CN108708722B - 一种用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，包括以下步骤：步骤一、煤体力学性质测定；步骤二、确定高压气体注气的最高注气压力；步骤三、煤体钻孔；步骤四、不耦合装药；步骤五、钻孔内预留高压管路；步骤六、钻孔封孔；步骤七、高压气体注气；步骤八、引爆炸药预裂增透卸压。本发明的有益效果：施工安全、可靠，在待开采煤层中合理布置钻孔，注入高压气体(氢气和空气的混合气体)，实现氢气和炸药爆轰协同，极大增加待开采煤层的孔隙率，预裂增透半径大、效果好，冲击地压防治效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及防治冲击地压技术领域，特别是涉及一种用于低透气性煤层的高效防治冲击 地压的方法。
背景技术
煤炭在我国能源消费结构中仍然占有举足轻重的地位，2016年，煤炭消费比重为62.6％， 预计2017年约为60％左右。冲击地压对矿山安全生产威胁极大，会导致人员的重大伤亡，也 是矿山深部开采地压活动最明显的动力现象，能够摧毁井巷设施，破坏矿井通风系统，是深 部开采过程中常见的工程地质灾害之一，对于工程施工的人员和设备均造成了直接威胁。利 用深孔松动爆破技术，将煤层压力向深部转移，被认为是最根本、最有效的卸压手段。煤矿 低渗透率煤层也称为低透气性煤层，为保障低透气性煤层高效集约化开采和安全生产，需要 对用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法进行研究。
目前，低透气性煤层预裂增透措施主要包括深孔松动爆破、水压致裂、水力冲孔、开采 解放层、水力割缝等方法。其中深孔松动爆破使得钻孔附近的煤层被炸的很碎，但对离钻孔 稍远的地方预裂效果迅速下降，预裂半径较小，效果不好；另外由于煤矿用炸药的殉爆距离 较小，为防止拒爆，现场施工需要导爆索联结，因此，现场施工麻烦；再就是炸药预裂，有 可能引起通过裂隙导通的区域瓦斯爆炸，不安全。水力压裂若水压小，裂隙扩张有限，预裂 效果不好；若水压大，高压水会从较大的裂隙中流出，预裂不均匀，效果不好；且高压水在 煤层中的流动不可控制。水力冲孔是通过水力冲刷钻孔，扩大钻孔直径的同时冲洗钻孔壁的 煤粉，使钻孔壁有更好的渗透性，由于该方法对于提高煤层透气性效果甚小，目前基本不再 采用。开采解放层由于煤层赋存条件的限制，往往临近解放层厚度很小，难于开采，或者煤 质较差，没有开采价值，甚至许多煤层没有临近解放层，使得该技术无法使用。水力割缝受 设备的限制，使得该项技术的实施工艺复杂，难以在现场推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，解决目前低 渗透性煤层预裂半径小且卸压效果较差的技术问题。
本发明提供一种用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，包括以下步骤：
步骤一、煤体力学性质测定
在待开采煤层中取煤样，测定煤体的抗压强度，确定待开采煤层靠近轨道顺槽、胶带顺 槽部位煤体压酥带深度；
步骤二、确定高压气体注气的最高注气压力
将煤体的抗压强度除以1.5作为后续高压气体注气的最高注气压力；
步骤三、煤体钻孔
分别沿轨道顺槽、胶带顺槽的延伸方向向待开采煤层中等间距水平钻孔，钻孔的深度为 采煤工作面长度的0.3倍，钻孔的垂直高度为采煤工作面高度的0.5倍；
步骤四、不耦合装药
采用不耦合装药方式向钻孔内装入炸药；
步骤五、钻孔内预留高压管路
钻孔内预留高压管路，高压管路位于钻孔内的长度为钻孔深度的0.5至0.6倍，高压管 路的末端伸出钻孔；
步骤六、钻孔封孔
将钻孔封孔，采用水泥材料封孔，水泥封孔的长度为钻孔深度的0.2至0.3倍，水泥封 孔的长度要大于煤体压酥带深度；
步骤七、高压气体注气
通过高压管路向钻孔内注入高压气体，注入高压气体的压力逐渐增大到最高注气压力并 保持，最高注气压力由步骤二中确定，注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注 气压力数个小时，高压气体为氢气和空气的混合气体，混合气体中氢气的体积分数为28.6％；
步骤八、引爆炸药预裂增透卸压
在注入高压气体保持最高注气压力的时间内，引爆钻孔内的炸药，对煤层进行预裂增透 卸压；
进一步的，步骤三中，相邻钻孔的水平间距为20m，距离采煤工作面最近的钻孔距离采 煤工作面为10m，钻孔直径为96mm。
进一步的，步骤四中，炸药的装药长度为钻孔长度的0.5至0.7倍。
进一步的，步骤五中，高压管路的末端伸出钻孔的长度为0.5m至1m。
进一步的，步骤六中，水泥材料中水泥与水的比例为1:0.2至1:0.5。
进一步的，步骤七中，注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注气压力6个 小时。
与现有技术相比，本发明的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法及具有以下特 点和优点：
