e r 3i m p o r t a n tw a t e rp r e s s u r e so f h y d r a u l i ce t m s i o nm e a s u r ea r cf 0 吼d t h ei 1 1 i t i a lc m c k i n gw a t e rp r c s s u r ei sp b t h e c r a c kd e v e l o p m e n tw a t e rp r e s s u f ei s 只 f o rv e f t i c a lc r a c k 尸h f o rh o r i z o n t a lc m c k k e y w o r d s h y d r a u l i ce 帆s i o nm e a s u r e t h e o r ya n a l y s e s n 帆e r i c a ls i m m a t i o n r a 垃o n a ld r e s s u r e 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果 论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外 不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 其他同恚对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意 本人学位论文与资料若有不实 愿意承担一切相关的法律责任 学位论文作者签名 盘 l 茎 i 多年6 月乒日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻 读学位期闻论文工作的知识产权单位属于焦作工学院 学校有权保馏 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 本人允许论文 被查阅和借阅 学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 保密论文特解密后适用本声明 学位论文作者签名 壶l 量 o g 年6 月4 日 第l 章绪论 1 1 引言 1 绪论 煤是我国最主要的能源 目前 煤炭在我国能源一次消费构成中约占7 0 但煤矿事故一直困扰着煤矿安全生产 在煤矿重大灾害事故中 7 0 f 1 以上是瓦斯 事故 据统计 l 1 9 9 0 1 9 9 9 年我国煤矿共发生三人以上的事故4 0 0 2 次 共死亡 2 7 4 9 5 人 其中瓦斯事故2 6 2 7 次 死亡2 0 6 2 5 人 瓦斯事故次数和死亡人数分别 占6 9 1 4 和7 5 0 l 2 0 0 2 年煤矿灾害事故中 瓦斯事赦次数和死亡人数分别占 2 1 和4 6 0 4 我国是世界上煤与瓦斯突出事故最为严重的国家 截至2 0 0 4 年 我国已有2 0 个省区的矿井发生了突出 仅国有煤矿就有突出矿井2 5 0 多处 共发生突出近两 万次 强度超过千吨的特大型突如就有1 0 0 多次 超过世界上其它国家煤与瓦斯 突出次数的总和 近年来 随着煤矿开采深度的增加 一些低瓦斯矿井或高瓦斯 矿井逐步成为突出矿井 突出次数日渐增多 造成的灾害也日益严重 从2 0 0 0 年 1 月至2 0 0 4 年9 月 共发生造成人员伤亡的突出事故1 8 4 起 死亡5 9 8 入 占瓦 斯事故起数的3 2 6 8 死亡人数的2 1 1 8 瓦斯突出还容易灾交成群死群伤的恶 性事故 2 0 0 4 年l o 月2 0 日 河南省郑州大平煤矿由于瓦斯突出引起的瓦斯爆炸 事故 造成1 4 8 人死亡 4 0 多人受伤 可以看出 煤与瓦斯突出事故是影响煤矿 安全的重大隐患 根据对发生突出的作业地点统计 l 突出多发生在煤巷掘进工作面 约占突出 总数的7 0 以上 平均突出强度达到6 6 9 f 次 煤巷掘进过程中频繁的突出已经成 为煤矿工人生命安全的主要威胁 由于频繁的突出 在巷道掘进过程中不得不采 取防突措施 为了防止突出 吨煤成本普遍增加 有的矿井甚至高达3 0 竹 给企 业造成7 沉重的负担 复杂的防突工艺 使得煤巷掘进速度十分缓慢 大多数突 出矿井的煤巷掘进速度只有5 0 6 0 扎 m o n 采掘平衡严重失调 尤其是严重突出 矿井采掘效率低 平均掘进速度甚至不超过3 0 珊锄o n 经营状况举步维艰 