成庄水力割缝实施方案

2007年晋煤科技项目 成庄矿有效防治煤与瓦斯突出措施研究 实 施 方 案 晋煤(集团)成庄矿 中 国 矿 业 大 学 2007年7月 1.前言 我国是世界上突出最为严重的国家之一，在100个国有重点煤炭生产企业的609处矿井中，高瓦斯矿井占26.8%，煤与瓦斯突出（以下简称突出）矿井占19.6%，低瓦斯矿井占53.6%。我国的煤炭赋存条件差，95%是井工开采，随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量逐渐增加，煤层瓦斯压力增大，突出的危险性增高，防治难度越来越大。特别是在突出的机理、预测及防治技术措施等方面，都有许多问题需要深入研究和探索。 近几年晋城矿区随着矿井开采深度的增加和向西部的扩大，在一些矿井接连发生了多起突出和具有某些突出特征的瓦斯动力现象。1994年永红煤矿发生“3.25”突出事故，突出108t煤、瓦斯1760m3。1998年加丰煤矿发生“6.17”突出事故，突出200t煤、瓦斯1.8万m3，2002年加丰煤矿发生“4.19”突出事故，突出250t煤、瓦斯4.5万m3。有记载的这几次突出都是发生在掘进工作面，都是放炮诱发的突出，发生在软分层中。特别是晋煤集团寺河矿在掘进工作面采取多项防突措施情况下，但仍然发生“5.20”煤与瓦斯突出事故，这就需要研究适合成庄矿预防煤与瓦斯突出事故的新防突措施。 成庄矿现采的3#煤层赋存稳定，倾角小，埋藏较深，多为100～300m，有的深达300m以上。顶、底板为黑灰色泥岩和细砂岩，坚硬致密，覆盖层完整性好，透气性低，煤层瓦斯含量高，突出的危险性将越来越大，给安全生产带来严重的威胁。同时，掘进工作面进行长时间抽放后，消突效果复验指标仍然超标严重，执行局部防突措施时打孔数量多、时间长以及抽放时间长，影响快速、高效生产。 因此，急需针对成庄矿的特点，开展掘进工作面高压磨料射流快速消突技术的研究，以确保煤矿生产过程中的安全、高效生产。 高压磨料射流割缝快速消突技术工业性试验是根据《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出细则》、《晋城煤业集团瓦斯治理技术管理若干规定》等规定，按防突分区治理原则，结合现场实际情况和高压磨料射流割缝能力，制定高压磨料射流割槽快速消突技术工业性试验实施方案。 2．试验区工作面概况 成庄矿4104巷北邻4102巷，煤层总厚度6.20m，煤层倾角2-6，黑色，条带状结构，煤中有薄层状夹矸。4216巷巷道主要受一单斜控制，对掘进影响程度较小。预计该巷沼气绝对涌出量为3.0m3／min左右，CO2的绝对涌出量预计为0.19m3／min。无煤尘爆炸危险，无煤的自燃倾向。4104巷倾斜长5.5m，工作面标高381-574.8m，盖山厚度337.8—500.2m。 4104巷从13#横川开始设计施工长度278m，在13#横川对正处、巷道南帮施工一个钻场；然后向东综掘机械化掘进98m。完后改为炮掘（爬坡见矸挑顶）102m，根据地测科给出腰线爬坡跨过4102巷和4103巷，然后以4°坡向下掘进，见底板后沿底板掘进，确保与12#横川安全贯通。 根据成庄矿瓦斯基本参数的测定报告、矿井瓦斯地质图的分析以及突出危险性预测结果，该区域存在煤与瓦斯突出危险。 预测孔孔径φ42mm，孔深10m，上、下部预测孔距离顶、底板500～600mm，中部预测孔位于巷道正中，左、右侧预测孔距离巷帮500mm。施工时左、右侧预测孔与巷道中线的夹角为17-25°，终孔点位于巷道轮廓线外2-4m。布置方式： 1）正常条件下布置4个预测钻孔，顶板巷上部分左、中、右布置3个，下部中间布置一个；底板巷下部分左、中、右布置3个，上部中间布置一个（见附图2.1及2.2）。 2) 工作面有软分层存在时，预测钻孔分两排布置，每排3个孔。