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突出煤层采煤工作面水力卸压抽采技术应用研究

2025-05-25 42 上传者：管理员

摘要：针对3#煤层透气性系数差的特点，提出采用水力冲孔卸压抽采瓦斯技术，实现对煤层的卸压增透，降低煤层瓦斯压力及含量。通过分析穿层钻孔抽采覆盖范围、工程量及时间，确定采用间隔交替式钻孔布置方式，孔间距为5 m。现场工程实践表明，水力冲孔瓦斯流量衰减系数、抽采浓度约为普通钻孔的1/7、 1.75倍，水力冲孔对煤层卸压增透效果更好，瓦斯的预抽采效果更优。

关键词：
卸压增透
瓦斯抽采
矿井回采产量
穿层钻孔
突出煤层
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随着矿井回采产量逐渐增大,煤层及瓦斯赋存条件的复杂性对瓦斯治理技术提出了更高要求[1-2]｡针对煤层透气性和成孔率低､瓦斯抽采难度大等难题,目前常采用卸压增透技术,使煤层充分卸压､裂隙增加,大幅提高煤层透气性,促进瓦斯解吸和排放,释放煤层和周围岩层中的弹性能和瓦斯的膨胀能,从而提高煤层瓦斯抽采效果[3-5]｡本文以31606工作面为研究对象,由于该工作面煤层渗透率低,该矿提出在底抽巷布置水力冲孔卸压抽采工作面瓦斯,取得了良好的瓦斯治理效果,有效保证了工作面的安全回采｡

1、工作面概况

31606工作面位于六采区西侧,东侧为31603工作面采空区,南侧为31609工作面,北侧为采区边界｡工作面长175~260M,走向长度1470M,主采3#煤层,平均煤层厚度3.0M｡煤层透气性系数为0.0436M2(/mpA2·D),平均瓦斯流量衰减系数为0.132D-1,工作面回采期间最大瓦斯涌出量为8~12M3/MIN,属于高瓦斯､难抽放工作面｡常规的瓦斯抽采措施抽采效率低,工作面瓦斯浓度难达标｡因此,该矿在距工作面回风巷10M､煤层底板下方10M处掘进底抽巷,并在底抽巷内布置水力冲孔卸压抽采工作面瓦斯｡

2、水力冲孔作用原理

水力冲孔卸压抽采瓦斯技术通过向钻孔内喷射高压水,钻孔周边煤层在高压水冲击力的作用下破碎､脱落､流出,并形成较大空间的孔洞[6-7]｡水力冲孔能将普通钻孔直径扩大,钻孔周边煤层塑性区范围增大,并产生大量高度发育的裂隙,使煤层卸压增透,打通瓦斯运移通道｡还可将煤层吸附的瓦斯解吸成游离的瓦斯,瓦斯沿着煤层裂隙得到释放,有效降低了煤层瓦斯压力及含量,实现工作面安全回采｡水力冲孔卸压增透原理如图1所示｡

图1水力冲孔卸压增透原理图

由图1可知,水力冲孔后钻孔周边煤层出现弹性区及塑性区,弹性区范围煤层原生裂隙逐渐被压缩,渗透率逐渐减小,弹性区煤层渗透率峰值小于初始径向渗透率;塑性区范围煤体裂隙闭合度低,新产生大量的裂隙,渗透率逐渐增大,塑性区煤层渗透率大部分高于初始径向渗透率｡因此,塑性区煤层破碎,裂隙较为发育,渗透率高,能为瓦斯运移打通通道｡

3、水力冲孔施工工艺

3.1施工设备

水力冲孔卸压抽采瓦斯设备系统组成如图2所示｡

图2水力冲孔卸压抽采瓦斯设备系统组成

由图2可知,该系统最大注水压力30mpA,额定流量250l/MIN,单孔冲孔时间2.5H｡水力冲孔施工时应记录瓦斯压力､流量､浓度等变化情况,待施工完成后进行封孔注浆,并通过预先布置的管路抽采瓦斯｡

3.2钻孔布置

1)终孔参数｡底抽巷布置穿层钻孔预抽采瓦斯,穿层钻孔需对31606回风巷两侧17M范围形成瓦斯抽采覆盖｡因此,为保证有效抽采范围,分别分析终孔间距4､5､6M时的钻孔数量,确定合理的钻孔布置方式｡

当间距为4M时,每排布置11个钻孔,钻孔数量多､工程量大;当间距为5M时,每排布置9个钻孔,间距适中;当间距为6M时,每排布置7个钻孔,虽然施工钻孔数量少､工程量小,但间距过大,不能实瓦斯抽采覆盖,部分盲区煤层无法实现瓦斯有效预抽采｡因此,确定每排布置9个穿层钻孔最合理｡