本发明的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，施工安全、可靠，在待开采煤 层中合理布置钻孔，注入高压气体(氢气和空气的混合气体)，实现氢气和炸药爆轰协同，极 大增加待开采煤层的孔隙率，预裂增透半径大、效果好，预裂增透半径大、效果好，冲击地 压防治效果明显。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实 施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。
图1为本发明实施例用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法的流程图；
图2为本发明实施例用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法的钻孔布置图；
其中，1、采煤工作面，2、轨道顺槽，3、胶带顺槽，4、待开采煤层，5、钻孔。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实施例提供一种用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，
包括以下步骤：
步骤一、煤体力学性质测定
在待开采煤层4中取煤样，测定煤体的抗压强度，确定待开采煤层4靠近轨道顺槽2、 胶带顺槽3部位煤体压酥带深度。
步骤二、确定高压气体注气的最高注气压力
将煤体的抗压强度除以1.5作为后续高压气体注气的最高注气压力。
步骤三、煤体钻孔
分别沿轨道顺槽2、胶带顺槽3的延伸方向向待开采煤层4中等间距水平钻孔，钻孔5 的深度为采煤工作面1长度的0.3倍，钻孔5的垂直高度为采煤工作面1高度的0.5倍。相邻钻孔5的水平间距为20m，距离采煤工作面1最近的钻孔5距离采煤工作面1为10m，钻孔 直径为96mm。
步骤四、不耦合装药
采用不耦合装药方式向钻孔5内装入炸药，炸药的装药长度为钻孔5长度的0.5至0.7 倍。
步骤五、钻孔5内预留高压管路
钻孔5内预留高压管路，高压管路位于钻孔5内的长度为钻孔5深度的0.5至0.6倍，高压管路的末端伸出钻孔5，高压管路的末端伸出钻孔5的长度为0.5m至1m。
步骤六、钻孔5封孔
将钻孔5封孔，采用水泥材料封孔，水泥材料中水泥与水的比例为1:0.2至1:0.5。水 泥封孔的长度为钻孔5深度的0.2至0.3倍，水泥封孔的长度要大于煤体压酥带深度。
步骤七、高压气体注气
通过高压管路向钻孔5内注入高压气体，注入高压气体的压力逐渐增大到最高注气压力 并保持，最高注气压力由步骤二中确定，注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高 注气压力6个小时，高压气体为氢气和空气的混合气体，混合气体中氢气的体积分数为28.6％。
步骤八、引爆炸药预裂增透
在注入高压气体保持最高注气压力的时间内，引爆钻孔5内的炸药，对煤层4进行预裂 增透卸压。
本实施例的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，通过增加待开采煤层4的裂 隙、小裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙，将压力向煤层深部转移，达到防冲的目的，增加 待开采煤层4的透气性，是本实施例成功的关键，其高压气体在钻孔内的作用及高压氢气和 炸药爆轰协同增透原理体现在以下六个方面。
一是高压氢气注入钻孔5中后，高压氢气进入待开采煤层4中裂隙、小裂隙、孔隙、微 孔隙、半封闭孔隙的同时膨胀做功，使得小裂隙扩张联通成较大裂隙，同时孔隙、微孔隙、 半封闭孔隙扩展变为裂隙和较大孔隙，使得原生裂隙、再生裂隙、孔隙等相互联通形成透气 性网络，提高待开采煤层4的透气性。
二是在原生裂隙、再生裂隙、孔隙等相互联通形成的透气性网络中，高压氢气改变待开 采煤层4中甲烷的赋存状态(吸附/解吸)，使钻孔、原生裂隙、再生裂隙、孔隙中游离甲烷 的量变小，进而使待开采煤层中的甲烷浓度低于其爆炸极限，提高安全性。
三是钻孔5中注入高压气体流量明显变小且相对稳定后，持续注入高压气体6个小时， 使得高压气体通过静压作用，能更好的作用于联通和未联通的煤层裂隙、孔隙、微孔隙、半 封闭孔隙，使煤层裂隙、孔隙网联通网络进一步发展，提高待开采煤层4的透气性。
四是由于装药方式为不耦合装药，炸药爆炸产生的爆轰波使煤层内部形成径向裂隙，钻 孔5中的高压气体和爆生高压气体渗入径向裂隙，起着气楔作用，增大裂隙前端煤体内的拉 应力，可以使待开采煤层4中的裂隙、孔隙联通网络进一步发展，提高待开采煤层4的透气 性。
五是炸药爆炸时，爆炸初期产生的大量爆生高压气体，与钻孔5中已有高压气体通过静 压作用于待开采煤层4中联通和未联通的煤层裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙，使煤层裂 隙、孔隙网联通网络进一步发展，提高待开采煤层4的透气性。
六是钻孔5中炸药起爆后，产生的高温高压可以引爆钻孔5中体积分数28.6％的高压氢 气共同爆炸，强化爆炸对钻孔及其周边联通的裂隙、孔隙网络的扩展作用，提高待开采煤层 4的透气性。
