逐段卸压打钻施工技术研究文档格式.docx
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1003—0506(2009)12—0001—04
StudyonDrillingConstructionTechnologyofPiecewiseDepressurizati0n
LIGuo—qi,YEQing
(YiolIdsrruo,t.Yma230,ia)
maCanutyGopC.Ld,i470Chn
Absrc:
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holecolapse,holeblocking,outburstwereinvestigatedanditsformationcauseswereanalyzedduringfielddriling.Accordingtoforma—..
tioncauses,three.zoneddistributioninheadingface,straincurveandvolumeexpansionofcoal,thedrilingconstructiontechnologyof
pieeseerztospuowadByfletteraoaehlaotprmeenrigrmeerbane.t
ewiedprsuiainwatfrr.iedts,hesnbloelyuaatraddanaepaatrweeotidI
showsthatthedrilingconstructiontechnologyofpiecewisedepresurizationcanobviouslyimprovetheholedrainageefectanddecrease
theoutbursthazard,atthesametime,itcansolvethedynamicphenomenaandgasover-limitationduringdrilingandproduction...
Keywords:
driling;
dynamicphenomena;
three—zoneddistribution;
piecewisedepressurization
瓦斯抽放既能抽放瓦斯、减少瓦斯危害,又能消
1打钻过程中遇到的问题及原因分析
除瓦斯所带来的动力现象。
而钻孔抽放又是煤层瓦
斯抽放的主要手段,但在打抽放钻孔过程中经常出在突出煤层复杂构造区域(特别是松软突出煤
现喷孔、夹钻等动力现象,甚至打钻诱导突出,导致层)打钻经常会遇到喷孔、垮孔、堵孔、顶钻、卡钻,..
事故发生。
根据现场考察,打钻事故主要发生在钻甚至诱导突出等动力现象。
。
孔进入采掘工作面、巷道、地质构造和其他集中应力
(1)喷孔。
当钻孔进入软煤层时,钻头的切削
带区域,高瓦斯异常条带。
因此,在复杂构造带、突旋转对煤层产生一种冲击和破碎力,这种力使煤体
出危险带打钻非常危险和困难,但是在这种区域又破裂、粉碎。
破裂和粉碎了的煤体很快出现瓦斯解
不得不打钻,所以突出掘进工作面安全高效打钻施吸,钻孔周边煤体瓦斯的快速解吸使流入钻孔中的
工技术对减少事故、保证安全、提高抽放效果等具有瓦斯急剧增加,有的增加到正常瓦斯涌出量的几倍
现实意义。
到几十倍。
此时钻孔前方与后方出现了较大的瓦斯
梯度,因而出现了明显的瓦斯激流,承压的瓦斯激流
收稿日期:
2009—07—10
对破碎的煤颗粒起着边运送边粉化的作用,同时还
作者简介:
李国旗(1963一),男,河南平顶山人,高级工程师,长期从
继续向钻孔周边扩大影响范围。
由于钻孔孔径小或
事煤矿“一通三防”和防突管理、研究工作,现任义煤集团公司副总钻孔出现堵孔,粉化了的煤颗粒难以顺利地向孔外
工程师、瓦斯研究所所长。
排出,进一步增加了钻孔内外的瓦斯压力梯度,致使
·
..
1·
209年第12期中州煤炭总第168期
这种瓦斯涌出变成了爆发性的外流,形成了喷孔。
打钻过程产生的喷孔现象主要是高压瓦斯、应力集
中和软煤层这3个因素综合作用的结果。
(2)垮孔。
垮孔是钻孔壁发生垮塌的现象,形
成垮孔的原因主要有:
①煤层软并且孑L壁受震动后
随钻进而崩塌;
②随钻孔深度增加,在重力作用下钻
头向下偏斜,导致孔型不直、发生弯曲,钻进时钻杆
发生摆动,破坏孔壁;
③喷孔时瓦斯流对孔壁造成破
坏。
(3)堵孔。
堵孔是钻进中钻孔被煤粉煤渣充实
造成无法排渣的现象。
形成堵孔的原因主要有:
①..
孔内排渣不顺畅并不断积存,造成钻孔前方的煤渣、
煤粉无法外排,形成堵孔;
②垮孔未能停止,边排边
垮,造成无法正常清理孔内残渣;
③喷孔的结果。
(4)顶钻。
顶钻是钻进时钻头打滑、无法前进
的现象,往往是喷孔前的一种状态,瓦斯喷出的压力
大,超过或接近给进压力,暂时出现钻头打滑。
(5)卡钻。
卡钻是钻头既不能前进也不能后退
的一种状况,它主要是由于喷孔时未能及时退出钻
杆,破碎的煤体将钻杆和钻头箍紧,以及排渣不力、
孔内积尘增多,此时仍然钻进,使堵孔、垮孔的范围
不断扩大,从而造成卡钻,钻杆无法进退。
2理论分析与试验研究
在突出掘进工作面复杂构造区域中打深钻孔的
主要难点是,如何防止和减少喷孔、垮孔、堵孔和卡
钻等动力问题的出现,并且杜绝打钻过程发生煤与
瓦斯突出;
即使这些动力现象发生了,也应能有效地
控制和减少这些动力现象对钻孔施工过程的影响。
为此,笔者分析了掘进工作面附近煤体的“三区”分
布规律、煤体的应力应变全程曲线和扩容膨胀情况,..
