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气相压裂增透技术在立井揭煤中的运用

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《建井技术》2017年第3期

摘要:常规的穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施,抽采瓦斯速度较慢,抽采效果较差,揭煤工期较长,且安全保障程度较低。五阳煤矿扩区进风立井揭煤施工中,运用CO2气相压裂增透技术,安全高效地揭穿了深厚突出煤层,为同类工程施工提供了经验。

关键词:立井揭煤;CO2气相压裂增透;突出煤层;煤体加固

1工程及地质概况

山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿位于山西省襄垣县境内,设计生产能力4.0Mt/a,为高瓦斯矿井。该矿扩区进风立井净直径8.8m,设计深度804.3m。井筒冲积层段采用冻结法施工,冻结深度220.5m,双层钢筋混凝土复合井壁;冻结段以下基岩段采取普通法施工。基岩段井壁结构:220.50~736.3m段为素混凝土双层井壁,外壁厚度350mm,内壁厚度450mm;736.3~804.3m段为素混凝土单层井壁,厚度450mm,混凝土强度等级均为C45。井筒检查孔报告及前探钻孔探测情况均显示,主采3号煤层位于井深728.40~734.20m处,厚度5.80m,位于山西组地层中下部,煤层结构简单,以亮煤为主,次为暗煤。煤层下部含夹矸1层,厚度0.80m,为泥岩或炭质泥岩。煤层顶板为泥岩,灰黑色,中厚层状,性脆,贝壳状断口,含植物化石;底板为泥岩,深灰黑色,块状,断口平坦。区域预测钻孔实测瓦斯原始压力介于2.23~3.72MPa之间,瓦斯含量20.13m3/t。测压孔施工中,有明显的喷孔顶钻瓦斯动力现象,故须将该煤层视为突出煤层管理。

2区域防突措施

2.1探煤

井筒掘进至距3号煤层顶板20m(即井深708.4m)时,施工了4个探煤钻孔,对称布置于井筒工作面。钻孔穿透煤层,进入底板0.5m,准确探测出了煤层赋存形态、产状。

2.2区域综合防突

2.2.1区域突出危险性预测

按照探煤时获取的里程数据,井筒工作面施工至距3号煤层顶板法向距离10m时,施工了4个测压钻孔,穿透煤层,进入煤层底板0.5m,实测了瓦斯压力及瓦斯含量。

2.2.2区域综合防突措施

根据对煤层突出危险性预测结果,区域综合防突采取CO2气相压裂增透+穿层钻孔预抽煤层瓦斯快速消突措施[2]。

(1)CO2气相压裂增透CO2气相压裂增透技术是利用化学加热压裂管中充填的液态CO2,使其迅速转化成高能量气体,瞬间作用于煤层,将煤层震松,产生大量裂隙,使控制范围内煤体中可能存在的聚积瓦斯均匀分布并通过钻孔快速扩散,从而起到消突作用[3]。CO2气相压裂设备型号C-74,压裂杆直径67mm,单根压裂杆长度2m,液态CO2质量(1.5±0.2)kg/根,液态CO2膨胀体积1∶600,反应时间约20~40ms,压力60~270MPa,封孔长度1m。气相压裂在扩区进风立井工作面距煤层顶板法向距离8m处实施。共施工气相压裂孔31个,每个压裂孔内布置3根压裂杆(见图1)。压裂杆之间串联,每个压裂杆头均有1个起爆装置。压裂杆全部装填完成后,进行气相压裂施工。

(2)穿层钻孔预抽煤层瓦斯消突根据矿上提供的资料,该矿揭煤区域抽采钻孔终孔间距为5m,设计预抽区域防突措施钻孔总数为112个,在距煤层顶板法向距离8m处施工。钻孔均穿过煤层,进入煤层底板0.5m。在地面距进风立井井口50m以外安装1台2BE1355-1BD3型水环真空泵。在井筒内悬吊1趟159mm无缝钢管作为抽放干管;抽放管支管选用60mmPVC管,采用聚氨酯材料封孔。井筒工作面每个钻孔施工完成后,立即接入抽放管路,不得自然排放,以避免瓦斯超限,直到钻孔全部施工结束,并网完毕。每个抽放支管均安设闸阀,以便随时观察和控制单孔抽放量。

