CN103924956B

CN103924956B - 一种块煤开采用超前预裂方法

Info

Publication number: CN103924956B
Application number: CN201410178162.4A
Authority: CN
Inventors: 邓广哲
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: CN103924956A

Abstract

本发明公开了一种块煤开采用超前预裂方法，采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法，沿煤层工作面推进方向，由近至远分多个节段对需开采煤层进行工作面超前预裂；对任一个节段超前预裂时，过程如下：一、钻孔：在当前预裂节段上钻取预裂钻孔；二、二氧化碳预裂：先在所钻的各预裂钻孔内均安装二氧化碳预裂器并进行封孔，再起爆预裂；三、注水管安装：在各预裂钻孔内均安装高压注水管并进行封孔；四、水压致裂：通过高压注水管向各预裂钻孔内注水进行水压致裂。本发明方法步骤简单、设计合理且简单易行、使用效果好，能有效解决现有深孔爆破预裂方法存在的不安全、污染严重、投入成本较高、使用效果较差等问题，能有效提高综采工作面的块煤率。

Description

一种块煤开采用超前预裂方法

技术领域

本发明属于煤层开采技术领域，尤其是涉及一种块煤开采用超前预裂方法。

背景技术

由于块煤生产受煤层自身强度、地质条件、采煤工艺、转载过程等诸多因素影响，产量只占原煤总产量的10％～30％左右。在煤炭运输过程中，由于转载点落差和落煤方式的不同，造成块煤跌落时相互碰撞冲击，使块煤损失严重，块煤率在运输过程中下降20％～30％以上。因此，现有综采工作面开采工艺条件下造成煤体过度粉碎，全矿的生产块煤率低下。据统计，现有煤矿全矿的块煤生产率不到15％，粉煤生产率为85％左右。粉煤价格最低，主要销往电厂，块煤价格是粉煤的2倍以上，市场销售前景好，且不同规格的块煤价格差价在100元/吨～150元/吨，详见表1：

表1原煤销售价格表

品名	规格(mm)	价格(元/吨)
			粉煤	＜15	210
煤丁	15～30	430
			小块	30～60	530
中块	60～90	750
			大块	＞90	900

影响综采工作面块煤率的因素很多，相应地提高块煤率的方法也多种多样。目前，比较流行的方法主要是从设备优化、采煤工艺改进、矿山压力利用以及煤层岩性的改变四方面作为切入点，进而提高综采工作面的块煤率。其中，设备优化方面，主要对滚筒截齿数量、滚筒截齿排列的方式、滚筒直径、叶片头数、叶片螺旋角等参数进行优化。采煤工艺改进方面，主要从降低滚筒转速、改变滚筒旋转方向、由双向割煤改为单向割煤、增大截割深度、适当增大切削厚度、适当增大采煤机牵引速度等方面进行改进，以提高块煤率。同时，通过炸药深孔爆破技术对煤层进行松动爆破，协同双滚筒采煤机割煤，从而达到提高综采工作面块煤率的目的。综上，提高块煤率是提高煤炭生产经济效益的一个重要途径。但上述提高块煤率的方法大多都处于理论研究阶段，可操作性较差，并且提高综采工作面块煤率效果不佳。煤层预裂是块煤开采的一个重要工序，其预裂效果直接影响综采工作面的块煤率。现如今所采用的预裂方法主要为炸药深孔爆破预裂，实际使用时存在不安全、污染严重、投入成本较高、使用效果较差等缺陷和不足。综上，现如今缺少一种方法步骤简单、设计合理且简单易行、使用效果好的块煤开采用超前预裂方法，能有效解决现有深孔爆破预裂方法存在的不安全、污染严重、投入成本较高、使用效果较差等问题，能有效提高综采工作面的块煤率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种块煤开采用超前预裂方法，其方法步骤简单、设计合理且简单易行、使用效果好，能有效解决现有深孔爆破预裂方法存在的不安全、污染严重、投入成本较高、使用效果较差等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法，沿煤层工作面推进方向，由近至远分多个节段对需开采煤层进行工作面超前预裂；多个所述节段的超前预裂方法均相同；其中，对任一个节段进行超前预裂时，过程如下：

步骤一、钻孔：在当前预裂节段上钻取预裂钻孔，所述预裂钻孔的数量为一个或多个；所述预裂钻孔的钻进方向与当前采煤工作面呈平行和/或垂直布置；所述预裂钻孔的长度为50m～150m；当前预裂节段位于当前采煤工作面前方50m～150m位置处；

