第38卷第5期
煤炭科学技术
Vol 138 No 15 2010年
5月
Coal Science and Technol ogy
May 2010
安全技术及工程
水力冲孔消突有效影响半径测定及钻孔参数优化
魏建平,李 波,刘明举,温志辉,李 鹏
(河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室,河南焦作 454000)
摘 要:阐述了水力冲孔措施的消突机理,采用流量法和压力法相结合,确定了水力冲孔有效影响范围为716～810m 。针对义安矿的三软低透气性突出煤层的实际情况,将615m 作为水力冲孔有效影响半径,控制范围为倾向29m ,走向36m 。根据确定的水力冲孔有效影响半径,合理布置水力冲孔钻孔并优化钻孔布置参数,在防止消突范围内出现空白带的情况下,原来施工的每个钻场布置的20个水力冲孔钻孔减少到14个。
关键词:有效半径;水力冲孔;钻孔;煤与瓦斯突出中图分类号:T D713 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(2010)05-0039-04
M ea sura ti on on Effecti ve I nfluence Rad i us of Hydrauli c Flush i n g Borehole
to Eli m i n a te O utburst and Borehole Param eters O pti m i za ti on
W E I J ian 2p ing ,L IBo ,L IU M ing 2ju ,W EN Zhi 2hui ,L I Peng
(Key Lab of Gas Geology and Gas Control,Henan Polytechnic U niversity,J iaozuo 454000,China )
Abstract:The paper stated the outburst eli m inati on p rinci p le of the hydraulic flushing borehole measures .The co mbinati on with the fl ow method and p ressure method was app lied t o deter m ine the hydraulic flushing borehole with an effective influence ranging fr om 716m t o 810m.According t o the actual conditi on of the l ow per meable outburst sea m with s oft r oof,s oft coal and s oft fl oor in Yi ’an M ine,the effec 2tive influence radius of the hydraulic flushing borehole was set t o 615m,the contr ol range was set t o 29m in tendency and the strike was set t o 36m.According t o the effective influence radius of the hydraulic flushing borehole set,the hydraulic flushing borehole drilling was rati onally arranged and the borehole arrange ment parameters were op ti m ized .
I n order t o p revent the blank zone occurred in outburst eli m i 2
nati on scope,20hydraulic flushing boreholes for each drilling site in p revi ous constructi on was reduced t o 14hydraulic flushing boreholes .Key words:effective radius;hydraulic flushing borehole;borehole;coal and gas outburst
基金项目:新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET -07-0257);教育部“瓦斯预测与治理”创新团队发展计划资助项目(I RT0618)
义安矿位于新安煤田正村井田中部,自2003
年筹建以来,共发生了3次瓦斯动力现象(其中在二1煤层发生2次,二2煤层发生1次)。22011工作面为西翼第1个仰采工作面,与12071工作面相邻,中间隔180m 长的大巷保护煤柱,周围无其他开采工作面。22011工作面地质储量44165万t,标高在-330—-405m ,在始突标高以下。22011工作面为倾斜长壁采煤工作面,轨道巷、运输巷沿顶板掘进,轨道巷设计长度为609m ,运输巷设计长度为639m ,切眼设计长度130m 。该工作面煤层厚度相对较为稳定,平均煤厚418m ,煤层倾角
