底板巷卸压防突关键技术研究技术方案-09.6.13.doc

煤业集团2009年科技计划实 施 方 案 项目名称：水力冲孔增透技术示范应用研究 承担单位： 起止年限： 2009年 04月至 2009年 12 月 二九年三月1 研究目标针对矿业有限公司煤厚变化大、煤体松软，透气性差的煤层条件，以矿22011工作面为试验点，依托已成功的水力冲孔设备及技术，研究开发适合矿煤层条件的水力冲孔关键部件，配套形成冲孔装备系统，在此基础上，采用理论分析和现场试验考察等方法，开展底板巷水力冲孔卸压区域防突关键技术研究，最终形成底板巷水力冲孔消突技术体系，达到提高抽采量、减少措施工程量、缩短措施时间和实现安全快速消除掘进工作面突出危险，提高煤巷掘进速度，缓解矿井采掘关系紧张局面。2 主要研究内容主要内容包括工作面突出危险性评价、水力冲孔喷嘴研制及设备选型配套、措施孔布置方式、冲孔工艺及抽放技术参数、卸压前后抽放效果、消突效果考察等方面的研究。2.1 22011掘进工作面突出危险性评价分析整理矿区、矿井和采区瓦斯地质资料，测定工作面煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、煤与瓦斯突出的综合指标D、K值等基本参数，评价22011工作面的突出危险性。并根据打钻记录和钻孔透视仪观测钻孔内煤层分布情况，为水力冲孔措施及参数选取和消突效果评价奠定基础。2.2 水力冲孔喷嘴的研制和设备选型针对不同煤层条件和钻孔倾角，根据水力冲孔的水射流特征和冲孔半径、排渣及定向要求，采用理论设计、实验室和现场试验的研究方法，研制对应的水力冲孔喷嘴，并选择配套的排水、排煤粉、高压胶管和钻机等设备，配套形成冲孔配套装备系统。2.3 水力冲孔工艺和技术参数考察（1）冲孔措施工艺过程和技术参数考察针对不同钻孔倾角、深度、煤体软硬和突出危险程度，改变冲孔水压，流量、冲孔时间和工艺过程，考察冲出煤量、残存瓦斯含量、抽采量、瓦斯浓度的变化以及常规效检参数，分析水力冲孔效果与水压、流量、冲孔时间和不同工艺的关系，并确定不同硬度煤体和钻孔条件的合理参数和工艺过程。（2）冲孔半径及有效影响半径考察通过考察冲出煤量的大小、钻孔透视、煤层瓦斯压力（含量）、钻屑解吸指标、钻孔瓦斯流量、相邻抽放孔的湿润程度和煤体水分的变化，并结合监控抽放瓦斯浓度和抽采量的变化，确定水力冲孔的冲孔半径和有效影响半径，为确定合理冲孔间距奠定基础。2.4 水力冲孔卸压防突方案及抽放钻孔设计（1）根据防治煤与瓦斯突出细则、煤矿安全规程和煤矿瓦斯抽采基本指标的相关规定及试验点的煤层条件和突出危险程度，设计水力冲孔和瓦斯抽放钻孔的合理布置方式。（2）根据煤层的煤体强度大小、瓦斯含量大小和卸压抽放有效影响半径，制定合理的水力冲孔技术参数和工艺，既达到充分卸压抽放瓦斯消除突出危险性、安全可靠又经济合理的工艺过程。2.5 消突效果考察和评价指标的建立在防治煤与瓦斯突出细则、安全规程和煤层瓦斯抽采基本指标相关要求基础上，结合水力冲孔卸压措施的特殊性，在采掘过程中通过工作面突出指标的测试，考察消突效果；通过研究单孔和工作面总体冲出煤量、瓦斯量与残存瓦斯含量（压力）、D值及卸压指标与巷道掘进及回采突出危险关系，确定试验工作面总体消突评价的方法和指标。2.6 水力冲孔技术措施的操作规范编制根据以上考察和研究，确定适合试验矿区典型煤层条件的水力冲孔技术参数（水压、流量和时间）和工艺过程，编制水力冲孔措施操作规范、卸压增透效果评价方法和组织管理办法。