煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法与流程

文档序号:15578782发布日期:2018-09-29 06:16

本发明涉及煤矿开采煤与瓦斯突出灾害防控技术领域,特别是涉及一种适合于深部开采的突出煤层构造软煤区的煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法。



背景技术:

煤炭是我国主体能源,而随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭,煤炭资源的深部开采是必由之路。与煤矿浅部开采相比,深部开采地质条件和煤岩介质属性发生显著改变,采掘空间结构与应力场演化变得更加复杂,我国煤矿煤与瓦斯突出灾害依然严重。

目前,煤矿开采煤与瓦斯突出防治思路主要体现为瓦斯抽采,由于我们多数煤层属低渗煤层,各种增透技术和装备技术研究一直是我国突出防治和瓦斯抽采研究领域的热点话题。对煤体进行卸压增透的方法,主要包括保护层开采卸压增透、钻孔卸压增透法(包含各种水力化增透措施)、高能液体扰动卸压增透法和爆生气体扰动卸压增透法等。近年来,通过高压水力割缝(如公开号为CN106968706A的中国专利文献“一种水力割缝消除煤层巷道掘进中煤与瓦斯突出的方法”)和高压水力造穴(如公开号为CN104763462A的中国专利文献“岩巷穿层钻孔高压水力造穴瓦斯抽采方法”)等措施破坏煤体,降低钻孔周围的地应力,释放煤体内蓄积的弹性潜能,改变煤体的介质属性、提高煤体透气性能、促进低渗煤层瓦斯高效抽采,在一些矿区的防突实践工作中取得了较好的应用效果。采用固化等措施提高煤体强度达到防治煤与瓦斯突出的方法,在我国石门和井筒揭煤工作中也有所应用,主要是采用架设金属骨架、注入马丽散来加固石门或井筒揭煤区域的煤体强度。近年来,有些学者提出在石门揭煤过作业过程中采用低温冻结法(如公告号为CN104213921B的中国专利文献“基于水力割缝的冻结式石门揭煤方法”和公开号为CN102536243A的中国专利文献“煤层冻结式石门揭煤法”)来抑制煤与瓦斯突出,但由于操作工艺复杂等原因,未能开展现场工业应用。

上述方法,对防治高突煤层地质构造区煤与瓦斯突出还存在以下不足:

一是煤矿井下煤体是典型的非均质介质,特别是构造影响区,煤体结构对各种增透技术的效果影响显著,目前无法科学优选最佳的卸压增透措施和卸压增透位置;

二是与煤矿浅部开采相比,深部开采地质条件和煤岩介质属性发生显著改变,煤体介质属性呈现出更强的流变性,介质属性对煤与瓦斯突出的影响愈加显著,现有技术却少有考虑煤岩介质属性对防突措施效果的影响;

三是没有将卸压增透、瓦斯抽采和固化改性一并统筹考虑,而多是围绕卸压增透防治煤与瓦斯突出开展研究和应用,并未从提高煤体强度的角度采取措施,这就导致在一些突出矿区的局部区域,在采取瓦斯抽采措施或增透技术措施后,仍然发生了一些低瓦斯压力和含量的煤与瓦斯突出现象。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法,解决目前深部开采突出煤层构造软煤区的煤与瓦斯突出的技术问题。

本发明提供一种煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法,包括以下步骤:

步骤一、探测异常区

于掘进面迎头向突出煤层待消突区域施工若干个探测钻孔,利用彩色钻孔电视技术探测钻孔孔壁的煤体结构特征和原生裂隙分布情况,确定沿整个探测钻孔的构造软煤区和正常区;

步骤二、卸压增透

于掘进面迎头向突出煤层待消突区域施工若干个钻孔,采用高压水射流技术对构造软煤区进行造穴卸压增透,对正常区进行切缝卸压增透;