甚至 破产关闭 因此 研究煤巷掘进工作面高效消突措施 提高巷道掘进速度 对突 出矿井安全生产和高产高效具有重大的实用价值 水力挤出措施作为一种近几年新兴起来的防突措旅 在焦作 梁北 鹤壁 河南理工大学硕士学位论文 峰峰 韩城等矿区进行了试验并取得了良好的防突效果 水力挤出措施和超前排 放钻孔措施相比 具有施工工程量小 校检超标率低 作业环境舒适等优点 消 突效果十分显著 可以提高掘进速度5 0 1 0 0 尽管人们逐步认识了该项措施 的良好消突效果 对其防突机理也有了 定的研究 但是对措施合理注水参数的 选择 尤其是合理注水压力的选择仍然处于摸索阶段 如果注水压力太小 工作 面前方煤体不能向自由空间发生位移 达不到应有的消突效果 如果注水压力太 大 工作面前方煤体向自由空间发生的位移量过大 容易诱导突出 因此 需要 对水力挤出措施合理注水压力作进一步研究 1 2 课题综述及国内外研究动态 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种极其复杂的动力现象 2 1 它能在极短的 时间内 向巷道中突然喷出携带巨大能量的瓦斯一一粉煤流 推倒矿车 破坏支 架 掩埋人员 有的特大型突出甚至可以造成风流逆转 充填数千米长的巷道 煤与瓦斯突出已经成为威胁煤矿安全生产的严重自然灾害之 1 2 1 国内外研究动态 学术界普遍认为1 2 5 1 6 j 煤层中地应力和瓦斯压力是突出的主要原动力 煤层 是受力体 是破碎和抛出的对象 采掘工艺条件是突出发生的外部诱导因素 基 于这种认识 防止突出措施一般分为区域性防突措施和局部防突措施 区域防突 措施的目的是消除煤层某一较大区域 如一个采区 的突出危险性 优点是在突 出煤层开采前 预先采取防突措施 措施施工与突出危险区的采掘作业互不干扰 且其防突效果一般优于局部防突措施 故在采用防突措施时 应先选用区域防突 措施 局部防突措施的作用在于使工作面前方小范围煤体丧失突出危险性 局部 防突措施仅在预测有突出危险的采掘工作面应用 各类防止煤与瓦斯突出措施如 表1 1 所示 河南理工大学硕士学位论文 峰峰 韩城等矿区进行了试验并取得了良好的防突效果 水力挤出措施和超前排 放钻孔措施相比 具有施工工程量小 校检超标率低 作业环境舒适等优点 消 突效果十分显著 可以提高掘进速度5 0 1 0 0 尽管人们逐步认识丁该项措施 的良好消突效果 对其防突机理也有了一定的研究 但是对措施合理注水参数的 选择 尤其是合理注水压力的选择仍然处于摸索阶段 如果注水压力太小 工作 面前方煤体不能向自由空间发生位移 达不到应有的消突效果 如果注水压力太 大 工作面前方煤体向自由空间发生的位移量过大 窖易诱导突出 因此 需要 对水力挤出措施合理注水压力作进一步研究 1 2 课题综述及国内外研究动态 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种极其复杂的动力现象啪 它能在极短的 时间内 向巷道中突然喷出携带巨大能量的瓦斯一一粉煤流 推倒矿车 破坏支 架 掩埋人员 有的特太型突出甚至可以造成风流逆转 充填数千米长的巷道 煤与瓦斯突出已经成为威胁煤矿安全生产的严重自然灾害之一 1 2 1 国内外研究动态 学术界普遍认为1 2 嗍问 煤层中地应力和瓦斯压力是突出的主要原动力 煤层 是受力体 是破碎和抛出的对象 采掘工艺条件是突出发生的外部诱导因素 基 于这种认识 防止突出措施一般分为区域性防宪措施和局部防突措施 区域防突 措施的目的是消除煤层某一较大区域 如一个采区 的突出危险性 优点是在突 出煤层开采前 预先采取防突措施 措施施工与突出危险区的采掘作业互不干扰 且其防突效果一般优于局部防突措施 故在采用防突措旌时 应先选用区域防突 措施 局部防突措播的作用在于使工作面前方小范围煤体丧失突出危险性 局部 防突措施仅在预测有突出危险的采掘工作面应用 各类防止煤与瓦斯突出措施如 防突措施仅在预测有突出危险的采掘工作面应用 各类防止煤与瓦斯突出措施如 表l 一1 所示 第1 章绪论 表l l 防止突出措施 1 a b l e l lm e 私u r e sf o r p 他v e n t i o no u t b u r s t 区域性防突措施局部防突措施 开煤煤超松卸水水水超掩扩 采层层前动压力 力 力前护孔 保瓦注排 爆槽挤冲压支挡卸 护斯水放破出孔裂护 板煤 层抽钻 钻 放孔 在国外 2 自从1 8 3 4 年法国鲁阿雷煤田依阿克矿井发生第一次煤与瓦斯突出 