CN109209472B - 一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法 - Google Patents

一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,首先在顶抽巷或底抽巷按常规方法施工一穿层钻孔,采用水力冲孔技术手段进行煤层卸压增透;然后采用爆破卸压方法对煤层进行卸压透防突,以转移煤层应力集中峰;最后使用不超过10MPa的压力水向注水孔内实施注水,直至无法继续向钻孔内注水或注水孔周围岩体渗水时停止注水,以增加煤体含水率。本方法通过冲孔‑爆破‑注水耦合在一起,相辅相成,因此可以增加煤体裂隙、减小煤巷周围瓦斯压力、提高煤体含水率、降低煤层瓦斯突出危险性,也减轻了只使用单种技术方法所带来的负面影响。

Description

一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法
技术领域
本发明涉及一种煤层卸压方法,具体涉及一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,属于瓦斯抽采技术领域。
背景技术
煤炭长期是我国主导能源,对我国经济社会发展起到了至关重要的作用,但我国煤矿地质条件极其复杂,其中,70%以上是高瓦斯矿井,随着煤矿开采深度的增加,地应力和瓦斯压力显著升高,极易造成煤与瓦斯突出事故,给煤矿的安全生产带来极大的威胁,因此,在煤炭开采过程中最大限度地降低煤层瓦斯含量,对于保障我国主导能源煤炭的安全开采具有极其重要的作用。
目前瓦斯抽采常用的卸压增透措施主要有深孔控制爆破、水力割缝、水力压裂、煤层注水等和水利冲孔等,深孔控制爆破是对具有冲击地压危险的局部区域,用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施,但是由于爆破过程中,在冲击波的自然发散状态下,煤体容易发生松动,导致爆破影响范围内的煤质疏松,脆性较大,容易在开采过程中发生冒顶片帮或煤与瓦斯突出事故;煤层注水在节理裂隙较为发育的软弱煤体中应用效果较好,对于节理裂隙不够发育的坚硬煤体,煤层注水达不到足够的卸压效果,而这种低渗透、高强度的坚硬煤层往往冲击危险性更高,发生冲击矿压灾害可能性更大;水力冲孔可以很好地释放突出潜能,减小或消除突出危险,但由于水力冲孔卸压增透措施一般是在岩柱的掩护下,施工钻孔后,采用中高水通过高效喷头冲击钻孔周围的煤体,冲出大量煤体和瓦斯,导致应力集中向冲孔周围移动,从而形成局部的应力集中区,当钻孔钻到该区域时容易发生卡钻、夹钻等现象,并在开采时具有一定的突出危险性。
发明内容
为了克服现有技术存在的各种不足,本发明提供一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,消除现有技术中冲孔卸压技术或者爆破卸压技术或者注水卸压技术的各种不足,通过三种方法的相互耦合作用,消除单独一种卸压技术所带来的负面影响,增加各技术手段之间相互促进的关系,最大效率释放煤层突出潜能,减小或消除突出危险性,增大煤层渗透率,显著降低煤层瓦斯含量与瓦斯压力。
为了解决上述问题,本发明一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,包括以下步骤:
a.在煤层顶抽巷或底抽巷中按常规方法施工穿层抽放钻孔,钻孔过程中钻屑量突然增高的部位为应力集中区,孔深为工作面斜长的2/3,钻孔要穿过整个煤层,钻孔施工完毕清理干净钻孔内残余碎屑;
b.在钻孔内进行水力冲孔,水压缓慢增加,推进速度均匀缓慢,利用钻头切割和压力水冲刷煤体并排出碎煤和瓦斯,并对冲孔完毕的钻孔进行瓦斯抽采;
c.瓦斯抽采完毕后,在原穿层钻孔处施工出爆破孔,并使其深度达到爆破标准;将炸药连同雷管或导爆索推入孔中,封孔后按照松爆常规方法对该穿层钻孔进行爆破;
d.爆破后进行瓦斯抽采工作,连续观测瓦斯抽采浓度的变化,当瓦斯抽采浓度降低到10%以下时,停止抽采;或爆破孔距离煤巷的掘进头之间的距离小于30m时,停止抽采;或爆破孔距离煤巷的掘进头的距离不足煤巷掘进2周时,停止抽采;
e.沿原穿层钻孔的轨迹套孔施工一个注水孔,或在爆破孔周围2m范围内施工一个平行于爆破孔的的注水孔,注水孔穿透煤层,并在岩层进行封孔;采用高压力水向注水孔内注水,安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间,当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时,停止注水。
a步骤中,若煤层倾角小于25°,抽放钻孔的终孔位置在煤巷的上、下帮各15m范围内均匀布置;若煤层倾角大于25°,抽放钻孔的终孔位置在煤巷上帮20m至下帮10m范围内均匀布置。
b步骤中,首先在钻孔穿透煤层后,将钻头更换为冲孔喷头,将钻杆更换为小于原来钻杆直径的冲孔钻杆,重新下至煤岩交界处;
然后开启注水泵,同时打开钻机,缓慢将冲孔钻杆送入钻孔中,注水压力不大于22MPa;当钻杆达到煤岩交界处,连接高压水泵,边进杆边冲孔,如此循环直至无煤粉或者岩粉冲出,回水变清;
按照上述方法直至全煤段冲完。
水力冲孔中使用的水力冲孔系统包括乳化液泵、高压水管、高压水泵、风控管、冲孔喷头和冲孔钻杆等设备。
c步骤中,根据a步骤中确定的应力集中区域,在应力集中区域前方2-3m处以一定的爆破参数实施卸载爆破,利用PVC管将炸药连同雷管或导爆索推入孔中,用封孔材料,按一定要求填塞钻孔剩余部分的全长或一段长度,封孔后将母线拉到安全地点后接到起爆器上,合上起爆器开关引发爆炸。