步骤三、并网抽采

在步骤二中的钻孔设置瓦斯抽采装置以并网抽采瓦斯,同时采用计量装置对钻孔瓦斯抽采情况进行连续监控;

步骤四、提高煤体强度

随着采掘施工的推进,当采掘工作面靠近正在实施抽采作业的构造软煤区时,拆除瓦斯抽采装置,钻孔内于构造软煤区的位置注入高分子发泡剂。

进一步的,步骤一包括以下步骤:

步骤11、开启彩色钻孔电视探测记录仪,使彩色钻孔电视探测记录仪处于录制状态并清零,向突出煤层待消突区域施工若干个探测钻孔;

步骤12、利用推送杆将彩色钻孔电视探测记录仪的摄像头沿探测钻孔向内推送直至探测钻孔的孔底,摄像头拍摄探测钻孔周围煤体全景图像,摄像头将拍摄的视频传送至彩色钻孔电视探测记录仪的主机,获取探测钻孔不同深度处探测钻孔孔壁的煤体结构特征和原生裂隙分布情况;

步骤13、利用计算机图像处理软件对探测钻孔周围煤体全景图像进行二次成像和处理,划分出整个探测钻孔的构造软煤区和正常区。

进一步的,步骤二包括以下步骤:

步骤21、向突出煤层待消突区域施工若干个钻孔;

步骤22、造穴-切缝增透作业

在构造软煤区每间隔4至5米施工一个造穴段,单个造穴段的长度为1米,出煤量控制在0.7吨至1.5吨的范围,在正常区每间隔2至3米进行一次切缝作业,切缝的深度≥0.5米。

进一步的,在施工钻孔钻进过程中同时进行造穴-切缝增透作业。

进一步的,在施工钻孔退钻过程中同时进行造穴-切缝增透作业。

与现有技术相比,本发明的煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法及具有以下特点和优点:

1、本发明的煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法,利用彩色钻孔电视技术进行超前探测分析,可准确掌握待消突煤层的煤体结构特征,从而有针对性的制定差异化的卸压增透措施,避免了增透措施设计和施工的盲目性;

2、本发明的煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法,不仅通过卸压增透降低地应力、增加煤层透气性能以一次改造煤体介质属性,而且还针对构造软煤区(高突区域),辅以采取注入高分子发泡剂的注料工艺二次改造煤体介质属性,提高煤体强度的措施,双管齐下、协同防控,从而有效的防控深部开采突出煤层构造软煤区的煤与瓦斯突出灾害的发生。

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为本发明实施例中探测钻孔的布置平面图;

图2为本发明实施例中探测钻孔的布置剖面图;

图3为本发明实施例中构造软煤区的分布平面图;

图4为本发明实施例中构造软煤区的分布剖面图;

图5为本发明实施例中钻孔的布置平面图;

图6为本发明实施例中造穴-切缝增透作业的施工布置示意图;

图7为本发明实施例中瓦斯抽采装置的局部示意图;

图8为本发明实施例中煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控工艺示意图;

图9为图8中A处的局部放大图。

具体实施方式

本实施例提供一种煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法,基于以下原理实现:

国内外的大量学者研究表明,煤与瓦斯突出主要受地应力、瓦斯和煤体力学性质三个因素的控制。“煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论”(详见《岩石力学与工程学报》2017年第36卷第2期)中建立了煤与瓦斯突出启动的力学判据如下:

式中,Cm为突出启动力学判据,大于1时表示有突出危险;p为煤层瓦斯压力,MPa;c,为煤层的内聚力与内摩擦角;pa为突出巷道内的环境气体压力;σxt、σyt、σzt分别为煤壁前方的动态应力场中三个方向的应力大小,MPa。

通过对上述突出启动力学判据分析得知,降低地应力、消除高能瓦斯和改变煤体的介质属性是三个不同且有效的消突措施。因此,本实施例的煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法从卸压消能和介质属性改造两个方面入手防控煤与瓦斯突出灾害。