以来 至今已有2 2 个国家和地区发生过煤与瓦斯突出 西方一些发达国家 如日 本 美国 澳大利亚等国由于煤炭开采成本和生产安全等原因 多数已经关闭了 突出矿井 所以近年来对煤巷掘进防突技术研究较少 前苏联是突出比较严重的 国家之一 在煤巷掘进防突技术方面进行了较为全面的研究 1 9 6 8 1 9 7 2 年期间 预防煤和瓦斯突出的方法主要有 5 l 口6 f 3 9 l 开采解放层 超前 卸压 钻孔 向煤层高 压注水 这些方法被用在9 7 的工作面 在此期间 马凯耶夫煤矿安全研究院提 出了沿巷道周边开卸压槽方法的防突措施 即采用打钻 掘进机组 水力冲刷或 爆破的形式 在工作厩前方形成一定高度 o 3 o 4 坍 的卸压槽 其宽度与巷道相同 工作面得到卸压和排放瓦斯 在彼得洛夫斯克斯矿和巴日阿诺夫矿试验应用 取 得了一定的效果 但由于措施超前距较小 在严重突出危险工作面难以有效的预 防突出 马凯耶夫安全研究院还提出了煤体水力破裂法 研究了水力疏松 水力 挤出和低压湿润煤体等防突措施 在顿巴斯等矿区的突出危险煤层掘进巷道广泛 应用 在高压注水的同时 注入4 的盐酸加表面活性剂的水溶液 使煤中碳酸盐 溶解形成 定的裂隙 实践中已取得了一定的效果 据统计 5 1 1 9 8 7 年前苏联东 部煤田和北部煤田的矿井中 采取防突措施的有1 6 7 个煤巷掘进工作面 其中1 4 8 个工作面采用水力疏松或水力挤出措施 瓦斯涌出量明显降低 防突效果十分显 著 在我国 自1 9 5 0 年吉林省辽源矿务局富国西二坑首次发生突出以来1 2 国内 科研院所的专家和突出矿井的技术人员针对无解放层可采的煤层条件 先后试验 了松动爆破 超前排放钻孔 深孑l 控制卸压爆破 水力冲孔等多项防突措施 有 效降低了煤与瓦斯突出的强度和突出次数 取得了明显的效果 然而这些措施仍 河南理工大学硕士学位论文 然具有局限性 如松动爆破措施主要适用于煤质较硬 突如强度较小的弱突出煤 层 在严重突出危险工作面实施则容易诱导突出 超前排放钻孔措施施工时间长 措施孔有效作用距离短 效检超标率高 补充措施频繁 深孔控制卸压爆破措施 由于装药工艺没有根本解决 操作比较复杂 不利于推广应用 水力冲孔措施主 要适用于石门揭煤时或自喷能力强的软煤分层 1 2 2 几种水力化措施的对比分析 据调研 目前全国严重突出煤巷掘进应用最普遍的局部防突措施仍然是超前 排放钻孔措施 约占突出矿井总数的8 0 但由于存在速度慢 工程量大和校检 超标率高等原因 近几年 水力化措施得到了研究和应用 水力化措旌 2 3 f 4 主要 包括煤层注水 水力冲孔 水力挤出 水力压裂等 这些措施的防突机理既有相 似点又不完全相同 其中 只有煤层注水属于区域性防突措施 其余几种措施都 属于局部防突措施 煤层注水是通过钻孔向工作面前方煤体进行低压注水 1 0 膨阳 以下 改变煤的力学性质 渗透性质以及煤层的应力状态 防止或减少采掘作业 时突出的危险 水力冲孔是利用压力水 1 0 2 0 招口左右 冲刷钻孔 随着钻孔深度 的加大 煤 水 瓦斯经过孔道向孔外排出 孔道周围煤体向孔道方向移动 同 时发生煤体的膨胀变形和顶底板的相向移动 引起钻孔周边煤 岩 体地应力降 低 卸压 裂隙增加 煤层透气性增高 从而起到防止煤与瓦斯突出的作用 水 力挤出是通过向采掘工作面前方打一定数量的钻孔 并进行中高压注水 几到十几 腻p 口 注水速度超过煤的渗透速度 使煤体破裂并向工作面方向移动 使近工作 面煤体卸压和排放瓦斯 水力压裂 2 9 p 1 1 是通过高压注水 一般几百腻阳 使工作 面深部煤体在水压的作用下发生张裂 产生水平和纵向裂隙 提高煤层的渗透性 增大瓦斯涌出量 释放煤体内部应力 从丽达到消突效果 水力挤出防突措施在国外只有前苏联有过应用 近年来 河南理工大学和焦 作矿务局在焦作矿区进行了水力挤出措旄防止煤与瓦斯突出研究 取得了良好的 效果 李志强在硕士论文 水力挤出措施防突机理及合理技术参数 一文中对水 力挤出措施防突机理进行了研究 认为实施水力挤出措施后 工作面前方的煤体 力学性质发生变化 弹性降低 塑性增加 弹性潜能缓慢释放 发动突出的危险 性降低 注水后掘进工作面前方煤体卸压带加长 集中应力带前移 抵抗煤体突 出的能力加强 煤体湿润使瓦斯解吸困难 减弱了瓦斯在突出发展阶段的作用 第l 章绪论 于不凡教授在 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 中对水力挤出措施原理 