采用高压水力裂煤技术防治煤与瓦斯突出事故.pdf

第1 2卷 第4期 总第7 7期 2 0 0 7年 8月 煤矿 开采 Co a l Mi n i n g Te c h no l o g y V o 1 ． 1 2 N o ． 4 S e r i e s N o ． 7 7 Au g u s t 2 0 0 7 采用高压水力裂煤技术防治煤与瓦斯 突出事故 吴银富，饶清德，李润生，谭建文，朱丰玲，宴雨民 丰城矿务局 坪湖煤矿 ，江西 丰城 3 3 1 1 4 1 [ 摘要] 介绍了采用高压水力裂煤技术的创意、方法、实践、效果及注意事项。在实际工作 中，将煤巷掘进传统的爆破落煤方式改为高压水力裂煤，取得 了很好的防治煤与瓦斯突出的效果 ，是 一 种适合本矿井、本地 区实际防治矿井煤与瓦斯突出的新方法。 [ 关键词] 高压水力裂煤；煤与瓦斯突出；煤巷掘进；爆破落煤 [ 中图分类号]T D 7 1 3 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 7 0 4 - 0 0 8 1 - 0 3 Ap p l y i n g Hy d r o f r a c t u r e T e c h n o l o g y o f Co a l t o P r e v e n t i n g Co a l a n d Ga s Bu r s t 丰城矿务局共有 4对矿井，都是煤与瓦斯突出 严重的矿井，坪湖煤矿是其中之一。坪湖矿井共分 4 个水平，其中，一、二、三水平已经采完，现正 开采最后的四水平 ，开采深度 6 0 0 m左右 。矿井开 采乐平煤系上二叠老三层 B 4单一煤层。井 田内煤 层呈单斜构造 ，走 向 6 0 。 左右，倾 向南东 。煤层倾 角 1 01 3 。 ，煤厚平均 2 ． 7 m。井 田内 中小断层发 育，由北西向南东呈扫帚状散开 ，一般为斜交正断 层 。B 4煤层有 自然发火倾 向，发火期 13个 月。 煤尘具有爆炸性 ，爆炸指数 2 0 ． 8 ％。2 0 0 5年矿井 瓦斯鉴定相对瓦斯涌出量 3 6 ． 8 9 m ／ mi n ，绝对瓦斯 涌出量 4 5 ． 3 3 m ／ m i n ，属煤与瓦斯突出矿井。 目前 开采的四水平瓦斯压力 4 6 M P a 。 坪湖煤矿 自1 9 7 4年 1 2月 1 3日发生第一起煤 与瓦斯突出事故以来 ，到 2 0 0 6年 1 2月止 ，总共发 生 4 9起煤与瓦斯突出事故。 随着开采深度的增加，坪湖矿煤与瓦斯突出的 强度越来越大；煤与瓦斯突出的频度增加，每年都 要发生 4 6起煤与 瓦斯突 出事故 ，对本矿 的安全 生产威胁很大。因此，防治煤与瓦斯突出是坪湖 矿 ，也是丰城矿务局瓦斯治理的最重要工作。 1 高压水力裂煤技术的提出背景 根据统计，坪湖矿历史上所发生的4 9次煤与 瓦斯突出事故，其直接原因，都是由于放炮而诱发 的。本矿 目前所采用 的防突措施 ，主要方法是长抽 短排，即在煤巷的巷道两帮每 3 0 m施工抽瓦斯钻 场，在钻场内施工巷帮超前预抽瓦斯钻孔，每个钻 场施工 3个 深 4 5 m左右 的长孔进行 瓦斯抽放 ；煤 巷 当头采用 1 8～ 2 4个深 1 0～1 2 m的短排孔对煤层 进行瓦斯排放卸压。采取这些 防突措施后 ，经钻屑 瓦斯解析指标法检验， 值和 ．s 值不超标，再采 用打眼放炮落煤 的方法进行煤巷掘进。然而，在实 际施工过程中，虽然采取 了以上的防突措施 ，且经 过检验 当头没有煤与瓦斯突出的危险，但放炮时 往往还是诱导了煤与瓦斯突出。在矿井的严重突出 危险区，还采取迎头施工长孔进行深孔长时间抽排 瓦斯后，再加短排孔的防突措施 ，但仍然不能控制 煤与瓦斯突 出事 故 的发生。