所述爆破参数包括孔深、孔径、孔距、排距、炮孔倾角、装药深度、封孔长度、台阶高度、单孔最大装药量、炸药单耗等,其中孔距,台阶高度,排距及炸药单耗为控制最大装药量的主要因素,各参数应结合实际情况合理选取。
e步骤中,注水孔的封孔长度至少1m,封孔后,采用压力不高于10MPa的高压力水向注水孔内注水,安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间,当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时,可停注,隔一段时间在进行注水。
对于一些松软煤层或其他特异性煤体,水力冲孔可以对作用范围内的煤层消除局部瓦斯突出的危险性,但水力冲孔时会在煤体内部形成水力掏槽,即在煤体内部形成一个空洞,并促使煤体空洞周围形成局部应力集中区,因此,水力冲孔后再利用松动爆破的方式,转移煤层应力集中峰,增加煤体裂隙,释放赋存瓦斯,对局部应力集中区进行冲击地压的局部缓和、消减;松动爆破后在向煤体内注水,由于第二步中松动爆破使煤体中产生了裂缝,因此注水过程中,高压水会沿着煤体中的裂缝贯穿,从而有效增加煤体含水率,提高煤体塑性,同时也对煤体瓦斯具有一定的水驱替效果。
通过三者的耦合作用,弥补了单一技术上的不足,增大煤层渗透率,显著降低煤层瓦斯含量与瓦斯压力,提高煤层含水率,增加煤体塑性,使采掘工作面前方应力集中区域前移,降低煤层在采掘过程中发生煤岩动力灾害的危险性,三种技术相互支撑共同作用,不仅发挥各自技术上的优势,同时减小或消除其他技术所产生的负面影响,降低次生灾害发生概率,减小或消除煤岩动力灾害危险性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做详细的阐述。
本实施例所实施的煤层多为松软煤体。
一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,包括以下步骤:
a.在煤层顶抽巷或底抽巷中按常规方法施工穿层抽放钻孔,钻孔过程中钻屑量突然增高的部位确定为应力集中区,钻孔的孔深为工作面斜长的2/3,钻孔要穿过整个煤层,钻孔采用直径为75mm钻头,每打完一杆钻孔,即用黄土进行封填,封孔距离不少于300mm,钻孔施工完毕清理干净钻孔内残余碎屑;
抽放钻孔可用于掩护煤巷掘进或者掩护工作面回采,钻孔布置及其控制范围需要满足《国家安全生产监督管理总局令第19号》的要求,若煤层倾角小于25°,抽放钻孔的终孔位置在煤巷的上、下帮各15m范围内均匀布置;若煤层倾角大于25°,抽放钻孔的终孔位置在煤巷上帮20m至下帮10m范围内均匀布置。
b.在钻孔内进行水力冲孔,水压缓慢增加,推进速度均匀缓慢,利用钻头切割和压力水冲刷煤体并排出碎煤和瓦斯;
水力冲孔中使用的水力冲孔系统包括乳化液泵、高压水管、高压水泵、风控管、冲孔喷头和冲孔钻杆等设备。
具体步骤如下:
首先在钻孔在穿透煤层后,将钻头更换为冲孔喷头,将钻杆更换为小于原来钻杆直径的冲孔钻杆,重新下至煤岩交界处;
然后开启高压水泵,同时打开钻机,缓慢将冲孔钻杆送入钻孔中,孔内装杆需要使用静压水,装置见煤位置采用高压水泵缓慢提高压力,水压为20MPa,冲煤后,第一根钻杆缓慢推进持续约30min,直至钻孔排水顺畅,水色较清;
随后增加钻杆,后续装杆时,需先关闭高压水阀,打开卸压水阀后进行装杆,每杆出煤量达到预期量后装下一杆,按照上述方法直至全煤段冲完。
冲孔过程中,需及时采集冲落的煤样和涌出的瓦斯,冲孔完毕后再对钻孔瓦斯进行抽采,直至瓦斯含量低至10%后停止抽采。
钻孔平均冲出煤量3t,煤体密度1.4t/m3,相当于水力冲孔把直径为80mm的孔扩大为准337mm的孔洞冲孔后,水力冲孔影响半径在7d后可以达到4.9m,在10d后可以达到5.7m,在17d后可以达到8.9m,随后趋于稳定,抽放时间缩短为原来的一半;在40d内水力冲孔效果达到极限;煤层透气性增加了约11.4倍,瓦斯抽采量约为冲孔前瓦斯抽采量的4.3倍。
c.水力冲孔完毕后,在原穿层钻孔处施工出爆破孔,并使松爆钻孔深度大于冲孔后应力集中区3-5m;根据a步骤中确定的应力集中区域、松爆钻孔孔距、台阶高度、孔径及炸药单耗,计算出单孔最大装药量其中最大装药量Q=q*a*b*H,其中Q为单孔最大装药量,a为孔距,b为排距,H为台阶高度,将PVC管及炸药、雷管、炮线一起送入应力集中区前方2-3m处,装药完成后采用胶囊封孔技术对松爆钻孔进行封孔,封孔长度根据松爆钻孔直径和单孔装药量合理选取。封孔完毕后将母线拉到安全地点后接到起爆器上,合上起爆器开关引发爆炸;
d.爆破后进行瓦斯抽采工作,连续观测瓦斯抽采浓度的变化,当瓦斯抽采浓度降低到10%以下时,停止抽采;或爆破孔距离煤巷的掘进头之间的距离小于30m时,停止抽采;或爆破孔距离煤巷的掘进头的距离不足煤巷掘进2周时,停止抽采;
e.采用直径为34~42mm的钻杆或直径在50~85mm的螺旋叶片钻杆沿原穿层钻孔的轨迹套孔施工一个注水孔,或在爆破孔周围2m范围内施工一个平行于爆破孔的的注水孔,开孔直径45~90mm并穿透煤层,按照MT 501-1996_长钻孔煤层注水方法,采用水泥沙浆封孔方法对注水钻孔进行封孔,封孔长度至少1m;封孔后采用压力不小于10MPa的高压力水向注水孔内注水,安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间,当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时,停止注水。