2)开孔参数｡在底抽巷每排布置9个钻孔,孔径94MM,其中顶板布置5个钻孔,间距350MM;右帮上侧分2排布置4个钻孔,间距300MM,排距400MM｡穿层钻孔穿透煤层深入顶板岩层500MM｡底抽巷穿层钻孔布置情况如表1所示｡

表1底抽巷穿层钻孔布置情况

3)钻孔布局｡确定穿层钻孔开孔和终孔参数后,需确定穿层钻孔水力冲孔和普通钻孔位置布局,实现对煤层瓦斯预抽采最优效果｡共设计2种钻孔布局方式,如图3所示｡

图3穿层钻孔布局方式

采用交替式布局方式时,水力冲孔和普通钻孔间隔布置,钻孔对瓦斯抽采有效覆盖范围均匀;采用间隔交替式布局方式时,水力冲孔和普通钻孔间还布置了1排普通钻孔,钻孔对瓦斯抽采有效覆盖范围薄弱,部分盲区煤层可能无法实现瓦斯有效预抽采｡

2种钻孔布局方式卸压效果如图4所示｡

图4不同钻孔布局方式卸压效果

根据不同钻孔布局方式卸压效果分析可知,采用交替式布局瓦斯预抽采效果好于间隔交替式布局方式,但交替式布局钻孔水力冲孔工程量大,大大提高了水力冲孔的时间,影响工作面的瓦斯预抽采进度｡采用间隔交替式布局方式能减少冲孔工程量及时间,加快工作面瓦斯抽采进度,同时水力冲孔有效覆盖范围大,不会有过多的煤层瓦斯抽采盲区｡结合施工工程量及工作面回采进度,31606工作面采用间隔交替式钻孔布置方式｡

4、工程实践

4.1瓦斯流量衰减系数瓦斯流量的衰减系数与煤层的透气性密切相关,煤层的透气性越差,瓦斯流量的衰减系数越高,瓦斯的抽采效果越差[8]｡瓦斯流量的衰减系数Α为:

式中:QT为当天瓦斯流量,单位M3/MIN;Q0为第1天瓦斯流量,单位M3/MIN;T为时间,单位D｡

通过测量水力冲孔与普通钻孔施工后瓦斯流量,确定了不同类型钻孔瓦斯衰减系数｡不同类型钻孔瓦斯流量现场监测情况如图5所示｡

根据不同类型钻孔瓦斯流量监测结果,对数据指数整合后代入公式(1),计算得到水力冲孔､普通钻孔瓦斯流量衰减系数均值分别为0.021､0.003D-1,普通钻孔瓦斯流量衰减系数是水力冲孔的7倍｡由此可知,水力冲孔能够对煤层起到卸压增透的作用,提高瓦斯预抽采效果｡

图5不同类型钻孔瓦斯流量

4.2抽采效果检验

31606工作面现场施工水力冲孔和普通钻孔后,通过对不同类型钻孔瓦斯浓度的监测,验证了水力冲孔卸压抽采效果｡现场监测结果表明,普通钻孔､水力冲孔瓦斯抽采体积分数分别约为40%､70%,水力冲孔瓦斯抽采体积分数约为普通钻孔1.75倍｡因此,水力冲孔较普通钻孔对煤层卸压增透效果更好,具有良好的瓦斯预抽采效果,避免了工作面回采期间瓦斯浓度超限｡

5、结论

1)针对3#煤层透气性系数差的特点,提出采用水力冲孔卸压抽采瓦斯技术,增大周边煤层的塑性区范围,实现对煤层的卸压增透,打通瓦斯运移通道,降低煤层瓦斯压力及含量｡通过分析穿层钻孔终孔间距4､5､6M时抽采覆盖范围及工程量,确定最合理间距为5M｡同时,结合水力冲孔工程量及时间,提出采用间隔交替式钻孔布置方式｡

2)现场工程实践表明,水力冲孔瓦斯流量衰减系数､抽采体积分数分别约为普通钻孔的1/7､1.75倍,水力冲孔较普通钻孔对煤层卸压增透效果更好,瓦斯的预抽采效果更优,能有效避免工作面回采期间瓦斯浓度超限问题,保证工作面的安全回采｡

参考文献:

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[3]赵文武,王云龙,李耀龙.松软煤层水力冲孔增透技术研究与应用[j].煤炭与化工,2023,46(12):94-97.

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[7]任仲久.水力冲孔技术在低透气性突出煤层瓦斯抽采中的应用[j].煤炭工程,2019,51(3):65-70.

[8]周玉军.基于井下水力压裂强化抽采瓦斯技术应用研究[j].中国煤炭,2016,42(6):112-115.

文章来源:葛熙.突出煤层采煤工作面水力卸压抽采技术应用研究[J].能源与节能,2025,(05):254-256.