工 艺参数等也作了简要介绍 目前 在现场实施水力挤出防突措施过程中 注水压 力等参数往往需要根据具体的煤层条件进行现场摸索 花费时间较长 因此 很 有必要对水力挤出措施合理注水参数 尤其是合理注水压力进行研究 1 3 存在问题及研究内容 1 3 1 存在问蔗 水力挤出作为一种防止突出的措施 虽然效果十分显著 但由于应用时间较 短 人们对它的认识还不深入 依然存在很多问题 1 水力挤出措施过程中 煤体是如何破坏的 不同的注水压力对煤体的破 坏过程有什么影响 煤体的破坏机制和强度准则是什么 依然不是十分清楚 2 缺少一套确定合理注水压力的方法和计算公式 现场实践中 注水参数 尤其是注水压力一般需要现场长时期试验摸索才能获取 既浪费时间 又存在安 全隐患 1 3 2 研究内容及技术路线 本论文研究的目的是 根据现场数据 结合理论分析和计算机数值模拟 研 究水力挤出措施过程中煤体的破坏机制 探询计算水力挤出措施消突措施的合理 注水压力的方法 主要内容包括 1 水力挤出防止煤与瓦斯突出措施的现场试验及历史资料分析 2 水力挤出前后工作面前方煤体卸压带 应力集中带 原始应力带的范围 测算方法研究 3 建立水力挤出措施力学模型 利用理论分析和计算机数值模拟相结合的 方法得到水力挤出措施过程前方煤体的破坏机制 4 基于煤 岩 条件的水力挤出防突措施合理注水压力计算方法的研究 论文研究所采用的技术路线如图l l 所示 河南理工大学硕士学位论文 图1 l 技术路线流程图 f i g l 1f 1 0 wc h a r to f t c c l l l l i c a lp r o c e d 眦 6 第l 章绪论 1 4 研究特色 采用现场实测搜集第一手资料 保证论文中数据的可靠性和真实性 理论分 析得出合理开裂压力 合理开裂地点及维持裂缝扩展的压力 现场实测 理论研 究和计算机数值模拟相结合 确定水力挤出防突措施过程中煤体破坏机制和合理 的注水压力 河南理工大学硕士学位论文 2 水力挤出措施现场试验研究 水力挤出措施是通过向掘进 i 作面前方煤体打一定数量的钻孔 并进行中 高压注水 使煤体破裂并向工作面自由端方向移动 加快工作面前方煤体的卸压 和瓦斯排放 从而达到防止突出的目的 2 1 现场试验研究的内容和目的 本次试验研究的内容和目的是 了解矿井及试验工作面基本情况 在有突出 危险的掘进工作面实施水力挤出措旖 观测记录注水前和注水后钻屑量s 值 瓦 期涌出初速度g 值 煤的坚固性系数 值以及各项瓦斯参数 对比分析水力挤如措 施的防突效果 并为后期计算机数值模拟提供原始数据 掘进工作面的作业流程 如图2 1 所示 图2 一l 掘进工作面作业流程图 f i g2 l r k i i l gn o wc h mo f i l j n gf k e 第2 章水力挤出措施现场试验研究 2 2 现场试验地点概况 水力挤出措施在河南的焦作 梁北 鹤壁以及河北的峰峰等各地都有应用 取得了非常好的防突效果 本次试验选择在瓦斯突出非常严奏的陕西韩城矿务局 桑树坪煤矿 2 2 1 矿井概况 桑树坪煤矿位于渭北煤田韩城矿区最北端 黄河的西岸 与韩城市赢距约 3 5 b 竹 井田的基本构造形态为走向北北东 倾向北西西 沿走向与倾向有波状起 伏的单斜构造 地层倾角一般在8 左右 井田内含煤1 3 层 可采煤层有2 4 3 4 1 14 共三个煤层 其中3 煤层为主采煤层 埋深5 4 l m 平均厚度为6 6 4 m 桑树坪煤矿采用平峒一一斜井开拓方式 计划生产能力3 0 0 万吨 年 9 1 年核 定生产能力为2 1 0 万吨 年 矿井服务年限为1 7 4 7 年 目前全矿拥有5 个采煤工 作面和9 个掘进工作面 采煤方法以炮采为主 矿井采用多井口进风分区抽出式通风方式 装备有g 4 7 3 1 1 n 0 2 4 k z f 一 6 6 一n 0 2 4 b d k 一1 0 n 0 2 4 型风机共三台主扇 总进风量1 3 6 3 7 研3 加胁 总回风 量1 3 7 6 6 m 3 加加 矿井绝对瓦期涌出量最小值4 1 0 搠3 加拥 最大值5 3 o o m 3 砌胁 相 对瓦斯涌出量最小值1 7 1 m 最大值5 3 3 m 3 r 瓦期涌出量变化比较大 桑树坪 煤矿为煤与瓦斯突出矿井 自1 9 7 8 年l o 月7 日首次发生煤与瓦斯突出以来 截 至到2 0 0 4 年8 月份 全矿共发生煤与瓦斯突出1 3 6 次 最大突出煤囊为5 4 9 f 瓦 斯量为4 9 3 0 3 