当软分层在上部时，在软分层分左、中、右布置一排外，还应在下部位置再布置一排预测孔（见附图3.1.1及3.1.2）；当软分层在下部时，在软分层分左、中、右布置一排外，还应在上部位置再布置一排预测孔（见附图3.2.1及3.2.2）；顶板巷当软分层在中部时，还应在下部再布置一排；底板巷当软分层在中部时，还应在上部再布置一排（见附图3.3.1及3.3.2）。预测孔孔深不小于10m，并且两侧钻孔的终孔点位于巷道轮廓线外2-4m（煤层倾角大于8°时，底部或下帮5m）。 3)工作面前方有地质构造、异常区时，该区域前后30m范围内在巷道上部、下部分左、中、右分别布置3个预测钻孔。（见附图4.1及4.2） 4）在半煤岩巷中，煤层厚度小于1.8m时，只在煤层中分左、中、右布置三个预测钻孔即可。（具体施工钻孔的位置等，现场有防突员根据实际情况指定） 预测钻孔每打1m测定一次钻屑量S值，每打2m测定一次钻屑解吸指标K1值。其中1、2、3、4、5、6、7、8、9、10m测钻屑量S值；2、4、6、8、10m测钻屑解吸指标K1值。预测孔的最大钻屑量Smax和最大钻屑解吸指标K1判定工作面突出危险性。Smax和K1的突出危险临界值参照表1执行。 表1 钻屑指标法判定煤巷掘进工作面突出危险性的临界值 孔径 最大钻屑量Smax kg/m 钻屑解吸指标K1 mL/（g.min1/2） 突出危险性判定 ￠42mm ≥6 ≥0.5 有突出危险 ￠42mm ＜6 ＜0.5 无突出危险 当预测为无突出危险时，采取安全防护措施后可以向前掘进，但应留不小于4m的预测孔超前距（允许掘进6米）。 经预测Smax值、K1值任一指标等于或大于临界值时，该工作面判定为突出危险工作面，突出危险工作面必须严格执行防治煤与瓦斯突出措施。 3．拟采取的技术措施 煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三者综合作用的结果，是聚集在围岩和煤体中大量潜能的高速释放，其中，高压瓦斯在突出的发展过程中起决定性的作用，地应力是激发突出的因素，而煤的物理力学性质则是阻碍突出的因素。因此，为了消除工作面前方煤体的突出危险性，主要采取的措施应当是排放瓦斯（降低瓦斯压力、消除瓦斯潜能）和煤体的卸压（降低煤体所受地应力、消除围岩和煤体中的潜能）。 3.1选择技术方案的基本原则： 首要原则是合法性原则，技术方案必须符合相关的安全生产法律法规和相关的技术标准。主要依据有《安全生产法》、《矿山安全法》、《矿山安全法实施条理》、《煤矿安全规程》和相关的技术标准等。 其次是安全优先原则。在制定技术方案时，即要考虑安全性，又要考虑经济合理性以及十二矿的具体条件，当安全性与经济利益发生矛盾时，应优先考虑安全性的要求。方案要具有针对性和可操作性，其基础是成熟适用的瓦斯治理技术的单项应用或组合应用。 根据以上分析并结合4104巷的实际情况及成庄矿目前已有技术条件，本项目拟采用的技术方案是：高压磨料射流割缝消突技术与钻孔相结合的技术措施，以实现工作面前方煤体的快速卸压和瓦斯排放。 3.2 高压磨料射流切割技术工作原理 高压磨料射流切割技术是上世纪九十年代由国外引进的高新技术，它是以高压水为介质，通过磨料发生装置使磨料获得能量，磨料与水的混合浆体从喷嘴喷射出来，形成能量高度集中的一股，磨料粒子本身有一定的质量和硬度，因此磨料水射流具有良好的磨削、穿透、冲蚀的能力。它能完成对金属和非金属的切割或破碎。 如图所示，从高压泵出来的高压水分成三路：第一路高压水到达磨料发生器的顶部，迫使磨料往下运动；第二路高压水经过单向阀到达磨料发生器底部的混合腔，依靠水的流动将磨料罐中流下来的磨料携带走；第三路高压水称为旁通水路，高压泵出来的高压水经过旁通水路直接送到磨料罐的下游，引射出混合腔里磨料浆，第二、三路的流体混合均匀后，从磨料喷嘴流出。 高压磨料射流切割技术与安全工程密切相关，磨料射流切割是“冷”切割,在切割时不产生高温，特别适合易燃易爆环境下切割、破碎或钻孔。美国哈佛大学的西北太平洋国家实验室用高压水射流技术已成功清理115个核能储藏器。还有一些国家用它清理战争中残留下来的地雷和炸弹，它可以切割掉炸弹上的导火线，而不引起爆炸。 高压磨料割缝装置主要是由高压泵站、高压磨料发生装置、高压磨料喷枪组件、液压控制系统等组成，如图所示。  EMBED AutoCAD.Drawing.16 