3 技术路线及方案围绕研究目标和主要研究内容，拟采用现场测试与考察、理论计算与分析和实验室测试等技术手段。技术路线如图1所示。 水力冲孔防突措施调研卸压抽放瓦斯效果考察现场水力冲孔试验方案设计冲孔技术参数及工艺过程孔洞形状及冲孔均匀性考察完善评价指标体系有效影响半径考察理论设计与加工喷嘴研制与设备选型不同煤层条件的冲孔技术参数考察优化技术参数和工艺过程编制水力冲孔技术操作规范图1 技术路线框图总体拟分两方面开展研究，第一方面研制配套水力冲孔装备，考察水力冲孔工艺及技术参数等，尽可能多冲出煤，多排放瓦斯，通过卸压增透，缩短抽放时间；第二方面通过有效影响半径考察、孔洞形状及出煤均匀性考察，完善水力冲孔技术参数、评价指标体系，减少措施工程量和缩短施工时间。具体实施方案如下：3.1 水力冲孔增透方案及抽放钻孔设计3.1.1 工作面概况22011工作面为矿的首个下山掘进工作面，煤层底板标高在-320m以深，盖层厚度大于700m，在开口向里掘进的几百米巷道期间发生过煤与瓦斯动力现象。22011工作面底位瓦斯排放巷与22011工作面轨道顺槽呈外错布置，巷帮与巷帮设计外错8.5m，巷道层位为二1煤层底板距二1煤层8m。煤层倾角610，平均8；煤层厚度平均约4m；煤层直接底为砂质泥岩、粉砂岩，老底为硅质泥岩，俗称“铁里石”。3.1.2 建议消突方案根据矿方要求，22011工作面底板巷的作用为主要掩护22011工作面轨道顺槽掘进和回采前整个工作面的消突，同时兼顾作为工作面的排水巷和瓦斯排放巷，综合考虑煤体透气性差、工作面长度和目前实际钻机能力（能实现100m左右的穿层孔打钻）和课题组在淮南水力冲孔的经验数据，建议采用在水力冲孔基础上的网格式抽放消突措施，底板巷顶布置在铁里石之上，具体参数如下。（1）底板巷位置综合考虑煤层厚度变化大和底板巷掘进、维护和打钻方便等因素，底板巷在层位上布置在距煤层法距8m左右的位置，在掘进过程中采用边探煤层层位边向前掘进的办法，使底板巷与煤层法距保持在510m，当出现偏差时即时调整巷道腰线。底板巷与22011工作面轨道顺槽呈外错布置，巷帮与巷帮外错8.0m，以便于该底板巷服务于两个掘进工作面，同时可减少回采22011工作面时对其的影响，保持其作为主要的排水巷、抽放巷；底板巷建议采用B2.8m的直墙半圆拱锚喷巷道。（2）钻场与钻孔布置每隔30m布置1个钻场，钻场规格为宽4.5m，高3.2m，深4.0m。钻场主要用于掩护22011工作面轨道顺槽掘进和回采前整个工作面的消突。根据淮南水力冲孔经验，水力冲孔近3天的有效影响半径在3.5m5.0m之间。因此，建议在轨道顺槽两帮15m范围内，采用间距910m的网格式冲孔抽放钻孔（钻孔间距为终孔点间距）。有巷道掘进期间每个钻场内先布置4排孔，每排5个，钻孔具体参数如图2和图4及表1所示（表中L表示左偏，R表示右偏）；为便于排渣，孔径均取113或133mm（视钻机能力确定）。15图2 底板巷及水力冲孔设计图右帮 左帮图3 钻孔走向控制范围与孔口布置图图4 钻孔孔底布置图表1 水力冲孔钻孔参数编号孔长（m）岩孔长（m）煤孔长（m）与底板巷中线夹角（度）仰角（度）走向（钻场掘进方向）倾向（底板巷掘进方向）130.517.313.2左62.529.5223.717.06.7左52.033.0317.311.16.2左31.833.712.257.6415.6105.6 038.112.250519.611.18.5右33.041.0627.3 17.7 9.5 左81.1 