m 3 煤与瓦斯突出已经成为制约该矿安全生产的最大障碍 2 2 2 试验工作面概况 水力挤出防突试验选择在突出危险性较大的4 3 1 9 掘进工作面进行 4 3 1 9 掘进 工作面3 煤层厚度5 8 3 埋藏深度5 3 6 5 4 4 川 瓦斯含量8 9 州3 厅 直接顶为 砂质泥岩 直接底为砂岩 34 煤层之下有一厚度0 3 5 肌的煤层 煤体破坏类型为 i v 类 均为突出危险煤层 掘进工作面断面为拱形 水平净宽3 5 脚 中线净 高2 8 m 断面积约为1 0 m 2 4 3 1 9 掘进工作面在实施水力挤出措施以前 采用前探钻孔和超前排放钻孔相 9 河南理工大学硕士学位论文 结合的防突措施 钻孔布置如图2 2 所示 由于钻孔施工工程量大 措施周期长 校检超标率高等弊病 平均掘进速度仅为3 5 砌 玎 采掘接替十分紧张 急需找 到一种更有效的防突措施来提高掘进速度 厂 卜 蓊 一 l b 1 8 1 6 j o 乜 静 04 j o 4 一 3 j i l l 说 1 帮 2 1 一 放 膏i 面 圈2 2 前探孔和超前排放钻孔布置示意图 f 噜2 2s k e 钯hm a po f d 毗e 甜o nd r i l l i n gh o l c dp m c d i n gr e l e a s eh o l e 2 3 现场试验测定 2 3 1 测试仪器及测定方法 水力挤出措施实施期间 主要测定注水前后掘进工作面钻孔钻屑量s 值 钻 孔瓦斯涌出初速度g 值 煤层坚固性系数厂值 工作面瓦斯涌出量等 下面分别介 绍各参数测试仪器和测定方法 0 黼 瓣毓 第2 章水力挤出措施现场试验研究 1 钻屑量s 测试仪器及方法 6 j 钻屑量测定采用的是重量法 用剖2 挣聊的煤电钻在工作面前方煤体中打钻 每钻进1 肌收集全部钻屑 用弹簧稃称重测定钻屑量s 2 钻孔瓦斯涌出初速度口值测定仪器及方法嘲 巧值测定采用抚顺分院设计的z d l 一1 型多级流量计 如图2 3 所示 配合 j n 一1 型胶囊封孔器 如图2 4 所示 测定 在工作面前方打刚2 棚聊的钻孔 当打到测定位置后 将钻屑排净 用打气筒向胶囊封孔器充气管中充气 此时胶 囊封孔器胶囊充气膨胀而封闭钻孔 预留o 5 聊测量气室 同时打开连接在胶囊 封孔器测量管末端的多级流量计旋塞 读取水柱计两端水柱凹面处刻度 水柱差 值即为碍值 要求封孔测定全过程要求在成孔2 肼加内完成 艺 咚 一湎 图2 3z d l l 型多级流量计示意图图2 4j n l 型胶囊封孔器示意图 l 一水柱计 2 一喷嘴 3 5 一旋塞 l 一胶囊 2 一测量管 3 一充气管 4 一进气嘴 6 一喷嘴底座4 一打气筒 5 一阀门 6 一测量室 f i 9 2 3s k e t c h m 印o f z i l 1 帅e 7 钻孔8 一压力表 9 一卡箍 m u 晡l e v e lf l a wm c t e r f i g2 4s k 眦c hm 印o f j n 1 i y p ec 印s u l ep l u g 1 w a l e t 巾l b e 2 e j e 酣o nt 鼢嘲e 3 p l u g d e v i c e 4 a d m i s s i n o 荭l e 5 p l u g 1 c a p s u l e 2 m e a s u r i n gt u b e 3 g a s f i l l e d 6 b 私eo f e j t i o nn o z z l e m b e 4 1 n n a t o r 5 v a v e 6 m e a s u r i n g h o u s e 7 d r i l l i n gh o l e 8 m 孤o m e t e r 9 h 0 0 p 3 煤的坚固性系数厂值测定方法f 6 煤坚固性系数测定采用落锤破碎测定法 简称落锤法 仪器 捣碎简 计量筒 分样筛 孔径2 0 m m 3 0 卅脚和o 5 肌m 各一个 天平 小锤 漏斗 容器 河南理工大学硕士学位论文 采样及制样 煤坚固性系数的测定对硬煤和软煤有不同的测定方法 如果是硬煤 沿新暴 露煤层的上 中 下部各采块度为1 0 跏左右的煤样两块 煤样采出后用塑料袋包 严 以防止风化 将煤样用小锤碎制成1 0 1 5 m 聊的小块 称取制备好的试样4 眙 为一份 每5 份为一组 共三组 测定步骤 a 将捣碎筒放置在水泥地板或2 c m 厚的铁板上 放入试样一份 将2 4 培熏锤 提高到6 0 0 m m 