其中，钻取与当前采煤工作面呈垂直布置的所述预裂钻孔时，先在钻孔位置处掘进施工一个硐室，再通过硐室钻取所述预裂钻孔；

步骤二、二氧化碳预裂：先在步骤一中所钻的各预裂钻孔内均安装二氧化碳预裂器并进行封孔，封孔长度8m～10m；之后起爆，对所述需开采煤层进行预裂；

步骤三、注水管安装：步骤二中二氧化碳预裂完成后，在各预裂钻孔内均安装高压注水管，并进行封孔且封孔长度为8m～10m；

步骤四、水压致裂：通过所述高压注水管向各预裂钻孔内注水，进行水压致裂；此时，完成当前节段的超前预裂过程；

步骤五、按照步骤一至步骤四中所述的方法，对下一节段进行预裂；

步骤六、多次重复步骤五，直至完成所述需开采煤层的全部超前预裂过程。

上述一种块煤开采用超前预裂方法，其特征是：步骤一中所钻取预裂钻孔均为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔，每个预裂节段的长度为10m～15m。

上述一种块煤开采用超前预裂方法，其特征是：步骤一中所述预裂钻孔与水平方向之间的夹角不大于20°，所述预裂钻孔的孔径为Φ65mm～Φ105mm且其长度为80m～150m。

上述一种块煤开采用超前预裂方法，其特征是：步骤二中在所述预裂钻孔内安装所述二氧化碳预裂器时，各预裂钻孔内均沿中心轴线方向由前至后安装多个所述二氧化碳预裂器，所述二氧化碳预裂器的长度为1.5m～2.5m且其直径为Φ50mm～Φ55mm，所述二氧化碳预裂器内所注入二氧化碳为0.5kg～1.2kg的液态二氧化碳。

上述一种块煤开采用超前预裂方法，其特征是：步骤四中进行水压致裂时，注水压力控制在8MPa～10MPa，注水渗透半径为9m～11m，各预裂钻孔的注水时间为8天～10天，各预裂钻孔的总注水量为556m³～600m³，且注水流量为0.3m³/h～2.0m³/h。

上述一种块煤开采用超前预裂方法，其特征是：步骤一中进行钻孔时，当需开采煤层的层厚不大于8m时，所述预裂钻孔仅为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔；

当需开采煤层的层厚大于8m时，所述预裂钻孔仅为与当前采煤工作面呈垂直布设的钻孔，或者既包括与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔，也包括与当前采煤工作面呈垂直布设的钻孔。

上述一种块煤开采用超前预裂方法，其特征是：步骤一中进行钻孔时，当需开采煤层的层厚大于8m时，所钻取预裂钻孔的数量为多个，多个所述预裂钻孔由上至下分层进行布设。

上述一种块煤开采用超前预裂方法，其特征是：步骤一中进行钻孔时，当需开采煤层的层厚不大于8m时，每个预裂节段所钻取预裂钻孔的数量为一个。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法步骤简单、设计合理且简单易行，投入成本较低。

2、施工方便，可操作性强，且预裂效率较高。

3、设计合理，超前预裂工艺参数设计合理，且实现方便。

4、采用节段方式进行超前定向预裂，预裂过程易于控制，预裂范围合理，能实现定向超前预裂，并能有效提高综采工作面的块煤率。

5、将二氧化碳致裂和水深孔爆破相配合，待二氧化碳致裂完成后实施水压致裂，利用二氧化碳爆破形成的人工裂隙，进行水压致裂使裂隙进一步扩展，从而达到更佳的煤层预裂效果。与传统水压爆破不同的是：不再使用对煤矿安全构成威胁的水胶炸药，改用安全的二氧化碳预裂器，同样能取得煤层破碎预裂的效果，并且煤层预裂效果更佳，更安全、可靠。

6、所采用的二氧化碳预裂与水压致裂相结合的超前预裂方法步骤简单、实现方便且预裂效果好、实用价值高，不仅能提高综采工作面的块煤率，而且实现方便，安全可靠。

7、经济效益及社会效益显著，采用本发明所述的预裂方法进行煤层超前预裂后，能有效提高综采工作面的块煤率10％～30％，综合采出率达到85％以上，并且节能、环保，开采过程安全、可靠。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且简单易行、使用效果好，能有效解决现有深孔爆破预裂方法存在的不安全、污染严重、投入成本较高、使用效果较差等问题，能有效提高综采工作面的块煤率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

具体实施方式

如图1所示的一种块煤开采用超前预裂方法，采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法，沿煤层工作面推进方向，由近至远分多个节段对需开采煤层进行工作面超前预裂；多个所述节段的超前预裂方法均相同；其中，对任一个节段进行超前预裂时，过程如下：

步骤一、钻孔：在当前预裂节段上钻取预裂钻孔，所述预裂钻孔的数量为一个或多个；所述预裂钻孔的钻进方向与当前采煤工作面呈平行和/或垂直布置；所述预裂钻孔的长度为50m～150m。当前预裂节段位于当前采煤工作面前方50m～150m位置处。