以及钻孔释放和转移应力情况,提出了逐段卸压打
钻施工技术,并进行了试验。
2.1理论基础
(1)掘进工作面附近煤体的“三区”分布规律分
析。
煤矿井下开采破坏了原始地层中的应力平衡状
态,使煤体中的应力重新分布。
一般情况下,在较短
时间内就会在采掘空间临界面附近形成较高的集中
应力。
当采掘空间附近煤体集中应力值达到其极限
强度后,就会发生屈服变形,并且向煤体深部进行集
中应力转移。
经过一定时间,形成如图1所示的
“三区”状态,即卸压区、集中应力区和原始应力区。
在这“三区”中,煤体所受应力和变形性质各有差
2·
异。
图1中为距工作面的距离。
0
/
,...
塑性变形区i弹性变形区
卸压区应力集中区原始应力区
图1工作面前方煤体的应力分布示意
通常紧靠采掘空间的煤体(即卸压区中的煤
体)所承受的应力达不到原岩应力,因此卸压区和
集中应力区的塑性变形区中的煤体所受的应力通常
处于极限平衡状态。
林柏泉教授从卸压区煤体稳定
性条件出发,对“三区”进行理论分析,得出卸压
区的安全宽度为
n
D。
≥..一In[tago(
、No-y+P—-or)+1]
(1)
,1...
二‘n--,l
从式
(1)可以看出,掘进面附近卸压区范围的
大小和煤与瓦斯突出有直接关系。
当钻孔在卸压区
和塑性变形区钻进时,由于该区域的瓦斯得到充分
释放,煤岩体应力也得到释放,通常不会产生喷孔、
卡钻、垮孔、堵孔,从而诱发突出;
但是当钻孔进入弹
性变形区和原始应力区时,瓦斯压力较大,地应力较
大,就可能会产生喷孔、卡钻、垮孔、堵孔,并诱导突
出。
(2)煤样的应力应变全程曲线分析。
煤样的应
力应变全程曲线如图2所示。
煤样的应力应变全
过程曲线可以分为5个阶段:
原始空隙压密阶段
(OA段)、线弹性阶段(AB段)、弹塑性变形阶段
(BC段)、破坏阶段(CD段)和破坏发展阶段(DE
段)。
在OA段中,煤样形成新裂隙。
点为弹性极
限,从B点起,当应力在0.6o"
.以上时,煤样开始产
生新的裂隙,并呈现弹性变形,但BC段中破裂的传
播比较缓慢但稳定。
从C点起,当应力在0.95tr一
以上时,新裂隙急剧增加并相互贯穿,破裂开始快速
传播,应变速度明显增大,同时声发射激增。
在CD
段,贯穿裂隙继续发展,声发射继续变化。
当载荷达
到应力峰值时(图2中D点,即强度极限R),煤样
发生破坏并且出现明显的扩容膨胀现象。
由于采掘工作的影响,在掘进工作面前方形成
了“三区”结构分布,在应力集中区内产生煤体塑性
破坏,并且形成塑性极限应力带,其值一般在8—20
2009年第12期李国旗等:
逐段卸压打钻施工技术研究总第168期
m之间。
从以上分析可知,在CD段煤样内部新裂
隙急剧增加并且相互贯穿,因此当应力处于CD段
时,煤体具有良好的瓦斯流动通道。
由于工作面前
方煤体的应力分布与煤样的应力应变全程曲线很相
似,所以在塑性极限应力带,煤体发生破坏并且出现
明显的扩容膨胀现象,这为掘进工作面抽放瓦斯创
造了有利条件。
O
图2煤样的应力应变全程曲线
(3)利用钻孔释放和转移地应力。
在地应力的
作用下,煤层积蓄了相当大的储存能,而地应力在打
钻过程产生的突出等动力现象中所起的作用有:
①地应力的作用使煤体产生流变,并且使其从稳定
流变进入到失稳流变,从而使突出延时;
②围岩或煤
层的弹性变形潜能做功,使煤体破坏;
③地应力场控
制瓦斯压力场,促进瓦斯破坏煤体;
④高地应力决定
了煤层的低透气性,以致瓦斯泄漏减慢,造成瓦斯梯
度增高,煤体一旦破坏对突出有利。
因此,地应力是
打钻过程中动力现象产生的主要原因,由前述钻孔
动力现象原因分析也证实了地应力在打钻过程中所
起的作用。
包括我国在内的许多国家都确认超前钻
孔能有效释放和转移煤层地应力,特别是在我国,许
多高突矿井都是通过钻孔来释放地应力和瓦斯压力
的,并且试验中通过大直径钻孔的方法进行应力释
放所取得的效果已被确认。
所以在卸压区和塑性变
形区打钻,再通过这些卸压钻孔释放弹性变形区和
原始应力区的瓦斯压力和地应力,使弹性变形区和
原始应力区后移,经检测确认充分卸压并且达到安
全要求后,再进行第2阶段打钻,可以避免上述动力
现象的发生。
2.2试验研究
根据上述打钻过程的动力现象产生的原因及掘
进工作面“三区”分布规律、煤样的应力应变全程曲
线和扩容膨胀情况、钻孔释放地应力等分析结果可
知,要实现突出煤层复杂构造区域打深钻孔的目的,..
最简单和最有效的措施就是逐段卸压打钻施工。
经
过现场试验,获得了较合理的钻孔布置参数和抽放
参数。
钻孔布置参数和抽放参数包括钻孔深度、抽
放影响半径、抽放时间、钻孔直径、钻孔抽放负压、钻
孔布置方式、钻孔施工顺序、钻孔流量变化规律
等[。
(1)钻孔深度。
抽放钻孔要穿过卸压区和塑性
变形区进入弹性变形区。
根据对义马煤业集团公司
所属5对突出矿井掘进面现场实