高度 使其自由下落冲击试样 每份冲击3 次 把5 份捣碎后的试 样装在同一容器中 b 把每组 5 份 捣碎后的试样一起倒入孔径0 5 m m 分样筛中筛分 筛至不再 漏下煤粉为止 c 把筛下的粉末用漏斗装入计量筒内 敲打使之密实 插入具有刻度的活塞 尺与筒内粉末面接触 在计量筒口相平处读取数 d 坚固性系数厂按下式计算 5 2 0 2 一1 式中 l o 1 5 一一坚固性系数 n 一一每份试样冲击次数 次 一一每组试样筛下煤粉的计量高度 m 删 如果是软煤 所取煤样粒度达不到1 0 1 5 用m 时 可采取粒度1 3 m m 煤掸进 行测定 并按下式进行换算 当 1 4 o 2 5 时 l o 1 5 1 5 7 l 3 一o 1 4 2 2 当 1 3 o 2 5 时厂1 0 l s l 3 2 3 4 其它参数测定 试验期间工作面瓦斯浓度 风量选择在掘进工作厩的回风口采用矿井现有 的监测仪器的记录测定 瓦斯涌出量按照试验期间统计的瓦斯浓度和风量相乘测算 1 2 第2 章水力挤出措施现场试验研究 2 3 2 注水前参数测定 1 钻屑量s 钻孔瓦斯涌出初速度仃测定 注水前 在工作谣正前方用煤电钻施工3 个直径4 2 月珊的预测钻孔 如图2 5 所示 钻孔施工过程中 每钻进1 m 收集全部钻屑 测定钴屑量 由于煤体太软 从钻孔1 5 肌处开始收集钻屑 前后1 5 次测定结果如表2 1 所示 图中空白处是 因为卡钻或喷孔而无法测到钻屑量 由于g 的测定工序比较复杂 且要预留o 5 肌 测量气室 故在离工作面2 5 研处开始测量 每钻进l 埘测定一次钻孔瓦斯涌出初 速度口 前后1 2 次测定结果如表2 2 所示 厂 a 1 8 擅 k 一 i o 口 2 h 0 融l 嘶i 萄 b 一蜡l 面 图2 5 水力挤出措施预测钻孔布置图 f i g2 5l a y o u tw a yc h a no f p r e d i c t e d l l i n g h o l eo f h y d r a u l i ce x 吣i o nm c a s u r e 表2 一l 钻属量s 统计表 h b l e2 ls 嫩i 乱i ct a b l eo f d r i u i n gc u m n 窑s 钻孔深度 m 1 5 2 5 2 5 3 53 5 4 54 5 5 5 5 5 6 56 5 7 5 钻屑量s 堙 3 2 46 76 85 3 5 平均值 坛 2 84 36 3 5 64 7 1 4 3 75 864 2 4 5 4 3 8 4 8 5 4 9 4 8 4 5 4 2 4 2 4 3 4 5 0 表2 2 瓦斯涌出初速度g 统计表 t a b l e2 2s 删鲥ct a b l eo f g 雏e m i s s i o ni i l i t 瑚v e l o c 时 2 值 瓦斯浓度及瓦斯涌出量测定 桑树坪矿4 3 1 9 试验工作面无明显的分层现象 目测全部为软煤 参考重庆分 院测定的数据 厂值为0 1 5 o 2 属于 i 类糜棱煤 1 4 5 4 2 l 8 2 9 配 似记们铋6 2 2 2 6 2 si眈他弧他 6 4 孙 m卯6 眈 4 牝4 4蛐锚蛐 枷 5 2 4 2 9 8 6 8 5 8 h 3 抽柚撕3粥4 弛川 第2 章水力挤出措施现场试验研究 工作面风量 瓦斯浓度及瓦斯涌出量平均值如表2 3 所示 表2 3 注水前工作面瓦斯参数 地点风量甜砌j h 瓦斯浓度 瓦斯涌出量甜加抑 4 3 1 9 掘进工作蔼 5 2 1 5o 3 2 1 7 5 3 测定数据分析 钻属量s 随预测孔深度变化规律 根据表2 一l 中的数据 做出平均钴属量s 随钻孔深度变化曲线如图2 6 所 示 钻孔的初始阶段 2 5 3 5 脚 钻屑量缓慢增大 3 5 晰以后随着孔深的增大 钻屑量迅速攀升 在5 m 左右出现极大值 5 m 以后随孔深的加大而慢慢减小 曲 线在6 5 7 5 珊之间逐渐趋于平缓 根据前人的研究1 5 1 7 5 坍以后钻屑量趋于稳 定 钻屑量s 的大小由三部分组成 与钻孔同径的煤柱形成的钻屑羹s 地应力 因素形成的钻屑量岛和瓦斯能量释放形成的钻屑量岛 在相同的煤层条件 钻孔 直径情况下 蜀为定值 岛 岛值则反映了掘进工作面前方煤体地应力和瓦斯潜能 的大小 因此 可以认为钻屑量沿孔深的变化规律与工作面前方煤体应力状态分 布基本上是一致的 5 o q7 6 删 蜒5 撂4 3 2 2345678 钻孔长度 m 图2 6 