 图5-1 高压磨料射流割缝装置系统示意图 1.高压水泵箱 2.高压水泵 3.单向阀 4.磨料混合腔 5.压力表6.操纵阀 7.截止阀 8.高压胶管 9.喷枪支架 10.煤壁 11.高压磨料喷嘴12.球形铰接固定器 13.喷枪14.高压磨料发生装置15.加磨料入口 3.3 高压磨料射流割缝消突技术工作原理 高压磨料射流割缝是对透气性系数低、原始瓦斯含量大、有突出危险的煤层进行超前高压磨料射流割缝。这种方法即是先在煤层中先打一个钻孔，然后在钻孔内利用高压磨料射流对钻孔两侧的煤体进行切割，在钻孔两侧形成一条具有一定深度的扁平缝槽，利用水流将切割下来的煤体带出孔外。割缝的目的在于提高瓦斯排放效果，改变巷道工作面前方煤层的瓦斯动力性质。煤层的超前高压磨料射流割缝所形成很深的卸压、排瓦斯钻孔槽，能使煤层的地应力和瓦斯压力重新分布，从而使煤体中的高应力.变形区和高瓦斯压力区得以消失。 一般情况下，具有突出危险的煤层内部空隙和裂隙都很小。为了增大煤体的透气性系数，就要人为地采取措施在煤层中造成空隙，沟通及扩展煤层内部的裂隙网。对于单一煤层而言，则只有在煤层内部本身采取措施，张开原有煤层裂隙，造成新裂隙及局部卸压条件，才能改善煤层内部瓦斯流动状况。由于煤层地质条件的限制，国内曾试验研究的高压磨料射流压裂因压开煤层的裂隙位置、方向及形式往往无法控制，不能满足设计的要求，这样就在一定程度上影响处理 瓦斯的效果。而通过对高压磨料射流割缝技术理论上的试验研究证实，它能在煤体中形成可以人为控制方向的缝槽。 （1）割缝卸压防突作用原理 采用高压磨料射流割缝措施后，首先，增加了煤体暴露面积，且扁平缝槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层，达到层内自我解放，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，其结果是造成了缝槽上下煤体的一定范围的较充分卸压，增大了煤层的透气性能；其次，割缝在煤体中形成的缝槽或空间在地压的作用下，使缝槽周围的煤体向缝槽空间移动，因而更扩大了缝槽卸压、排瓦斯范围。由于高压磨料射流割缝的切割、冲击作用，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成扁平缝槽空间，这一缝槽可以使周围煤体发生激烈的位移和膨胀，增加了煤体中的裂隙，大大改善了煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放提供了有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，煤体和围岩中的应力紧张状态得到一定程度缓和，达到突出潜能的大量释放，使煤岩变硬。这样，既削弱或消除了突出的动力，又大大改变了突出煤层的物理机械性能。因此高压磨料射流割缝技术既可以增大透气性和提高煤层抽放瓦斯的能力，又可以起到防止突出的有效作用。 （2）注水防突作用原理 煤是一种裂隙.孔隙介质，流体可以在其中流动，但煤中有大小不同的各种孔隙，大的直径可到数毫米，小的微孔直径小于100(A0)。水在不同孔隙中的运动形式也不相同，渗透运动是在大的裂隙和孔隙中发生，毛细运动是在较小的孔隙中发生，而分子扩散运动则是在煤的超微结构的孔隙中发生。其中每一种形式，在空间和时间上都不是共存的。其搬运水分的速度也有很大的差别，当向煤体注水时．水首先是在裂隙和大孔中运动，之后才在毛细力的作用下进入较小的孔隙中，而在扩散作用下，水才可能更深地进入煤的微孔中。