3～10°,煤层结构简单,煤厚变化快,属半亮型
煤。根据现场测定,二1煤层瓦斯含量14152m 3
/t,
瓦斯压力1151MPa,煤体普氏系数f 为0119,瓦斯放散初速度ΔP 为26147,该采区具有严重的煤与瓦斯突出危险。22011底板巷与22011轨道巷呈外错布置,轨道巷帮与底板巷巷帮设计相距815m ,底板巷顶板距二1煤层底板8m ,轨道巷底板巷每隔30m 布置1个钻场,在钻场内布置水力冲孔钻孔,这样有利于掩护22011工作面轨道巷掘进和回采前整个工作面的消突。
1 水力冲孔有效影响半径测定
111 冲孔有效影响半径流量测定法
水力冲孔流量法测定有效影响半径的主要依据是:高压水射流能够破坏影响范围内的处于平衡状
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煤炭科学技术
第38卷
态下的应力和瓦斯,使其处于不平衡状态,由于大量煤体和瓦斯的排出会在钻孔周围形成一定的孔洞,使得钻孔周围煤体得到充分卸压,在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下破碎钻孔周围的煤体,使得钻孔周围形成一定的卸压区域,同时在高压水射流有效靶距范围内,煤体的裂隙将进一步扩大。根据瓦斯径向流动理论[1-4]
,瓦斯将由压力大的地方向压力小的地方运移,由于卸压范围内煤体内的裂隙进一步扩大,煤层透气性系数将提高,钻孔瓦斯浓度将增大,瓦斯抽放量将大幅上升。从而可以对比分析冲孔前后钻孔瓦斯抽放浓度的大小来判别高压水射流的影响范围,即冲孔有效半径的距离。 水力冲孔是利用从喷嘴射出的具有很高能量密度的射流来切割和破碎煤体,喷嘴与钻机上的钻杆相连。在冲孔过程中喷嘴随钻杆不停旋转,所以水射流可以切割钻孔四周的煤体。将此作为依据进行钻孔布置,将水力冲孔的钻孔作为被考察孔布置到中央,其他考察孔布置到四周。先施工4个考察孔,每施工完成一个钻孔立刻连接到抽放管路上,测定钻孔瓦斯的浓度和流量。等到施工完成被考察孔时,进行水力冲孔。按上述原则在22011底板巷2号钻场施工4,8,10和14号孔,最后施工9号孔,每个孔打到穿过煤层为止,施工完成后立刻将每个钻孔连接到抽放管路上,测定钻孔瓦斯流量。以9号孔作为被考察孔,以4,8,10和14号孔为考察孔,被考察孔与考察孔见煤点之间的距离为518～716m ,如图1所示。到9号孔施工完毕后,对其进行水力冲孔试验。冲孔前每隔5m in 测定一次4,8,10和14号孔的钻孔流量,共测定5次
。
图1 钻孔见煤点布置
本次冲孔试验采用的冲孔顺序为从上到下,即先将喷嘴进至煤岩交界处,开启乳化液泵,等到钻
孔里能流清水为止,再继续添加钻杆。9号钻孔煤孔长度为118m ,3次累计冲出煤量为3t,煤体密
度为114t/m 3
,相当于水力冲孔把直径为94mm 的钻孔扩成直径为1231mm 的孔洞。冲孔前后分别测定了4,8,10和14号考察孔的钻孔瓦斯流量,如图2所示
。
图2 4,8,10和14号考察孔的瓦斯流量变化
从图2可以看出,在4号考察孔冲孔时,钻孔
瓦斯流量最大为01022m 3
/m in,要比冲孔前大3～4倍。8,10和14号考察孔冲孔期间钻孔瓦斯抽放
量最大分别为01050,01040和01024m 3
/m in,都要比冲孔前钻孔瓦斯浓度大4～6倍,从以上数据可以看出,水力冲孔措施在高压水射流能够影响到的范围内可以对煤体起到增透的作用。
经过现场实际测定,冲孔后测定的钻孔瓦斯流量均比冲孔前明显增大,由此判断设定的4个考察
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魏建平等:水力冲孔消突有效影响半径测定及钻孔参数优化2010年第5期
孔均在冲孔有效影响半径之内。以距离被考察孔最远的14号考察孔为例,在冲孔期间瓦斯浓度明显增大,比冲孔前增大4～6倍。以此为依据,本次水力冲孔试验的有效影响半径为716m ,由于本次试验考察孔与被考察孔最远布孔距离为716m ,已经在水射流能够影响到的范围内,可能水力冲孔有效影响半径大于716m 。为了进一步测定水力冲孔有效影响半径,在9号孔影响半径测定结果大于716m 的基础上,在22011底板巷2号钻孔布置2个与被考察孔相互平行的考察孔,1号和2号考察孔见煤点和被考察孔钻孔见煤点的距离分别为9和11m ,钻孔布置如图3所示
。
图3 单个被考察孔的布置示意
先施工1号和2号考察孔,施工完毕后连接到
抽放管路上,测定钻孔瓦斯浓度及钻孔瓦斯抽放量,然后再施工被考察孔,进行水力冲孔。测定方法同上,被考察孔煤段长度为715m ,累计冲出煤量为6t,相当于把直径为94mm 的钻孔扩成了直径为419mm 的孔洞,平均出煤量018t/m 。对1号和2号考察孔的钻孔瓦斯浓度和钻孔瓦斯抽放量进行测定,2个考察孔在冲孔前和冲孔后的浓度和流量与冲孔前相比,并没有明显的增大趋势,也就是说2个考察孔均不在此次冲孔的影响半径之内,即冲孔有效影响半径小于9m 。通过2次测定,确定水力冲孔有效影响半径为716～910m 。112 冲孔有效影响半径压力测定法