鉴于现状 ，分析认 为， 煤与瓦斯突出事故 的发生 ，与当头采用的放炮掘进 的落煤方式有非常大的关系。在防突措施有效的前 提下 ，煤巷当头的放炮 ，是发生煤与瓦斯突 出的直 接原因 ，瓦斯压力导致煤与瓦斯突出事故 的发生是 次要原因。 基于上述认识 ，决定从煤头的放炮人手。首先 由减少放炮装药量来控制。对煤巷掘进工作面 ，将 作业规程规定的装药量减少一半，取得了一定效 果。2 0 0 4年开始到 2 0 0 5年，坪湖矿煤与瓦斯突出 的次数比前几年减少了一半，由原来的每年 4 5 次，减少到2次，突出的强度也大大降低了，突出 的煤量由原来的 1次 3 0 0 t 左右降到 3 0 5 0 t 。但还 不能完全消灭煤与瓦斯突出事故 的发生。 2 0 0 5年 3 月开始，坪湖矿回采工作面采用高 压注水进行 防尘的试验。通过注水防尘试验 ，起到 了很好的防尘效果。同时，由于高压水的作用 ，常 常会将工作面的煤壁注裂 ，注水孔周 围的煤层受压 松动 ，不需要放炮 ，就可以用手镐挖动。这就给了 我们很大的启示，如果煤巷掘进当头也采取注水方 法，把煤体注松注裂，注裂的煤体用手镐就可以挖 动。取消了放炮的落煤方式，对煤巷掘进当头的防 [ 收稿 日 期]2 0 0 7 0 4 2 4 [ 作者简介]吴银富 1 9 6 4一 ，男，江西玉山人，高级工程师，注册安全工程师，一直从事采矿技术、。 一通三防。和安全管理工作，现 任坪湖矿总工程师。 81 维普资讯 总第7 7期 煤矿 开采 2 0 0 7年第4期 突非常有利。因此 ，工程技术人员把高压注水防尘 技术，应用到煤巷当头防突 形成了目 前使用的高 压水力裂煤防突新技术。 2 高压水力裂煤技术的主要方法 2 ． 1 高压水力裂煤技术的原理 用高压注水封孔器水力液压膨胀的压力使煤体 开裂 、扩张，让煤体达到屈服极限而破裂 、产生塑 性变形，强度降低，出现位移，从而达到高压水力 裂煤的目的。 2 ． 2 高压水力裂煤的前提条件 必须在采取有效的防突措施 ，并经过防突效果 检验，确认无煤与瓦斯突出危险的条件下，才可进 行高压水力裂煤作业。 2 ． 3高压水力裂煤技术的主要施工设备 1 矿 用乳 化液 泵，型 号 X R B 2 B 一 3 5 0 ／ 8 0一 台，输出水压 l 8 2 8 MP a 。 2 直径 1 9 ram的高压泵管。 3 直径 1 0 ra m高压管及注液枪 。 4 卸载阀。 5 Z F A 2 2 X 2 S X 5 0 0型封孔 破煤器 ，接头 2 2 ram，外径 3 9 ra m；Z F A 2 2 2 S3 0 0型封孔破煤 器 ，接头 2 2 mm，外 径 3 9 m m；Z F A 2 2 X 4 S X 5 0 0 型封孔破煤器 ，接头 2 2 m m，外径 4 5 m m；Z F A 2 2 4 S3 0 0 型 封 孔 破 煤 器，接 头 2 2 mm，外 径 4 5mm o 6煤 电钻 1 ． 2或 1 ． 5 k W 煤 电钻 ，直 径 4 6 m m的扩孔钻头。 7 手镐等 。 8 高压水力裂煤 的液压介质为井下防尘水 。 2 ． 4工艺流程 防突措施一效果检验一施工破煤孔一高压水力 裂煤一手工落煤一 出煤一支护。 2 ． 5 具体操作程序 1 根据矿井 的不 同情况 ，对掘进工作 面采 取防突措施 可以当头超前 迎头抽放 、巷帮钻 场 超前抽放加短排孔相结合的方法 ，并进行效果检 验，确认当头无突出危险后，才可以进行高压水力 裂煤作业。每个小班的进尺量不准超过效果检验单 上允许 的量 。 2 在每个掘进工作面的新鲜风流 中安装好 1 台矿用乳化液泵 ，泵管接通到掘进工作面当头，并 连接好注水的注液枪 、注水破煤器及卸载阀。 