12407综采工作面超前钻孔预裂安全技术措施.docx

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12407综采工作面超前钻孔预裂安全技术措施

12407综采工作面超前钻孔预裂

安全技术措施

一、工程概述

为提高块煤率、瓦斯抽采率及降低煤尘，根据12407综采工作面钻孔预裂设计方案及矿方相关要求，结合现场实际，需在12407综采工作面，对煤层进行超前钻孔预裂。

为确保超前钻孔预裂施工安全，特编制本施工安全技术措施。

二、钻孔布置技术参数及要求、施工工艺

1、钻机技术参数

采用ZDY3200S型煤矿用全液压坑道钻机，其主要技术参数：

钻孔深度：

350/100m，钻杆直径：

63.5/73mm，钻杆长度1.5m，额定转速：

50~175r/min，主轴倾角：

0~±900，给进行程：

600mm。

泵电动机型号：

YBK2-225S-4，泵电压660/1140，适用钻孔深度：

350/100m，终孔直径：

150/200mm。

2、预裂钻孔布置参数

（1）预裂单排钻孔布置参数

在回风顺槽钻机及预裂设备布置，从回风顺槽画好的点位置及角度向运输顺槽钻孔，沿平行工作面方向布置一组钻孔，在回风顺槽1600米，布置1#钻孔，依次向外布置2#、3#……，根据煤层薄厚起伏变化，当采高为2.4m时，钻孔布置在采高中间位置，即1.2m处，当采高为3m时，钻孔布置在采高中间位置，即1.5m处。

实验阶段1600m（1#钻孔离停采线距离），钻孔预裂应超前工作面不低于150m。

根据地质资料，在实施区域内，当遇到断层不能打预裂钻孔，可避开断层10m外继续布置预裂钻孔。

根据工作面周期来压步距，当遇到来压区域，不打钻孔预裂，利用矿山压力作用，对煤壁进行破碎，有效节约成本。

钻孔布置参数如表4-1所示。

1）孔间距：

设计高压预裂的有效切割半径是5m，预裂孔平均间距10m。

2）钻孔数量：

沿垂直于煤层倾向方向布置钻孔，试验区域共10个钻孔。

3）预裂孔长度：

预裂钻孔设计长度为126m。

4）钻孔直径：

113mm。

5）钻孔角度：

如表4-2

4-1钻孔布置参数表

钻孔直径

113mm

钻孔间距

10m

钻孔长度

126m

封孔长度

20m

预留保护线

20m

钻孔数量

10个

12407工作面回风巷高程高于运顺，存在一定角度。

由于12407回顺与运顺的高程测点存在20m的错距，因此在计算过程中需纠正错距引起误差。

4-2钻孔布置参数

12407回顺

12407运顺

正切值

角度

测点

标高

测点错距

测点

标高

1500

0.22154

仰角

1510

0.144765

仰角

1520

910.713

1520

1500

910.891

0.00119

0.06799

仰角

1530

0.056818

仰角

1540

0.045645

仰角

1550

0.034473

仰角

1560

907.331

1570

1550

907.392

0.00041

0.0233

仰角

1570

0.22899

仰角

1580

0.20569

仰角

1590

0.296885

仰角

1600

904.795

1595

1575

905.811

0.00677

0.38808

仰角

（2）预裂双排钻孔布置参数

在距离单排眼钻孔10#孔向外10m处，打双排钻孔的1#钻孔，依次布置2#、3#……，在回风顺槽钻机及预裂设备布置，从回风顺槽画好的点位置及角度向运输顺槽钻孔，沿平行工作面方向布置双排钻孔，呈三角型布置，底排钻孔与底板间距1m，顶排钻孔与顶板间距1m，顶排钻孔间距为12m，底排钻孔间距为12m，顶排钻孔与底排钻孔错距投影距离为6m。