以某煤矿15201煤巷掘进工作面为例,对本实施例作进一步地详细描述。

15201煤巷掘进工作面为某矿15#煤层南一盘区首采面的进风顺槽,15#煤层平均厚度为5.48m,该煤层的瓦斯基础参数测定结果显示,该区15#煤层瓦斯压力为0.67MPa,瓦斯含量为13.22m3/t,瓦斯放散初速度值ΔP为12.1,煤层软分层坚固系数f值为0.21。自建井至今,该煤层已发生多起煤与瓦斯突出事故,还曾在实测煤层瓦斯含量为6.20m3/t的区域发生过一起小型煤与瓦斯突出事故,因此该矿的突出危险性区域预测指标按照6.00m3/t(煤层瓦斯含量)执行。15201煤巷掘进工作面沿煤层顶板掘进,设计长度为1800m,采用综掘施工方式;巷道为矩形断面,净宽4.6m,毛宽4.8m,净高3.6m,毛高3.7m,净断面16.56m2,毛断面17.76m2;采用锚杆、经纬网、波纹钢带、钢筋钢带、锚索联合支护。15201煤巷掘进工作面掘进期间经常遇到小构造和构造软煤区,经常发生喷孔、顶钻等动力现象。目前15201煤巷已掘进542m,根据三维地震资料,掘进工作面前方大约25m和50m处存在DF17、DF18两条断层,落差分别为0~6m、0~4m,地质部门进行打钻探测未发现该断层。可见该区域地质构造复杂,煤与瓦斯突出的潜在风险较大,因此采用本实施例的煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法进行突出防治。

本实施例提供一种煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法,包括以下步骤:

步骤一、探测异常区

于掘进面迎头向突出煤层待消突区域施工3个约80m长的探测钻孔(1#探测钻孔、2#探测钻孔和3#探测钻孔),3个探测钻孔的布置方式如图1、图2所示。利用彩色钻孔电视技术探测钻孔孔壁的煤体结构特征和原生裂隙分布情况,确定沿整个探测钻孔的构造软煤区和正常区。

步骤一具体步骤如下:

步骤11、开启彩色钻孔电视探测记录仪(彩色钻孔电视探测记录仪具备深度记录功能),使彩色钻孔电视探测记录仪处于录制状态并清零,向突出煤层待消突区域施工若干个探测钻孔;

步骤12、利用推送杆将彩色钻孔电视探测记录仪的摄像头沿探测钻孔向内推送直至探测钻孔的孔底,摄像头对3个探测钻孔分别进行全孔段探视,摄像头拍摄探测钻孔周围煤体全景图像,摄像头将拍摄的视频经传输导线传送至彩色钻孔电视探测记录仪的主机,主机上的液晶显示屏实时显示探测钻孔周围煤体全景图像,获取探测钻孔不同深度处探测钻孔孔壁的煤体结构特征和原生裂隙分布情况;

步骤13、利用计算机图像处理软件对探测钻孔周围煤体全景图像进行二次成像和处理,划分出整个探测钻孔的构造软煤区和正常区。本实施例中,掘进面迎头前方20-28m段和56-66m段存在构造软煤区,这两个区域的煤体松软破碎、层理紊乱,具有突出煤体的典型特征;综合3个探测钻孔的图像信息,推测煤巷掘进面前方的构造软煤区分布如图3、图4所示。

步骤二、卸压增透(一次改造煤体介质属性)

依据图3、图4所示的构造软煤区分布规律,结合室内数值模拟分析计算,设计如图5、图6所示的钻孔及造穴-切缝增透作业的施工布置方案。于掘进面迎头向突出煤层待消突区域施工5个长度为80m的钻孔(1#钻孔、2#钻孔、3#钻孔、4#钻孔和5#钻孔)。采用高压水射流技术对构造软煤区进行造穴卸压增透,对正常区进行切缝卸压增透,目的是降低地应力作用煤体的弹性潜能及提高煤层瓦斯抽采效率。