3 用煤电钻在当头煤壁预定部位打好若干 个直径 4 5 m m、深度 11 ． 5 m的破煤孔。然后 ，将 8 2 破煤器插入破煤孔 内，将泵压调至 l 01 5 MP a ，打 开液压枪，向破煤器注入高压水，直到煤体开裂变 形 ，产生移动 ，再 关掉液压枪 ，停止给破 煤器加 液。最后打开卸载阀，将破煤器里的高压水放掉， 拔出破煤器。 4 用手镐将破煤器 注裂的煤块挖掉 ，并进 行出煤支护。 以上 3 、 4 工序反复循环，直到全断面 落煤支护完成。 3 高压水力裂煤技术的可行性 1 高压水力裂煤技术从煤体的力学性质上 看是 可行的。坪湖矿 B 4煤层 的硬度中等，硬度系 数为0 ． 7 9 ，煤体的岩石试验报告结果，其单向抗 压强度在 1 ． 1 2 ． 1 M P a之 间 平均 1 ． 6 MP a 。而 用来裂煤的高压水压力在 1 01 5 M P a 还可以调 到更高 ，已经远远大于煤体的单向抗压强度 是 煤体平均单向抗压强度的9倍 ，因此，用高压水 将煤体压裂是完全可以的。 2 高压水力裂煤技术与爆破落煤相 比，其 对当头煤体的震动微乎其微。因此，在掘进工作面 采取有效的防突措施 ，且效果检验为无突出危险的 同等条件下，高压水力裂煤技术进行作业时引发煤 与瓦斯突出是不可能的；而爆破落煤放炮诱发煤与 瓦斯突出已经是经常发生的事实。 根据计算可知，高压水力裂煤作用与煤体的静 压是 l 0 1 5 M P a ，而爆破落煤的暴轰波的动压高达 2 4 7 5 M P a 。因此，爆破落煤由于爆轰波和冲击波的 破碎和剪切作用 ，将煤体破坏 ，并 产生强烈震动。 而震动波在传播过程中作用于深部的煤体时，如果 其强度使煤体产生共震，煤体内在瓦斯和矿山压力 的推动下，就会诱发煤与瓦斯突出事故。这是爆破 落煤的最大缺点，也是其诱发煤与瓦斯突出的根本 原 因。 经过一年来的实践， 这一技术已趋完善，煤巷 掘进实现安全进尺4 7 3 7 ． 4 6 m，矿井消灭了煤与瓦 斯突出事故，取得了很好的效果。从 2 0 0 6年 6月 起 ，这一技术 已经在 丰城 矿务局各 矿逐步推广应 用。到 目前止 ，我局高压水力裂煤已经安全进尺近 万米 。同时 ，江西省集团公司范围内的有煤与瓦斯 突出的矿井，也都采用了高压水力裂煤新技术。到 现在为止 2 0 0 6 年 l 2 月 3 1日 ，凡采用高压水力 裂煤落煤的矿井，都没有发生煤 与瓦斯突 出事故。 同时，由于高压水力裂煤技术，落煤过程中不会造 成巷道围岩破坏，因此，巷道围岩比较完好，巷道 维普资讯 吴银富等采用高压水力裂煤技术防治煤与瓦斯突出事故 2 0 0 7年第4期 支护不容易来压变形或破坏，减少了巷道支护维修 费用 。 4 高压水力裂煤技术应注意的几个问题 1 采用高压水 力裂煤 的落煤技术 ，必须严 格执行 “ 四位一体” 的综合 防突措施。在煤 与瓦 斯突出危险掘进工作面，必须采取超前抽放或排放 瓦斯措施， 并经过措施的效果检验，确认无突出危 险后 ，才能进行作业 。防突措施的内容及效果检验 方法与爆破落煤作业所执行的完全相同。 2 采用高压水力裂煤时，其循环进尺量不 准超过效果检验允许 的进尺量 ，严 禁超 安全距进 尺。本矿采取防突措施后，允许的进尺量控制在 4 m。采用 “ 两掘一排” 的作业方式 ，1个 小班施 工排放孔 采取防突措施 ，2个小班破 煤进 尺。 全天的进尺量控制在 4 m。 3 破煤孔深度控制在 1 ． 5 m以内，乳化液泵 压力一般不超过 1 5 b l P a。每次只对 1 个 孔进 行破 煤操作 。每次破煤 时 ，破煤 器必须完 全放人钻 孔 内，防止破煤器外露受高压而爆裂。 