2.3区域防突措施效果检验

区域防突措施效果检验指标主要采用瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标(Δh2或K1值)。按照《防治煤与瓦斯突出规定》,进行效果检验钻孔设计。在区域措施钻孔施工密度最小、施工时间最晚的措施钻孔附近,施工4个效果检验钻孔,测定钻孔取出的湿煤样。实测煤层残余瓦斯含量为6m3/t,Δh2为120Pa,K1为0.2mL/(g•min1/2),据此确定可掘进至距煤层顶板法向距离5m前。

2.4区域验证区域验证与工作面

突出危险性预测方法相同。在距煤层顶板法向距离5m前,施工4个验证钻孔,实测各项指标均符合防突要求,确认煤层无突出危险性,可进行下一步局部综合防突施工。

3局部综合防突措施

(1)钢筋混凝土骨架煤体加固技术在井筒工作面距煤层顶板法向距离5m前,实施钢筋混凝土骨架煤体加固措施。煤体加固钻孔平面径向布置,孔径75mm,开孔位置距井壁0.5m(布置圈径7.8m),外扎角12°,共布置25个,孔间距1m。钻孔穿过煤层,深入煤层底板0.5m,终孔位置超出荒径2m。钻孔施工完毕,孔内放置20mm×11m螺纹钢筋后,注入水灰比为1∶1的P•O42.5水泥浆液。浆液凝固后,与煤体固结,形成结石体帷幕,增加井筒周边煤体强度,防止煤层突出[5]。

(2)区域验证煤体加固结束后,井筒掘进至距煤层顶板法向距离2m处后,进行区域验证。该处区域验证方法与工作面突出危险性预测相同,验证钻孔为5个,验证指标与距煤层顶板法向距离5m前一致。经验证,工作面无突出危险性[6]。

4远距离爆破揭煤施工

采取CO2气相压裂增透+穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施和钢筋混凝土骨架煤体加固技术后,经区域防突效果验证,防突措施有效,确定在距煤层顶板法向距离2m前,采用远距离爆破方法,揭开煤层,施工安全顺利。

5施工效果

经测算,采用常规抽采方式揭穿该煤层,工期需128d;而采用该项技术,工期共80d(探煤3d,测压7d,井筒掘进支护10d,CO2气相压裂10d,瓦斯抽放46d,准备及收尾4d),比常规方法提前工期48d。实践证明,采用该项技术,可大大缩短揭煤工期,解决立井揭穿深厚突出煤层预抽瓦斯时间过长、抽放效果不佳等问题,节省揭煤施工期间的各项费用,取得可观的经济效益,并且施工安全,是立井揭穿深厚突出煤层的经济可行的有效方法。

参考文献:

[1]宋显锋.掘进面迎头CO2气相压裂卸压增透技术研究[J].现代矿业,2017(2):186-187.

[2]张为民,秦续峰.薄基岩厚煤层立井冻结掘砌施工[J].建井技术,2016,37(4):1-3.

[3]张超杰,蒋承林.多立井揭煤联合区域防突措施的实践与探索[J].煤炭技术,2015,34(5):144-146.

[4]姚再峰,何富连,王文博.气相压裂技术提高综放面初采的研究[J].煤炭技术,2015,34(4):28-30.

[5]孙仕元,李翔.淮南矿区立井揭煤段井筒加固技术[J].建井技术,2016,37(5):21-24.

[6]穆朝云,邓中,张明.深立井井筒揭穿低透气性突出煤层综合防突技术[J].江西煤炭科技,2014(4):1-4.

作者:韩晓东 单位:中煤第一建设有限公司

建井技术杂志责任编辑:张雨    阅读:人次