步骤二具体步骤如下:

步骤21、向突出煤层待消突区域施工5个长度为80m的钻孔;

步骤22、造穴-切缝增透作业

造穴-切缝增透作业分为“前进式”和“后退式”两种施工方式,“前进式”是在施工钻孔钻进过程中同时进行造穴-切缝增透作业,“后退式”是在施工钻孔退钻过程中同时进行造穴-切缝增透作业。本实施例采用“前进式”造穴-切缝增透作业施工。

在构造软煤区每间隔4m左右施工一个造穴段,造穴水压为16MPa,单个造穴段的长度为1m,出煤量在1吨左右,在正常区每间隔3m左右进行一次切缝作业,切缝水压为20MPa,切缝的深度≥0.5m,每个切缝位置均施工至钻孔出清水为止。上述施工操作工艺,保证卸压增透的效果又不至于导致钻孔坍塌。

步骤三、并网抽采

采用图7所示的瓦斯抽采装置(图中仅示出塑料胶管、PVC封孔管、连接塑料胶管及PVC封孔管的塑料胶带、注浆管及注浆管上的爆破阀和逆止阀)在步骤二中的5个钻孔进行注浆封孔、并网抽采瓦斯,同时采用计量装置对5个钻孔瓦斯抽采情况(抽采流量、负压、浓度、纯量等数据)进行实时连续监控。

经过18天的抽采后,发现5个钻孔的平均抽采浓度由最初的46%衰减至15%;利用深孔取样装置取样,采用直接法测定煤层瓦斯含量发现,钻孔控制区域煤层瓦斯含量已由最初的12.00m3/t降至6.20m3/t。

步骤四、提高煤体强度(二次改造煤体介质属性)

构造软煤区内煤体强度较低,容易发生低瓦斯压力和低瓦斯含量突出问题。随着采掘施工的推进,当采掘工作面靠近正在实施抽采作业的构造软煤区时,拆除瓦斯抽采装置中用于并网连接的部分管路,采用高分子发泡剂注入泵(由注浆泵改造而成)经PVC封孔管向5个钻孔内于构造软煤区的位置注入高分子发泡剂,以对构造软煤区段进行填充加固,改变其介质属性(注料改性),注入后效果如图8和图9所示,显著提高了构造软煤区段的煤体强度。注入高分子发泡剂具有两方面的作用,一方面是发泡剂发泡膨胀后可以显著提高构造软煤区的煤体强度,进一步降低构造软煤区的煤与瓦斯突出危险性;另一方面是发泡剂发泡膨胀后,保持着较好的透气性能,不妨碍钻孔内瓦斯的正常抽采。注料工艺结束后,立即安排进行掘进作业,设计向前方掘进60m,留20m的安全掩护距离,掘进过程中严格实行局部综合防突措施,密切关注过构造软煤区过程中的动力显现情况。

现场监测结果表明:15201煤巷掘进工作面向前掘进60m过程中,在未补充施工局部防突钻孔的情况下,顺利通过了两个构造软煤区,两个构造软煤区的分布与预测结果基本吻合,整个掘进过程中未发生一次动力现象。说明本实施例的煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法对深部开采突出煤层构造软煤区的煤与瓦斯突出的防控是有效的。

本实施例的煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法,利用彩色钻孔电视技术进行超前探测分析,可准确掌握待消突煤层的煤体结构特征,从而有针对性的制定差异化的卸压增透措施,避免了增透措施设计和施工的盲目性;不仅通过卸压增透降低地应力、增加煤层透气性能以一次改造煤体介质属性,而且还针对构造软煤区(高突区域),辅以采取注入高分子发泡剂的注料工艺二次改造煤体介质属性,提高煤体强度的措施,双管齐下、协同防控,从而有效的防控深部开采突出煤层构造软煤区的煤与瓦斯突出灾害的发生。

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。

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