具体如下图：

12407回风巷双排钻孔布置示意图

根据地质资料，在实施区域内，当遇到断层不能打预裂钻孔，可避开断层10m外继续布置预裂钻孔。

根据工作面周期来压步距，当遇到来压区域，不打钻孔预裂，利用矿山压力作用，对煤壁进行破碎，有效节约成本。

钻孔布置参数如表4-3所示。

1）孔间距：

设计高压预裂的有效切割半径是5m，预裂孔平均间距10m。

2）钻孔数量：

沿垂直于煤层倾向方向布置钻孔，12407工作面初步设计预裂区域长度为1600m，试验区域共266个钻孔。

3）预裂孔长度：

预裂钻孔设计长度为126m。

4）钻孔直径：

113mm。

5）钻孔角度：

根据测得高程计算得。

表4-3钻孔布置参数

钻孔直径

113mm

钻孔间距

6m

钻孔长度

126m

封孔长度

20m

预留保护线

20m

预计钻孔数量

250个

二、煤层预裂技术参数及要求、施工工艺

1、预裂泵的技术参数

（1）预裂泵驱动功率：

160KW，最大排出压力66MPa，最大排出流量：

7.1m3/h。

（2）水箱规格：

2m×1m×1m，与预裂泵直接相连，内有水质过滤装置，可保证水质。

（3）超高压软管：

超高压软管规格：

16×6S-80（内径

钢丝层数-压力），每根长度可根据需求定做。

（4）液压卷管器：

液压卷管器对预裂深度、速度进行控制，起到给进、后撤作用。

（5）封孔器：

采用FKS-80/15型号系列超高压煤层注水封孔器，封孔器外径88mm，封孔长度最大2.2m，承压40MPa；或者，采用钻孔封孔设备用煤炭科学研究总院重庆分院生产的KFB型矿用封孔泵，封孔长度8米，封孔距离20m。

（6）管路附属装置：

配套材料包括配套法兰、阀门、连接胶管及螺栓、胶垫等。

2、高压脉冲预裂技术参数

（1）预裂方式：

根据工作面煤层赋存条件，通过高压预裂冲击波破岩工艺方式，在超前工作面不低于150米，实施预裂。

（2）预裂压力：

预裂出口压力66MPa，可以自行控制。

（3）预裂半径：

5米。

（4）预裂时间：

高压预裂预裂器运行速度2m/min，预裂时间1h。

（5）巷道保护煤柱：

20m。

3、水压致裂裂化技术参数

（1）预裂方式：

根据工作面煤层赋存条件，通过高压预裂软化工艺方式，在超前工作面不低于150米处，实施高压预裂。

预裂液让煤体充分预裂、破碎，煤层间隙进一步裂化，采用多孔单泵水平混合预裂裂化工艺。

（2）预裂压力：

预裂压力控制在8~10MPa。

（3）预裂渗透半径：

10米。

（4）单孔预裂时间：

0.5～1h。

（5）单孔压裂时间：

不少于预裂时间2/3。

（6）单孔预裂量：

水平长轴5m，垂直短轴1m。

（7）煤岩活性水的比例，根据现场煤层软化系数实际而定。

（8）预裂量：

单孔0.7m3，累计1m3。

（9）预裂流量：

根据经验，动压预裂时应为0.7～2.0m3／h。

（10）预裂超前工作面开采位置的距离，不低于150米。

（11）封孔长度：

20米。

4、钻孔超前预裂工艺

根据红石岩煤矿综采工作面煤层赋存条件、构造特征，煤岩物理力学性质、综采工艺和开采技术条件等因素，综合分析，红石岩煤矿2#煤层超前预裂实施方案：

采取第一步高压脉冲预裂法，第二步水压致裂预裂法与综采工艺协调时，相配套的综合预裂技术方案。

12407工作面超前预裂分为三部分预裂区域，第一实验方案：

钻机及预裂设备布置在回风顺槽，从回风顺槽向运输顺槽钻孔预裂。

从切眼后退1600米处开始布置1#钻孔，钻孔间距为10米，到1500米即长度100m，共计布置10个钻孔，采用单排钻孔超前预裂工艺，进行预裂。

第二实验方案：

钻机及预裂设备布置在回风顺槽，从回风顺槽向运输顺槽钻孔预裂。

从第一实验区10#钻孔处，向外6米处布置双排1#钻孔，钻孔水平投影间距长度6米，从1500米到1400米共计100m长度，共布置16个钻孔，采用双排钻孔超前预裂工艺，进行预裂；