注水前预测孔平均钻属量随孔长变化规律 f i g2 巧r e g i l l w n yo fd r 1 i i n gc 删n g sa l o n gd r i l l i n gh o l eb e f b r e 嘲e c t i n gw a t e r 从图2 6 可以看出所测定的钻屑量预测指标普遍超标 尤以在4 5 5 5 历段 大多超出临界值 6 蛔 且在打孔过程中某些孔段曾多次出现喷孔现象 严重时 喷孔煤量达到1 0 1 5 船甚至更高 导致钻屑曩指标无法测定 打孔过程中 部分 孔段经常出现瓦斯压力大而使钻杆推进困难 顶钻现象严重 这些都表明试验工 作面具有严重的突出危险性 河南理工大学硕士学位论文 钻孔瓦斯涌出初速度g 值随预测孔深度变化规律 根据表2 2 中的数据 做出平均瓦斯涌出初速度g 随钻孔深度变化曲线如图2 7 所示 从图中可以看出g 值沿孔深变化具有这样的规律 从离工作面2 5 m 处 开始测定瓦斯涌出初速度 钻孔初始阶段 2 5 3 珊 q 值很小 随着孔深的加大 g 值也随之增加 并在3 4 5 m 内出现极大值 4 5 所以后又随着孔深的增加而缓 慢减小 i 一 卜i 22 633 5 4 555566 577 58 钻孔长度 m 图2 7 注水前预测孔平均瓦斯涌出初速度g 随孔长变化规律 f i g2 7r e g u l 耐t yo f g e m i i o ni 1 1 m a lv e j o c n ya l o n gd 嘲l i l l gh 0 1 eb e f o r ei n j e c t h l gw a t e r 钻孔瓦斯涌出初速度是一个全面反映煤体应力状态 瓦颠含量 煤层透气性 及煤的物理力学性质的综合性指标 煤中瓦斯压力 煤体应力越大 透气性越好 口值就越大 钻孔的初始阶段虽然透气性良好 但煤中瓦斯释放程度较高 故钻孔 瓦斯涌出初速度口值很小 钻孔的底部 4 5 m 虽然有较高的瓦斯含量 但因 受集中应力的作用 透气性较差 口值也不大 唯有3 4 5 聊段煤体应力 透气性 条件优于深孔段 瓦斯含量高于浅孔段 故而表现为q 值最大 从图2 7 来看 所测定的4 值指标普遍偏大 在3 5 5 m 段均超出了突出危 险临界值 4m h 加 在日常的预测及效检时g 值屡屡超标 并且经常出现顶钻 卡钻 夹钻 喷孔等瓦斯动力现象 因此 用4 值指标同样表明试验点工作面具 有严重的突出危险性 2 3 3 水力挤出措施现场试验 预测结束后 如果各预测指标均不超标 可以在预留2 m 预测孔超前距离的条 件下实行远距离放炮等安全措施掘进 如果有一项预测指标超标 就要实行采取 1 6 第2 章水力挤出措施现场试验研究 水力挤出措施消除突出危险 从2 3 2 的数据和分析来看 试验工作面s 4 严重 超标 工作面具有突出危险性 应该先实行水力挤出措施 再进行校检 水力挤 出措施的具体实施情况如下 1 注水系统 注水系统由注水泵 水箱 压力表 z f s 型封孔器等组成如图2 8 所示 注 水泵选用额定压力为2 0 坳口 额定流量为1 0 0 l 乳化液泵 为便于操作和控制 注 水泵安装有压力衰 水表及卸压阀门等附件 水箱容积2 啪3 高压管路选用l 寸高 压胶管 钻孔封孔器选用焦作煤业集团科研所研制的z f s 型封孑l 器 该封孔器由 封孔胶囊 连接杆 出水嘴和注水头四部分组成 如图2 9 所示 承f l 连撞瞥 压力衰 z f s 型封孔嚣 o 一 1 术衰 l f 一 一 o 等即一压 j 木 f 三 扫注l 臣翟雾露琴器b 未l 缓旋施守i 乱 7 r 广n 乍 f 弋 乡l t 毫j v 心乡 图2 8 注水系统布置示意翻 f i g2 8s k c t c hm a po fi n j e c t h l gw a t e rs y s t e m 层 图2 9z f s 型水力自动封孔煤层注水器结构示意图 f i g2 9s t n j c n 腿ls k e t c hm 印o f c o a ls e a r ni n j e c t o ro f z f st y p eh y d r a u l i cc l o s e d h o l e 2 注水参数的选择 实施水力挤出措施时 最重要的是各项注水参数选择 它包括注水孔布置方 式 注水孔孔深 封孔深度 注水时间以及注水压力等 由于这些参数目前没有 固定的计算公式 各项参数都需要通过现场摸索试验来确定 注水孔布置方式 注水孔布置方式 