26.1 720.1 13.1 7.0 左76.4 36.6 812.9 8.4 4.5 左64.8 46.1 3.818.1910.16.53.6左7.5 67.6 3.810.51012.8 8.3 4.5 右64.6 46.43.8181127.1 17.4 9.7 右81.1 25.5 1219.9 12.8 7.1 右76.4 35.9 1314.7 9.4 5.3 右64.8 52.6 1410.4 6.7 3.7 右7.5 68.4 3.810.51514.7 9.4 5.3 左64.6 52.8 1631.920.811.1右55.025.01725.916.99.0右47.032.01822.014.37.7右30.039.01920.213.27.0右4.043.02021.514.07.5左27.040.03.2 喷嘴研制与设备选型针对不同煤层条件和钻孔倾角，根据淹没水射流理论和现场试验考察，研制不同压力和流量的圆锥收敛形喷头，提高喷嘴效率，满足切割煤体和排渣的需求。根据喷头需要和安全考虑，初步选用BRW20031.5乳化液泵；32-4S高压胶管，耐压43MPa；SGS型双功能高压水表；能与63.5mm钻杆连接的钻机。设备清单如下：1、BRW20031.5乳化液泵；（矿方提供）2、高压软管、高压阀门等配件若干；（矿方提供）3、喷嘴；（河南理工大学提供）4、浊水泵2台；（矿方提供）5、麻袋50条或矿车，铁锹若干把；（矿方提供）6、SGS型双功能高压水表；（矿方提供）7、钻孔窥视仪。（矿方提供）3.3 水力冲孔工艺及要求施工顺序：打钻判别煤层位置冲整个煤段返水变清钻孔透视仪观测孔洞形状。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，施工好后，再用钻孔透视仪确认钻孔内煤段位置。冲孔：冲孔前安装防喷装置（如图4所示），将喷嘴送到煤层预定位置，设定泵压在20MPa，开泵进行水力冲孔，然后从外向里逐渐冲孔，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。图4 防喷装置示意图钻孔透视：冲孔后利用钻孔透视仪观测冲孔后的孔洞形状，掌握冲孔的均匀性。3.4 水力冲孔工艺及技术参数考察3.4.1 冲孔措施技术参数和工艺过程考察冲孔过程中，详细记录每个钻孔的倾角、长度、煤体坚固性系数、水压、流量、冲孔时间、冲出煤量、抽放量和瓦斯浓度等参数的变化及其冲孔工艺过程，分析各参数之间的相互关系，确定在不同煤体条件和钻孔条件下的水力冲孔技术参数及工艺过程，进而初步设计不同的喷嘴。3.4.2 冲孔半径及有效影响半径考察冲孔后，根据各孔冲出的煤量，计算各冲孔半径，通过考察与水力冲孔不同距离的瓦斯压力（含量）、钻孔瓦斯流量、钻屑解吸指标和水分的变化，确定不同条件下水力冲孔的影响半径。通过对以上各指标的综合分析考察，最终确定水力冲孔施工的影响半径，进而优化钻孔设计。综合以上数据考察冲出不同孔径后的有效影响半径，为确定合理冲孔间距，防止空白带存在奠定基础。3.5 消突效果考察评价指标采用总出煤量占控制范围的百分比、预抽率、残存瓦斯含量（压力）和D值等指标，评价煤体的变形量、瓦斯排放情况和消突效果。在预评价和有效半径考察的基础上，采用单孔出煤量、出煤分布的均匀性（利用钻孔透视仪观测）、残存瓦斯含量等指标考察工作面消突的均匀性。