若第一实验方案，钻孔预裂效果比较，就采用第一方案，对12407综采工作面剩余1500m分成三个预裂区进行预裂施工。

若第一实验方案效果不好，则实施第二实验方案，从两个实验方案中选择最佳方案，对12407综采工作面剩余1400m分成三个预裂区进行预裂施工。

（1）三个预裂区单排钻孔超前预裂工艺

第一预裂区从1500m至1300m处，长度200m，共布置钻孔20个，钻孔平行与工作面，钻孔直径113mm，间距10m，钻孔长度126m，端头封孔长度10m。

第二预裂区从1300m至距开切眼900m区域内，长度400m，煤层中布置40个钻孔，顶板岩石中布置17个钻孔，钻孔直径113mm，钻孔长度126m，端头封孔长度10m，间距10m，钻孔平行与工作面水平布置。

第三预裂区从距开切眼900m至12407工作面停采线，长度1000m。

煤层中布置90个钻孔，钻孔直径113mm，钻孔长度126m，端头封孔长度10m，间距10m，钻孔平行与工作面水平布置。

（2）三个预裂区双排钻孔超前预裂工艺

第一预裂区从1400m至1300m处，长度100m，共布置钻孔16个（依据现场工作面实际推进情况钻眼数量可做调整），钻孔平行与工作面，钻孔直径113mm，错间距6m，钻孔长度126m，端头封孔长度10m，钻孔水平夹角以钻眼布置参数表为准。

第二预裂区从1300m至距开切眼900m区域内，长度400m，煤层中布置66个钻孔，钻孔直径113mm，钻孔长度126m，端头封孔长度10m，错间距6m，钻孔平行与工作面水平布置。

第三预裂区从距开切眼900m至12407工作面停采线，长度1000m。

煤层中布置150个钻孔，钻孔直径113mm，钻孔长度126m，端头封孔长度10m，错间距10m，钻钻孔角度以钻眼布置参数为准。

四、多功能煤岩水力预裂设备安装使用、技术参数及要求

采用XKRFS-Ⅱ-1型煤岩层多功能水力预裂Ⅱ代1型设备，它是煤岩层的内部、外部水力预裂、煤岩层的定向切割裂化的专用设备。

具体使用方法如下：

1、安装

（1）、根据综采工作面煤层预裂设计，超前工作面采用ZDY3200S钻机，布置钻孔。

（2）、将设备以整机状态搬运到设计的煤层预裂钻场，选准要预裂的钻孔，布置设备，将液压卷管器上的高压胶管出口对准选准的钻孔。

（3）、将设备固定好，保证设备稳定、平稳。

2、连接

（1）、将高位水箱出水口软管与高压泵组过滤器入水口连接。

（2）、将高压泵组回流管与高位水箱回流口连接。

（3）、向高位水箱内注满水，可通过高位水箱液位指示管查看。

水箱中的水在整个预裂过程中必须保证多于1/2水箱，最好保持水箱中水量完全充满，保证压力。

（4）、将高压泵组防爆电机与液压卷管器防爆电机分别与660/1140V高压电连接，确保电机转向与指示方向一致。

（5）、高压泵注入15W-40柴机油，油位不低于油窗的2/3。

液压卷管器液压油箱注入液压油，不低于18L。

（6）、将侧向90°预裂器与高压胶管连接，预裂器需配带上特制帽套。

（7）、检查装备各部件连接处牢靠性、密封性。

3、运行

（1）、打开高位水箱出水口阀门，打开不锈钢过滤器上部排水阀门，排出空气，待有水流出，关闭不锈钢过滤器上部排水阀门。

（2）、高压泵组手动调压阀逆时针完全旋转处于完全开启状态，液压卷管器控制箱调压阀顺时针完全旋转处于完全关闭状态。

（3）、开启液压卷管器防爆电机。

（4）、操作液压卷管器控制箱，向上扳动手动换向阀，液压卷管器转筒正向旋转，缓慢调节调速阀，将预裂器送入将要预裂的孔内，在送管过程中，可用手摆动高压胶管辅助推送高压胶管。