在流量法测定冲孔有效影响半径的基础上,采用压力法测定冲孔有效影响半径,更能直观地观测到高压水射流的影响范围。压力法测定有效影响半径的依据是:高压水射流能够影响到地方的煤体裂隙扩展,煤层瓦斯压力下降,可以通过压力表读数的变化来直接判断水射流是否影响到该范围。 水力冲孔前首先测定煤层瓦斯压力,等到瓦斯压力稳定时再施工水力冲孔钻孔,进行水力冲孔试验。本次试验在22011底板巷3号钻场布置2个考察孔1号考察孔和2号考察孔,钻孔孔径为63mm ,采用主动测压方式,2个考察孔见煤点间距为1110m ,在2个考察孔旁边分别布置一个水力冲孔钻孔———1″号被考察孔和2″号被考察孔,孔径
为113mm 。1″号被考察孔距1号考察孔见煤点715m ,2″号被考察孔距2号考察孔见煤点810m 。钻孔布置如图4所示
。
图4 2个被考察孔的布置示意
2个孔累计冲孔时间为75m in,1″号和2″号被考察孔煤段长度614和310m ,2个孔累计冲出煤量分别为416和413t,相当于把直径为94mm 的钻孔扩成直径为956和1351mm 的孔洞,在冲孔开始5～7m in 后,1号和2号考察孔的压力表读数有上升趋势,主要是因为高压水射流作用于煤体面上的射流动压会使射流冲击区中的煤内部形成内应力。但是随着冲孔的继续,当水射流的最大剪应力超过煤的极限抗剪强度时,煤就受剪破坏,2个考察孔内的压力均变到0,说明1号和2号考察孔均在水力冲孔有效影响范围内。此孔使煤体的应力发生改变,使钻孔周围煤体的应力梯度下降,煤岩层中积聚的弹性势能释放;在释放应力的同时,引起煤层透气性的增加,促使瓦斯解吸和排放,煤岩层
中的弹性势能和瓦斯膨胀能得到释放[5-8]
。1号和2号考察孔瓦斯压力随冲孔时间的变化曲线如图5所示
。
图5 1号和2号考察孔的瓦斯压力随冲孔时间变化曲线
通过压力法测定冲孔的有效影响半径,1号和
2号考察孔的瓦斯压力在冲孔期间均降为0,说明1号和2号考察孔均布置在冲孔有效影响半径内,即715～810m 。
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2 水力冲孔钻孔参数优化与钻场布孔方式
为了掩护轨道巷掘进,使得轨道巷周围形成应力降低区,消除煤巷掘进期间的突出危险性,在22011底板巷的每个钻场布置水力冲孔钻孔,22011工作面底板巷每个钻场间隔30m ,底板巷每个钻场的控制范围为倾向29m ,走向36m ,为了防止布孔中间存在空白带,每个钻孔的冲孔影响范围可以重叠。在冲孔过程中,按照每米煤厚能被冲出1t 煤的体积来计算,冲孔有效半径为415m ,以此为依据在2号钻场布置20个钻孔,布置方式如图6所示
。
图6 水力冲孔2号钻场钻孔布置示意
2号钻场布置的水力冲孔钻孔是在没有测定冲
孔有效影响半径的情况下设计的,主要是考虑到不影响矿方施工进度,为了优化水力冲孔钻孔个数,减少施工量,根据对水力冲孔有效半径的测定,将有效影响半径定为716～810m ,为了能够更好地消除轨道巷掘进期间的突出危险性,避免空白带的出现,同时考虑到义安矿煤质较软,水力冲孔后钻孔周围的孔洞会随着时间的推移逐渐消失,以615m 作为水力冲孔有效影响半径,控制范围依然是倾向29m ,走向36m 。以此为依据,在3号钻场布置14个孔,布置方式如图7所示
。
图7 水力冲孔3号钻场钻孔布置
3号钻场14个冲孔钻孔的布孔方式主要是为了更好地消除轨道巷掘进期间的突出危险性,其中在轨道巷两帮布置的8个水力冲孔钻孔位于巷道两帮附近,可很好地掩护巷道掘进,剩下的6个水力冲孔钻孔主要是为了消除轨道巷两帮外15m 范围内的突出危险性和应力集中,防止冲孔后在巷道两帮附近产生应力集中。
3 结 论
对水力冲孔有效半径进行测定,流量法测定冲孔有效半径的范围为716～910m;压力法测定冲孔有效半径的范围为715～810m;经分析取这2个范围的交集,取716～810m 。考虑到义安矿煤质较软,水力冲孔过程后钻孔周围的孔洞会随着时间的推移逐渐消失,以615m 作为水力冲孔有效影响半径,控制范围依然是倾向29m ,走向36m 。依据冲孔有效半径布置冲孔钻孔,在同样的消突范围内,在防止出现空白带的情况下,冲孔钻孔数由原来的20个减少到14个,且缩短了每个钻孔的施工时间,节省了大量的人力物力,缓和了工作面接替紧张的局面。
参考文献:
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作者简介:魏建平(1971-),男,河南遂平人,博士,教授,硕士生导师,主要从事煤矿瓦斯灾害预测与防治、矿井通风与安全、突出矿井鉴定等方面的研究工作。Tel:0391-*******,
E -mail:weijianp ing@hpu 1edu 1cn
收稿日期:2009-12-15;责任编辑:王晓珍
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