3.5.1 预抽率根据预评价时测定的原始煤层瓦斯含量和冲孔期间排放瓦斯量及抽放期间的抽出量计算预抽率，并应用测定的代表性残存瓦斯含量计算预抽率，两者相互验证，以预抽率30%为标准，评价工作面的抽采瓦斯的有效性。3.5.2 冲出煤量百分比我国大量解放层卸压效果研究表明，如果一般突出工作面1%3%的煤体在采掘前排出，可认为该工作面已经卸压。因此，冲出煤量应达到以上两个指标中的大者。由于硬煤与软煤对应力的传递性和敏感性不同，因此，对软硬不同的煤体，冲出煤量的具体值可区别对待。3.5.3 单孔出煤量及孔内均匀性冲孔前用筛网或编织袋过虑冲出的煤，并详细记录每个钻孔冲出的煤量，并分析每个孔冲出煤量用钻孔透视仪观测水力冲孔后形成的孔洞形状及冲出煤分布情况，考察是否有可能存在应力集中。3.5.4 残余瓦斯含量（压力）水力冲孔后，选择有代表性的测点测定残存瓦斯含量，并与预评价时测的瓦斯含量对比，下降原煤瓦斯含量的30%时，认为达到消突效果；另外，根据测定的残存瓦斯含量、吸附常数及其工业分析间接计算煤层残存瓦斯压力，两者相互验证，以0.74MPa为标准评价工作面的消突效果。3.5.5水力冲孔卸压后抽放效果考察通过对比分析水力冲孔卸压范围内和未卸压抽放的瓦斯抽放量、抽放衰减系数及有效影响半径等参数的差异，分析水力冲孔卸压后的抽放优化效果。3.5.6 D值评价以突出危险性综合指标来评价时，残余瓦斯压力值应取评价单元的最大值，软分层煤的坚固性系数f值取评价单元的最小值。3.6 消突效果验证当以上6个指标均达到消突要求后，在22011下巷掘进过程中，采用工作面预测指标进一步验证消突效果。4 主要经济技术指标（1）研制适合不同煤体条件和钻孔条件的水力冲孔喷嘴，完成配套设备选型；（2）考察出水力冲孔有效影响半径；（3）建立水力冲孔技术评价指标体系；（4）区域消突时间和工程费用减少30%以上；（5）编制适合试验矿区的水力冲孔卸压技术操作规范；（6）保障掘进工作面安全快速消突。5 研究进度及时间安排研究时间为2009年3月2009年12月，研究计划及进度如下：（1）2009年3月-2009年4月完成项目计划任务书和实施方案论证，制定22011掘进工作面水力冲孔增透强化抽放的消突技术方案，包括底板巷设计、钻孔设计，初步研制适合上向孔和下向孔的水力冲孔喷嘴和设备选型。（2）2009年4月-2009年6月开展实验室淹没水射流切割煤体试验，针对不同煤体进行优化水力冲孔喷嘴和配套设备。在底板巷掘进过程中，试验考察水力冲孔效果和有效影响半径，为优化水力冲孔和抽放孔布置参数奠定基础。（3）2009年6月-2009年9月针对不同煤层和钻孔条件，考察不同冲孔工艺、孔洞形状与有效影响半径之间的关系，完善水力冲孔设备，实现定向水力冲孔，扩大水力冲孔影响半径，考察水力冲孔增透技术的评价指标及临界值。（4）2009年10月-2009年12月编写适合新安矿区的水力冲孔技术操作规范和研究报告，准备项目验收、并在新安矿区推广应用水力冲孔技术。6 煤、汽、水分离及运输方案瓦斯气体主要通过图4所示的防瓦斯超限装置从煤水汽中分离，并通过抽放系统抽走；通过挖沉淀池或在底板巷道内用煤岩粉袋圈围沉淀池，实现煤水分离可，水通过排水沟将水排走，煤粉可通过矿车直接运走，或先装袋再通过矿车集中运输。7 安全技术措施（1）为保证水力冲孔揭煤的顺利实施，试验矿井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、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，133mm