4 破煤作业 2人一组 ，1 人操作 ，1人观察 顶板、煤壁、支护等情况，破煤器安插好后，人员 离开当头 1 ln之外 ，且不 能正对破煤孔站立 ，防止 意外伤人事故的发生 。 5 破煤器与液压管的连接，必须使用专用 的 u型卡。严禁用铁丝或其他不合格材料代替。 注水破煤后，不卸液不准进行其他作业。 6 破煤达到支护控顶距时，必须立即进行 支护，严禁裸巷施工和空顶作业。 7 当头严禁使用风镐作业。 8 当头如遇断层，当断层落差超过煤层厚 度时，必须停止施工，按照 防治煤与瓦斯突出 细则 的有关规定 ，采取防突措施。探明对盘煤 层的情况，并实行深孔有效地抽放 。只有采取深孔 抽放瓦斯，并确认无煤与瓦斯突出危险后，制定可 靠的安全技术措施，采用爆破作业的方式，将断层 范围内的岩石部分掘完。一旦揭露对盘煤层 ，就严 禁爆破，继续执行高压水力裂煤作业。 9 高压水力裂煤使用的乳化液泵，安装在 掘进工作面进风侧新鲜风流的巷道中 ，高压管路接 到作、 I 面 。 [ 参考文献] [ 1 ]蒋承林 ，俞启香．煤与瓦斯突出的球壳的失稳机理及防治技 术 [ M]．徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 8 ． [ 2 ]高尔新，杨仁树．爆破工程 [ M]．徐州中国矿业大学出版 社 ，1 9 9 9 ． [ 责任编辑邹正立】 上接 7 1页 门前 l O m巷道 内注满水 后逐渐加压。开始压力增 至 1 ． O M P a ，并稳定 2 0 m i n ，混凝土无渗漏；当压 力增至2 ． O M P a 时，门墙西侧出现 2处渗水点；再 增压力至 2 ． 6 MP a时，漏水量为 0 ． 1 3 8 m ／ h ；这 时 改用 4台泥浆泵同时启动 ，继续加压 ，当压力增至 3 ． 2 M P a 时，硐室主体段和后室接茬处的顶部开始 漏水 ，预埋的渗压计有压力显示 ，说 明硐室 四周进 水 ，漏水 量 为 1 ． 3 2 m ／ h 。此 后 ，随着 压 力 增 大 ， 漏水量增加 ，直至压力 达到 3 ． 3 2 MP a ，经 2 4 ． 5 h ， 实测漏水量为 9 ． 5 m ／ h，达到了预期 的效果 。 卸压后 ，打开闸阀放净巷道里的积水 ，再打开 防水闸门检查，发现前室巷道四周有滴水，约 5 h 后滴水才不明显 。同时观察到在前室和硐室连接处 周围有一道环形裂纹 。 经优化后的防水闸门硐室设计及其相关附件， 构成了一个统一整体，提高了其抵御 自 然灾害的能 力 ，提高了矿山的安全程度 ，为深水平下组煤 的顺 利开采做好了充分的准备，创造了有利条件，为煤 矿的可持续发展起到 了基础性的作用 。 4 结束语 1 防水闸门硐室建造在构造发育、围岩破 碎、粉砂岩与黏土岩互层的围岩条件下，只要采取 有效措施 ，是可以保证施工安全和工程质量 的。 2 防水 闸门硐室工程 ，设 计先进 、措 施得 当 ，取得 了预期的效果 ，积累了施工经验。 3 下组煤区域巷道布置方案正确，节约了 资金，降低了成本。 [ 参考文献] [ 1 ]张万淮，等 ．复杂地质条件下防水 闸门硐室的设计与加 固 [ J ]． 西部探矿工程，2 0 0 5 1 2 2 6 - 3 0 ． [ 2 ]吴铁军，等． 古汉山矿西大巷防水闸门硐室注浆施工技术 [ J ] ． 中州煤炭 ，2 0 0 5 2 3 2 - 3 6 ． [ 3 ]胡志亮，等． 井下防水闸门硐室及周边围岩漏水治理 [ J ] 中州煤 炭 。2 0 0 4 2 4 0 - 4 3 ． [ 4 ]苗河根 ． 深井高压防水闸门硐室试验研究 [ J ]．矿山压力与 顶板管理 ，2 0 0 2 3 5 6 - 6 0 ． [ 责任编辑邹正立】 维普资讯