因此，煤层注水开始主要是在大的裂隙和孔隙中渗透，而毛细运动和扩散运动往往要在注水完毕后才继续完成，并且是在渗透运动已经波及的容积中进行，所以毛细运动和扩散运动不会扩大湿润区的范围，而是水分的均匀分布。只有当能经常向渗透裂隙和孔隙补给液体时，则可进一步增加煤的水分。 由于煤具有可缩性和孔隙中气囊的可缩性的特性，因此，采用不同的注水方式和参数，会导致不同的作用效果。高压注水时．可能使煤中裂隙和孔隙的容积以及煤的结构发生变化，甚至造成煤的破裂和松动。起到高压磨料射流疏松煤体的作用．使煤层近工作面部分的卸压和排放瓦斯。低压注水时，煤的结构不会发生明显的变化，而使煤体得到相当均匀的湿润。煤体的湿润，可引起发生突出的条件和突出煤层的性质发生一系列的变化。 现从煤与瓦斯突出的过程作一具体分析，假如认为突出的准备阶段，其基本动力是弹性潜能释放转化的动能，使煤遭到破坏。这一能量的大小与煤的弹性有关，随着煤的弹性增大，工作面附近煤体的弹性能量就增大。同时随着煤的性质不同，煤的潜能的释放方式也不同，当煤遭到的是脆性破坏，则能量的释放将是快速和突然的，当煤主要具有塑性时，则其能量大部分消耗于逐渐和平缓的变形。所以，煤的弹性、松散性和脆性是决定突出危险性的力学性质。突出发生和发展阶段，主要是在煤中瓦斯的作用下完成的，在煤突然破碎后，使瓦斯由吸附状态快速转为游离状态，瓦斯所作的功，进一步把煤粉碎并抛向巷道，而这种功的大小，是与瓦斯的体积成比例的，决定煤层突出危险性的重要特征是煤足够快地由渗透和扩散过程释放出大量瓦斯。 研究和试验考察表明，煤体注水湿润，可使煤的力学性质发生明显变化，煤的弹性和强度减小，塑性增大，从而使巷道前方的应力分布发生根本变化，即高应力区向煤体深部转移，应力集中系数减小。煤体湿润后，还使透气性成百和上千倍的降低，水对瓦斯起到明显的阻碍效应，煤中瓦斯涌出量和速度都有大幅度的下降。上述的各种变化，都表明注水湿润煤体，可以消除或降低煤层和近工作面处的突出危险。 3.4 试验方法与安全措施 （1）高压磨料射流割缝卸压试验过程中防突科、掘进队领导以及中国矿大工作人员要现场跟班，确保试验安全。 （2）每次试验前必须检查高压磨料射流割缝机具、高压胶管是否破损、漏水，井下每次施工完毕由跟班干部指定专人负责整理，盘好放置在指定地点。 （3）高压泵开启前，具有上岗证书的开泵司机要详细检查高压泵的润滑情况及水箱的水位。 （4）试验时在迎头位置安装瓦斯探测仪，高压磨料射流割缝时，发现瓦斯探测仪读数超过0.8%时立即打开卸压阀以防止瓦斯超限。 （5）高压磨料射流割缝时，由防突科指派专人负责操作喷杆和控制阀，其他人员全部远离工作面迎头，并由防突科跟班干部负责观山，发现异常（瓦斯、动力现象等）及时停止施工，采取措施。 (6) 割缝时，把喷头向下伸至孔里3米左右时通知开泵，喷头送至孔底时，关闭卸载阀，迎头压力表显示压力达到30MPa时，开始向外切割，切割至距孔口2米时，按顺时针方向旋转90度，再进行切割，如此循环，旋转4次，成“十”字切割方式，每孔切割时间不得低于20min，割缝角度及次数由现场跟班人员确定。 (7)每次施工之前煤巷掘进队防爆电工要进行防失爆检查，严禁电气失爆。 （8）熟悉煤与瓦斯突出预兆，有声预兆：煤层中有煤炮声，出现由远而近的雷鸣声、机枪、鞭炮声，深部煤层或岩层出现劈裂声，有时引起煤壁震动，支架发出劈哩啪啦声等。无声预兆：煤层结构发生变化，如层理紊乱、煤变软变暗、干燥、易粉碎或煤层倾角变大、煤层厚度变化煤层出现分岔，工作面压力增大，掉碴，片帮，煤壁外鼓，瓦斯涌出量增大或忽大忽小，打钻时夹钻、顶钻、喷孔等现象。 （9）割缝钻孔必须严格按设计施工，不得私自更改，钻孔施工过程中，由现场瓦检员负责进行检查、验收，每次割缝前，由各科室跟班人员重新检查，若发现未按设计施工通知进行割缝作业，对当班瓦检员进行罚款，对掘进队进行罚款。 （10）安全避灾：施工期间瓦斯探测仪悬挂于工作面迎头位置。施工队进行全员防突知识培训，了解煤与瓦斯突出的有声预兆和无声预兆，发现异常立即停电撤人。