其中，钻取与当前采煤工作面呈垂直布置的所述预裂钻孔时，先在钻孔位置处掘进施工一个硐室，再通过硐室钻取所述预裂钻孔。

本实施例中，所述预裂钻孔与水平方向之间的夹角不大于20°，所述预裂钻孔的孔径为Φ65mm～Φ105mm且其长度为80m～150m。

实际施工过程中，步骤一中进行钻孔时，当需开采煤层的层厚不大于8m时，所述预裂钻孔仅为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔。

并且，步骤一中进行钻孔时，当需开采煤层的层厚不大于8m时，每个预裂节段所钻取预裂钻孔的数量为一个；当需开采煤层的层厚大于8m时，所钻取预裂钻孔的数量为多个，多个所述预裂钻孔由上至下分层进行布设。

本实施例中，需开采煤层的层厚为5m～6m，每个预裂节段所钻取预裂钻孔的数量均为一个。

本实施例中，步骤一中所钻取预裂钻孔均为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔，每个预裂节段的长度为10m～15m。

也就是说，相邻两个所述预裂钻孔之间的间距与预裂节段的长度一致，即相邻两个所述预裂钻孔之间的间距为10m～15m。

步骤二、二氧化碳预裂：先在步骤一中所钻的各预裂钻孔内均安装二氧化碳预裂器并进行封孔，封孔长度8m～10m；之后起爆，对所述需开采煤层进行预裂。

本实施例中，在所述预裂钻孔内安装所述二氧化碳预裂器时，各预裂钻孔内均沿中心轴线方向由前至后安装多个所述二氧化碳预裂器，所述二氧化碳预裂器的长度为1.5m～2.5m且其直径为Φ50mm～Φ55mm，所述二氧化碳预裂器内所注入二氧化碳为0.5kg～1.2kg的液态二氧化碳。

所述二氧化碳预裂器的侧壁上开有径向喷发孔。起爆后，二氧化碳气体造成的冲击波沿侧向爆发。固定套的固定机构随爆破启动，防止所述二氧化碳预裂器自所述预裂钻孔中射出。

实际施工时，可以根据具体需要，对所述二氧化碳预裂器的长度和直径以及所述二氧化碳预裂器内所注入液态二氧化碳的重量进行相应调整。

本实施例中，在所述预裂钻孔内安装所述二氧化碳预裂器时，除所述预裂钻孔的封孔段外，在所述预裂钻孔的其余部分均安装所述二氧化碳预裂器，也就是说，所述二氧化碳预裂器安装在所述预裂钻孔的前端。

本实施例中，用炮泥进行封孔。爆破后，回收所述二氧化碳预裂器以备下次重复使用。

步骤三、注水管安装：步骤二中二氧化碳预裂完成后，在各预裂钻孔内均安装高压注水管，并进行封孔且封孔长度为8m～10m。

本实施例中，步骤二中二氧化碳预裂完成后，各预裂钻孔的封口段处于完好状态，且步骤三中安装所述高压注水管时，具体是在步骤二中二氧化碳预裂过程中的所述封口段内安装。

本实施例中，进行二氧化碳预裂时，其预裂原理与二氧化碳爆破原理相同，先将多个所述二氧化碳预裂器(也称所述二氧化碳预裂管，其为内部装有液态二氧化碳的高压管)由前至后逐一安装入所述预裂钻孔内，再采用引爆电流或加热方式，对所述二氧化碳预裂器内的二氧化碳迅速从液态转化为气态，在40ms左右的时间内，所装二氧化碳的体积膨胀达600多倍，所述二氧化碳预裂器内的管内压力增至270MPa～400MPa。此时，二氧化碳气体透过径向喷发孔，迅速向外爆发，利用瞬间产生的强大推力，沿钻孔壁自然裂隙引发煤体破碎，从而达到预裂效果，全过程在1s内完成。

所述二氧化碳预裂器的头部开有2～3个释放CO₂的卸压孔，且各卸压孔上均安装有泄压阀。

本实施例中，所述二氧化碳预裂器的CO₂气体释放体积为150L～600L，爆炸反应时间为40ms左右，爆破压力为270MPa～400MPa。

实际进行二氧化碳预裂时，所述二氧化碳预裂器安装在所述预裂钻孔的前端(也称始端)，并且相邻两个所述二氧化碳预裂器之间使用导线连接，所采用封口管的直径与所封预裂钻孔的孔径一致。实际安装时，所述二氧化碳预裂器最大深入预裂钻孔的深度为60米左右，采用人工进行安装。爆破后将封孔管和所述二氧化碳预裂器取出，进行复用。