通过以上原理过程，能极大地增加待开采煤层4的孔隙率，有利于低渗透性煤层高效地 卸压。
本实施例的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，施工安全、可靠，在待开采 煤层4中合理布置钻孔5，通过高压气体在钻孔内的作用以及氢气和炸药的爆轰协同，极大 增加待开采煤层的孔隙率，预裂增透半径显著提升，约为15至20米，而煤矿最常用的炸药 深孔松动爆破，其预裂增透影响半径相对较小，约为3至5米。采用煤矿最常用的炸药深孔 松动爆破，若要达到相同的增透效果，需要加密钻孔5，有时为了获得较好的增透效果，还 需要实施大量的控制钻孔，意味着劳动强度的增大和劳动效率的降低，同时还要加大爆破炸 药用量，意味着效率较低。本实施例的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，沿工 作面煤壁和距工作面60m的顺槽范围内布置监测带，钻孔间距10至15m，钻孔布置在采高中 部，用风煤钻打钻孔，安插插销式麻花钻杆，每节长1.0至1.8m，直径42mm钻头，钻孔深 度为5至6m。用煤屑收集器收集钻粉，用天平和木升子称量钻屑重量和体积，用3mm铁筛子 测量钻屑的粒度组成，每钻进1m测量一次钻屑量和粒度组成。用专用表格记录扫一眼时间、 地点、钻屑排出量和粒度组成，以及打一眼过程中出现的钻杆跳动、卡钻、死钻、劈裂声和 微冲击现象，以便于及时判断冲击地压的地点和危险程度。本实施例的用于低透气性煤层的 高效防治冲击地压的方法，在同一采面先后采用普通防治冲击地压方法和本实施例的用于低 透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，用钻屑法比较两种方法的防冲效果。
表1某工作面煤层冲击危险指标kg/m
结合其他采面的经验确定某工作面冲击危险指标如表1所示。
表2不同防冲方式下煤层冲击危险判定kg/m
从表2可以看出，应用用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法煤层冲击危险性表 现为无冲击危险等级，且钻屑量比普通防治冲击地压的方法平均减小66.7％，大大降低了煤 层冲击的危险性，应用用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法表现出较好的防冲效果。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护 范围。
Claims (5)
1.一种用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、煤体力学性质测定
在待开采煤层中取煤样，测定煤体的抗压强度，确定待开采煤层靠近轨道顺槽、胶带顺槽部位煤体压酥带深度；
步骤二、确定高压气体注气的最高注气压力
将煤体的抗压强度除以1.5作为后续高压气体注气的最高注气压力；
步骤三、煤体钻孔
分别沿轨道顺槽、胶带顺槽的延伸方向向待开采煤层中等间距水平钻孔，钻孔的深度为采煤工作面长度的0.3倍，钻孔的垂直高度为采煤工作面高度的0.5倍；
步骤四、不耦合装药
采用不耦合装药方式向钻孔内装入炸药，炸药的装药长度为钻孔长度的0.5至0.7倍；
步骤五、钻孔内预留高压管路
钻孔内预留高压管路，高压管路位于钻孔内的长度为钻孔深度的0.5至0.6倍，高压管路的末端伸出钻孔；
步骤六、钻孔封孔
将钻孔封孔，采用水泥材料封孔，水泥封孔的长度为钻孔深度的0.2至0.3倍，水泥封孔的长度要大于煤体压酥带深度；
步骤七、高压气体注气
通过高压管路向钻孔内注入高压气体，注入高压气体的压力逐渐增大到最高注气压力并保持，最高注气压力由步骤二中确定，注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注气压力数个小时，高压气体为氢气和空气的混合气体，混合气体中氢气的体积分数为28.6％；
步骤八、引爆炸药预裂增透卸压
在注入高压气体保持最高注气压力的时间内，引爆钻孔内的炸药，对煤层进行预裂增透卸压。
2.根据权利要求1所述的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，其特征在于：步骤三中，相邻钻孔的水平间距为20m，距离采煤工作面最近的钻孔距离采煤工作面为10m，钻孔直径为96mm。
3.根据权利要求1所述的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，其特征在于：步骤五中，高压管路的末端伸出钻孔的长度为0.5m至1m。
4.根据权利要求1所述的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，其特征在于：步骤六中，水泥材料中水泥与水的比例为1:0.2至1:0.5。
5.根据权利要求1所述的用于低透气性煤层的高效防治冲击地压的方法，其特征在于：步骤七中，注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注气压力6个小时。
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