发生煤与瓦斯突出事故时，人员迅速戴上自救器，撤离危险区域，来不及撤人时，可就近到压风自救处避难。巷道内物料要码放整齐，确保行人路线的畅通，在发生灾害时能及时、顺利撤离。 3.5 高压磨料射流割缝防突技术措施 工作面高压磨料射流割槽孔钻孔保持5米超前距，排放钻孔孔径75mm，孔深（投影长度）13m，终孔间距0.8 m，控制工作面巷道断面内及巷道断面轮廓线外3 m。煤层的软分层厚度在1m范围内，就布置一排高压磨料射流割槽钻孔，割槽钻孔尽量布置在软分层中间。如图所示。  EMBED AutoCAD.Drawing.16 
附图 工作面高压磨料射流割槽钻孔布置 排放时间根据现场试验情况确定。割槽钻孔必须按设计施工至设计深度，终孔控制到巷道轮廓线以外3m。现场配备钢卷尺、坡度规等测量工具严格按设计进行测量，确保钻孔施工的精确度（角度误差不得大于1度）。在地质构造破坏带或煤层赋存条件急剧变化处，由地质测量科及时探明情况，向通风科提供地质变化参数，由通风科调整钻孔设计，由矿总工程师批准后方可施工。 4．防治突出措施的效果检验 （1）掘进工作面采用“钻屑指标法”进行工作面突出危险性效果检验。在掘进工作面打3个直径42mm，孔深8—10m的钻孔。钻孔按通风科设计施工，应尽可能布置在软分层中，一个钻孔位于巷道工作面中部，并平行于掘进方向，其他钻孔的终孔点位于巷道轮廓线外2～4m处（即控制巷道部位及两帮2～4米范围）； （2）钻孔每打1m 测定钻屑量一次，每隔2m测定一次钻屑解吸指标。根据每个钻孔沿孔长每米的最大钻屑量Smax和钻屑解吸指标K1值预测工作面的突出危险性。采用钻屑指标法预测工作面突出危险性时，各项指标的突出危险临界值参照《防治煤与瓦斯突出细则》表13，即：K1≥0.5mL/（g·min1/2），最大钻屑量Smax≥6kg/m。 （3）采用钻屑指标法效检突出危险性，当效检为无突出危险时，每效检循环应留有2m的预测超前距。 （4）实测得到的任一指标钻屑量Smax值、K1值等于或大于临界值时，该工作面测定为突出危险工作面；应执行防治突出措施进行消突，即施工瓦斯抽放钻孔或超前瓦斯排放钻孔。 （5）、执行局部防治突出措施后，按“钻屑指标法”的测定方法进行措施效果检验。检验孔孔深应小于或等于措施孔，并应布置在两个措施孔之间。如果测得的指标值都在该煤层突出危险临界值以下，则认为措施有效；反之，认为措施无效。当措施无效时，无论措施孔还留有多少超前距，都必须采取防治突出的补充措施（即延长时间抽放或排放），并经措施效果检验有效后，方可采取安全措施施工。通风科必须填写防治突出措施效果检验单，并报矿总工程师审批。 当检验孔孔深等于措施孔孔深（检验与措施孔孔深均采用钻孔向巷道掘进方向的投影孔深，简称投影孔深）时，经检验措施有效后，必须留有5m投影孔深的超前距（如措施孔深为10米，检验孔深为10米，允许掘进5米）。当检验孔孔深小于措施孔深，且两孔投影孔深的差值不小于3m时，经检验措施有效后，可采用2m投影孔深的超前距（如措施孔为13m，检验孔为10m，允许掘进8m）。 5．安全防护措施 （1）建立安全可靠的通风系统。 掘进开口前调整好巷道内全风压风量，维护好通风设施，建立独立稳定的通风系统。掘进面要安装两台大功率局部通风机，一开一备，实现自动切换和三专两闭锁。严禁局部扇风机发生循环风；保持回风系统巷道通畅，回风系统巷道内不得有阻塞风流的设施。局扇吸入风量小于该巷道进风量的70%。并保持敷设风筒段巷道内风速不小于0.25米/秒。 （2）工作面建立压风自救系统，距工作面迎头距离25－40米安设4组40台压风自救装置，保持正常供风，完好使用，压缩空气供给量每人不少于0.1m3/min。 （3）工作面派专职瓦检员随时检查瓦斯，观察突出预兆，监督执行防突措施。工作面出现瓦斯超限，立即停止作业，查明原因，采取措施，进行处理，并向矿调度室汇报。 （4）掘进工作面必须装备安全监控系统，保持可靠性和灵敏性，工作面、回风流及风机前要设置量程≥10%的甲烷传感器