Claims (4)

1.一种冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,其特征在于,包括以下步骤:
a.在煤层顶抽巷或底抽巷中按常规方法施工穿层抽放钻孔,钻孔过程中钻屑量突然增高的部位为应力集中区,孔深为工作面斜长的2/3,钻孔要穿过整个煤层,钻孔施工完毕清理干净钻孔内残余碎屑;
b.在钻孔内进行水力冲孔,水压缓慢增加,推进速度均匀缓慢,利用钻头切割和压力水冲刷煤体并排出碎煤和瓦斯,并对冲孔完毕的钻孔进行瓦斯抽采;具体如下:
首先在钻孔穿透煤层后,将钻头更换为冲孔喷头,将钻杆更换为小于原来钻杆直径的冲孔钻杆,重新下至煤岩交界处;
然后开启注水泵,同时打开钻机,缓慢将冲孔钻杆送入钻孔中,注水压力不大于22MPa;当钻杆达到煤岩交界处,连接高压水泵,边进杆边冲孔,如此循环直至无煤粉或者岩粉冲出,回水变清;
按照上述方法直至全煤段冲完;
c.瓦斯抽采完毕后,在原穿层钻孔处施工出爆破孔,并使其深度达到爆破标准;将炸药连同雷管或导爆索推入孔中,封孔后按照松爆常规方法对该穿层钻孔进行爆破;
d.爆破后进行瓦斯抽采工作,连续观测瓦斯抽采浓度的变化,当瓦斯抽采浓度降低到10%以下时,停止抽采;或爆破孔距离煤巷的掘进头之间的距离小于30m时,停止抽采;或爆破孔距离煤巷的掘进头的距离不足煤巷掘进头2周时,停止抽采;
e.沿原穿层钻孔的轨迹套孔施工一个注水孔,或在爆破孔周围2m范围内施工一个平行于爆破孔的的注水孔,注水孔穿透煤层,并在岩层进行封孔;采用高压力水向注水孔内注水,安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间,当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时,停止注水。
2.根据权利要求1所述的冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,其特征在于,a步骤中,若煤层倾角小于25°,抽放钻孔的终孔位置在煤巷的上、下帮各15m范围内均匀布置;若煤层倾角大于25°,抽放钻孔的终孔位置在煤巷上帮20m至下帮10m范围内均匀布置。
3.根据权利要求1所述的冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,其特征在于,c步骤中,根据a步骤中确定的应力集中区域,在应力集中区域前方2-3m处以一定的爆破参数实施卸载爆破,利用PVC管将炸药连同雷管或导爆索推入孔中,用封孔材料,按一定要求填塞钻孔剩余部分的全长或一段长度,封孔后将母线拉到安全地点后接到起爆器上,合上起爆器开关引发爆炸。
4.根据权利要求1所述的冲孔、爆破、注水相互耦合的煤层卸压防突方法,其特征在于,e步骤中,注水孔的封孔长度至少1m,封孔后,采用压力不高于10MPa的高压力水向注水孔内注水,安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间,当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时,可停注,隔一段时间在进行注水。
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