2 l 的选择要根据煤层赋存条件 煤层结构和煤的性质 煤层厚 度 倾角 煤的破坏程度 瓦斯含量等等 工艺 安全和经济等条件来确定 一 1 7 般 恐 竺三纛罢嚣茹麓三耄鬈焉 蒹冀篆翼轰黑 删絮 篓篓纂嘉篡慕篇搿赫淼断面 慨耐 专鬻篙翼i 篇磊刖了有效的控 积圳竖冀 黧嚣馨 筹篙茹 l 磊置方式 制煤层 我们将注水孔布置为五孔形式 且p 鄙网扎r 州 翘篙器耋嚣嚣 作面戮竺噤娑套蒜篡篓墨篡茹焉淼盈艚 发生琶苎篓警麓熹裟鬣焉茹羞茹薹趸过掘进 脓篓篓2 霎芸黑嬲纛慧茹翼写篇磊删带 工作面芝苎竺翟黑妻黑黧嚣筹罴 差某淼度选择为一 州篓繁銮絮篇嚣篙嵩毒薹淼幽注 班纂戮黧竺慧翕篡莘鬈淼淼蒜 水孔孔长应该选择在7 5 1 0 m 之间 试题中 一 厂 p 蒯砸 图2 1 0 注水孔布置方式 f l 幺2 1 0l a y o u tw a yc f i 啦e c t m g w 柑h o l e 第2 章水力挤出措施现场试验研究 封孔深度 该工作面卸压带宽度为3 5 聊 集中应力带宽度为3 5 m 如果封孔深度位于 完全卸压带 注水过程中高压水易于沿封孔段周围裂隙很外泄 很难取得良好的 注水效果 如果封孔段进入甚至超过应力集中带 封孔段以浅煤体得不到有效的 湿润 不能消除应力 由于高压水的作用 产生一个应力增高区 较大幅度降低 了煤体的渗透性 不利于瓦斯的排放和卸压 并引起进一步的应力集中 因此 注水孔封孔深度必须超过完全卸压带 但也应小于应力集中带峰值应力点 即位 于卸压带向集中应力带过渡区间 根据图2 6 所示掘进工作面前方煤体的三带分 布情况 本次试验选择封孔深度为3 m 注水压力 注水压力是所有水力化措施中的重要参数 若注水压力过低 不能挤出煤体 煤层结构不会发生明显的变化 相当于低压注水湿润措施 短时间内注水起不到 卸压防突的作用 著注水压力过高 导致煤体在地应力和水压综合作用下迅速变 形 形成突出 因此 合理的注水压力应该能够快速 有效破裂松动煤体 进而 改变煤体孔隙和裂隙的容积及煤体结构 削弱工作面前方的应力集中程度 排放 煤体瓦斯 达到消突的目的 根据前人的研究 2 f 水力挤出措施最高注水压力和 最终注水压力应在式2 4 2 5 的基础上进行选择 最高注水压力 以 o 0 7 5 好 r 最终注水压力 p k 3 尸 式中p 最高注水压力 无阳 2 4 2 5 上覆岩层的平均容重 伽3 陆 煤层埋深 删 p c 注水管路的压力损失 脱阮 p 广 最终注水压力 脱p a 根据试验工作面钻孔柱状图的统计资料 用加权平均法计算出煤体上覆岩层 的平均容重 计算方法如下式 1 9 河南理工大学硕士学位论文 鹏 y 生 广 2 6 式中一 上覆岩层分层容重 砌3 危 上覆岩层分层层厚度 m 式 2 4 中煤层埋深取5 4 1 脚 将各分层容重及厚度代入式中 计算所得平 均容重为2 4 6 砌3 由此计算的垂直应力 打为 1 3 3 0 膨p 口 结合矿井注水系统 取管路损失压力以为泵站压力的1 0 那么 注水匿力应大于4 腻阮 我们选择 注水压力大于4 膨阳进行试验 原则上 l 压力最高值不能超过工作面前方煤体 应力集中带内的峰值应力 归的2 3 倍 因此 注水压力应该小于3 0 心m 注水时间 注水时间与注水压力 注水量等参数密切相关 洼水压力 流速不同 相同 条件下达到同样效果的注水时间也不同 注水过程中 煤体被逐渐压裂破坏 各 种孔裂隙不断沟通 高压水在已沟通的裂隙间流动 注水压力及注水流量等参数 不断发生蓍变化 当煤体内部裂隙与掘进巷道沟通 水流从工作面煤壁或压裂钻 孔涌出时 其流速达到最大值 注水压力会急剧下降 因此 注水时间可根据注 水过程中压力及流速的变化来确定 根据以往的水力挤出试验经验 当注水泵压 降低为峰值压力的3 0 左右 可以作为注水结柬时间 3 实施水力挤出措施 各项参数选择完毕后 开始实施水力挤出措施 在水力挤出措施过程中 我 们记录了实际注水压力p 及注水流量q 随时间的变化 从2 0 0 4 年8 1 1 月之间 共进行水力挤出试验6 0 多次 挑选其中三次试验的数据分别画出注水压力 注水 流量随时间变化曲线如图2 一l l 2 1 2 所示 我们采用的是动压注水 从开始注水到水力挤出措旌结束大约需要6 0 所加时 间 由图2 一l l 可以看出 泵压p 前l o m 抽由0 开始缓慢升至6 m 阳 属于低压注 水阶段 在卢1 5 聊加左右 泵压达到压力峰值p 随后迅速下降 在产4 0 聊加 左右 泵压第二次达到局部压力峰值