实际使用过程中，二氧化碳预裂具有以下特点：

第一、爆破过程没有火花，对高瓦斯矿井的爆破作业，尤为安全；

第二、爆破威力大，量多块大，减少了工人的劳动强度，且不会造成放炮崩人事故的发生。爆破后，煤块成块率高，粉煤比率降低，基本不扬尘,大大降低了煤尘隐患。

第三、采用低压起爆器，起爆安全。

第四、没有具有破坏性的震荡或震波，减少了诱发突出几率。

第五、不需进行验炮，爆破后便可进人，可连续作业。

第六、二氧化碳预裂器不属于民爆产品，运输、储存和使用获豁免审批，也不需要专门的放炮员。

本实施例中，安装高压注水管时，还需安装与所述高压注水管相接的注液系统，所述注液系统由注水泵(含压力泵、水箱、压力表、安全阀、溢流阀等)、高压钢丝胶管、双功能高压水表和高压橡胶自动封孔器组成。

本实施例中，所述注水泵采用BRW200/31.5乳化液泵。

实际使用时，也可以采用其它类型的注水泵。

本实施例中，所述高压水管为D50高压软管。实际使用时，也可以采用其它类型的高压水管。

步骤四、水压致裂：通过所述高压注水管向各预裂钻孔内注水，进行水压致裂；此时，完成当前节段的超前预裂过程。

本实施例中，进行水压致裂时，注水压力控制在8MPa～10MPa，注水渗透半径为9m～11m，各预裂钻孔的注水时间为8天～10天，各预裂钻孔的总注水量为556m³～600m³，且注水流量为0.3m³/h～2.0m³/h。

实际施工时，可以根据具体需要，对注水压力、注水渗透半径、注水时间、总注水量和单位时间内的注水量进行相应调整。

其中，对注水压力进行调整时，注水压力应控制到使煤体出现一定程度的渗水为止；各预裂钻孔的注水时间以煤体有水溢出和有明显出水量增加为准；根据实际注水情况来看，各预裂钻孔的总注水量以不小于煤层含水增量0.5％计算；所采用活性水的比例，根据现场煤层软化系数进行确定。

本实施例中，采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法进行超前预裂，与传统水压爆破不同的是：不再使用对煤矿安全构成威胁的水胶炸药，改用安全的二氧化碳预裂器，同样能取到煤层破碎预裂的效果，并且煤层预裂效果更佳，更安全、可靠。

本发明将二氧化碳致裂和水深孔爆破相配合，待二氧化碳致裂完成后实施水压致裂，利用二氧化碳爆破形成的人工裂隙，进行水压致裂使裂隙进一步扩展，从而达到更佳的煤层预裂效果。

本实施例中，实际进行注水时，所注水为活性水，并且采用单泵扇形混合注水方式。通过所注入的活性水能让煤体充分预裂和破碎，弱化煤层。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法，沿煤层工作面推进方向，由近至远分多个节段对需开采煤层进行工作面超前预裂；多个所述节段的超前预裂方法均相同；其中，对任一个节段进行超前预裂时，过程如下：

2.按照权利要求1所述的一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：步骤一中所钻取预裂钻孔均为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔，每个预裂节段的长度为10m～15m。

3.按照权利要求1或2所述的一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：步骤一中所述预裂钻孔与水平方向之间的夹角不大于20°，所述预裂钻孔的孔径为Φ65mm～Φ105mm且其长度为80m～150m。

4.按照权利要求1或2所述的一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：步骤二中在所述预裂钻孔内安装所述二氧化碳预裂器时，各预裂钻孔内均沿中心轴线方向由前至后安装多个所述二氧化碳预裂器，所述二氧化碳预裂器的长度为1.5m～2.5m且其直径为Φ50mm～Φ55mm，所述二氧化碳预裂器内所注入二氧化碳为0.5kg～1.2kg的液态二氧化碳。

5.按照权利要求1或2所述的一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：步骤四中进行水压致裂时，注水压力控制在8MPa～10MPa，注水渗透半径为9m～11m，各预裂钻孔的注水时间为8天～10天，各预裂钻孔的总注水量为556m³～600m³，且注水流量为0.3m³/h～2.0m³/h。

6.按照权利要求1所述的一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：步骤一中进行钻孔时，当需开采煤层的层厚不大于8m时，所述预裂钻孔仅为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔；

7.按照权利要求1或2所述的一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：步骤一中进行钻孔时，当需开采煤层的层厚大于8m时，所钻取预裂钻孔的数量为多个，多个所述预裂钻孔由上至下分层进行布设。

8.按照权利要求6所述的一种块煤开采用超前预裂方法，其特征在于：步骤一中进行钻孔时，当需开采煤层的层厚不大于8m时，每个预裂节段所钻取预裂钻孔的数量为一个。