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瓦斯灾害是制约我国煤矿安全、高效生产的最大障碍,因瓦斯事故死亡人数占煤矿死亡总数的40%以上,我国煤矿百万吨死亡率是发达国家的数十倍至百倍以上,而且,随着煤矿开采地质条件越趋复杂性以及开采深度不断加大的趋势,矿井瓦斯问题日益严重。由于瓦斯的无形性、隐蔽性、突出机理的不确定性及影响瓦斯赋存的地质条件的复杂性,长期以来一直是制约煤矿安全生产和煤炭工业发展的瓶颈。
峰峰集团大淑村矿为煤与瓦斯突出矿井,2号煤层为突出煤层,煤层透气性系数为0.861m2/mpa2.d,属于低透气性较难抽放煤层。目前,采用开采保护层的区域消突措施和超前排放瓦斯钻孔的局部消突措施。在开采野青保护层期间,抽采被保护层的2号煤层泄压瓦斯,但由于保护层煤层地质条件复杂,在开采过程中局部留有煤柱,为此,在局部未开采保护层的2号煤层采掘期前,必须通过预抽本煤层瓦斯进行区域消突。因此,解决煤层瓦斯抽放问题是大淑村矿治理瓦斯的关键,必须对其瓦斯含量、瓦斯压力、煤对瓦斯吸附常数、孔隙率、瓦斯涌出量、煤层透气性系数和钻孔瓦斯衰减系数等进行实地测定和研究,通过对瓦斯参数和抽放参数进行测定研究,进行矿井瓦斯抽放必要性的分析论证,确定有效的瓦斯抽放方法,为大淑村矿瓦斯治理提供技术支撑和理论依据,探索有效的抽放方法,解决难抽放煤层的瓦斯抽放问题。
煤层瓦斯含量是指未受采动影响的单位质量煤体中所含有的瓦斯体积(换算成标准状态),常用m3/t和ml/g作为计量单位。煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量与瓦斯涌出量的基础,也是预测煤与瓦斯突出的重要参数之一。生产矿井的煤层瓦斯含量一般采用间接法和直接法测定。考虑到大淑村矿的生产布局和采掘巷道布置现状,采用直接法测定煤层瓦斯含量。即利用煤层钻孔采集原始煤体煤芯,用解吸法直接测定煤样的瓦斯解吸量,并在实验室测定其残存量和瓦斯成分,补偿采样过程中的瓦斯损失量后,即可计算出煤层的瓦斯含量。瓦斯压力的测定采用标准的测试方法,即打穿层钻孔,穿过岩层后穿过整个煤层,在对钻孔进行密封,测定压力。可解析瓦斯量采用现场打钻进行实测。煤对瓦斯吸附常数、孔隙率指标等在实验室进行测定。矿井瓦斯涌出量采用分源法预测。煤层透气性系数通过现场钻孔实测时间准数结合实验室测定煤层瓦斯含量系数计算得出。
交叉钻孔可以使两钻孔在一定范围内钻孔间应力相互叠加,相互影响,使破碎区和塑性区的空间范围变大,相当于加大了钻孔直径,从而提高了瓦斯抽放效果。交叉钻孔高程差△h的大小对交叉钻孔的瓦斯抽放效果的好坏有决定性的影响。高程差△h太大,交叉钻孔的孔周破坏区不能形成相互影响带和充分影响带,发挥不了交叉钻孔的空间交叉效应;高程差△h太小交叉钻孔的空间交叉效应不能充分体现。高程差△h取6~8倍钻孔孔径为宜。交叉钻孔密度越大瓦斯抽放率越高,对不同密度的交叉钻孔而言,要达到相同的预抽率,所需的预抽时间不同;钻孔密度大的交叉钻孔所需时间短,密度小的钻孔所需时间长。交叉钻孔预抽煤层瓦斯也存在有效抽放时间的概念,当抽放时间在有效时间范围内增加时,瓦斯预抽率也随之增加,但预抽率的增长速度逐渐变小;一旦超过有效时间,抽放率基本不随时间延长而增大。
交叉钻孔之间的最大间距是有一定的限制的,超过一定程度则钻孔会失去交叉所产生的效果,成为两个互不相干的钻孔。如何能够使钻孔在较大的垂直距离之间能够相互影响,起到交叉钻孔的作用,水力松动便是一个有效的办法。水力松动的原理是通过高压水流,扩张煤体的裂隙,使煤体的破碎区、塑性区、弹性区扩大,水力松动可以配合交叉钻孔在交叉点部分扩大影响半径,从而增加瓦斯抽放量,改善瓦斯排放效果。通过现场试验可以看到,在钻孔倾角与煤层倾角相同的情况下,钻孔瓦斯自然涌出量随测定时间延长逐渐减小,平行孔衰减的趋势要比普通交叉孔快,普通交叉孔衰减趋势要比水力松动交叉钻孔快。在钻孔瓦斯涌出量方面,平行孔钻孔瓦斯涌出量要远小于普通交叉钻孔,普通交叉钻孔瓦斯涌出量要远小于水力松动交叉钻孔。正常情况下大淑村矿2#煤层的瓦斯抽放半径是1m,考虑到瓦斯抽放的负压作用,抽放场钻孔间距可定为2~3m之间,水力强化措施后大淑村矿2#煤层的瓦斯抽放半径是2.2m,考虑到瓦斯抽放的负压作用,抽放场钻孔间距可定为4~5m之间,普通交叉孔高程控制在0.3~0.4m,水力强化交叉孔高程控制在1.0~1.5m。
通过对本煤层交叉钻孔水力松动强化抽放技术进行研究,解决了低透气性煤层瓦斯抽放效果差的难题,为矿井搞好安全生产打下坚实基础,同时对其它矿井搞好瓦斯治理有一定的借鉴作用。