（5）、待高压胶管推送到预定位置，扳动手动换向阀到中间位置，停止推送高压胶管。

（6）、启动高压泵组防爆电机。

（7）、启动红外数据采集系统；观察校对压力表压力。

（8）、顺时针缓慢旋转高压泵组调压阀，观察抗震压力表，调节压力到60MPa，停止调节调压阀。

（9）、操作液压卷管器控制箱，向下扳动手动换向阀，液压卷管器转筒逆向旋转，调节调速阀，使高压胶管以2m/min抽出，在抽出过程中，可手动摆动高压胶管，使高压胶管在转筒依次排列整齐。

（10）、在抽出高压胶管过程中，仔细观察高压胶管上的安全标线，待出现10m标线时，将液压卷管器控制箱中的手动换向阀扳动到中间位置，停止收管。

（11）、逆时针完全旋转高压泵组调压阀，处于完全开启状态，使高压管逐渐降压至完全卸压。

（12）、关闭高压泵组防爆电机。

（13）、向下扳动液压卷管器控制箱换向阀，使高压胶管从孔内完全退出，扳动换向阀到中间位置，取下预裂器。

（14）、将高压胶管与封孔器接头连接，向上扳动液压卷管器控制箱换向阀，将封孔器送入孔内距离孔口10m处位置，将换向阀扳动到中间位置。

（15）、再次开启高压泵组防爆电机。

（16）、顺时针缓慢旋转高压泵组调压阀，观察抗震压力表，调节压力到15MPa，停止调节调压阀。

（17）、观察煤层裂隙破坏状态，持续加压至煤层预裂裂隙大范围扩展，运行时间小于0.2h。

预裂完成后时，逆时针完全旋转高压泵组调压阀，处于完全开启状态。

（18）、关闭高压泵组防爆电机。

（19）、观察预裂钻孔破裂效果，以及孔内工作液的卸除情况，直到孔口泄水基本结束，封孔器收缩回复原型。

4、停车回收

（1）、确认预裂孔内压力水完全卸压，封孔器已收缩完毕的情况下，操作液压卷管器控制箱，向下扳动手动换向阀，收缩高压胶管，待封孔器从孔内退出，扳动换向阀到中间位置，取下封孔器。

（2）、关闭液压卷管器防爆电机。

（3）、将设备搬运到下一个将要预裂的钻孔位置，重复以上操作。

（4）、设备长时间不使用时，将水箱排水阀门、不锈钢过滤器底部排水阀门、高压泵底部排污排水阀门打开完全打开，放空设备中水，关闭以上阀门，防止冬季温度过低，冻坏设备。

5、数据处理

（1）、设备在预裂过程中的压力可通过抗震压力表（校对压力表）直接查看，操作设备。

预裂效果监测也通过数据采集系统采集压力，在设备附近无线通讯的有效距离为10m范围，通过数据采集器采集当前一段观测数据，保存。

（2）、预裂时间可以通过计时装置获取，也可以通过压力采集系统采集数据的时间来确定。

6、注意事项

（1）、煤矿用注水泵和隔爆型三项异步电动机必须具有“煤矿矿用产品安全标志证书”及相关标志，方可下井使用。

严禁使用没有煤矿安全标志的产品。

（2）、未经厂家出具书面材料许可，任何人不得随意变更安标配套件及零（元）部件配置，安全阀出厂已调定，不许随意调整。

五、封孔施工工艺及程序

（1）、在预裂结束后，将预裂器从高压胶管上取下，再将高压胶管与封孔器接头连接好后，将封孔器送入孔内距离孔口20m处位置，向上扳动液压卷管器控制箱换向阀，将换向阀扳动到中间位置。

（2）、再次开启高压泵组防爆电机。

（3）、顺时针缓慢旋转高压泵组调压阀，通过对封孔器加压，压力使封孔器膨胀，对钻孔进行封孔。

（4）再通过对钻内注带压水，使煤层裂隙进一步致裂。

（5）观察抗震压力表，调节压力到15MPa，停止调节调压阀。

（6）、观察煤层裂隙破坏状态，持续加压至煤层预裂裂隙大范围扩展，运行时间小于0.2h。

预裂完成后时，逆时针完全旋转高压泵组调压阀，处于完全开启状态。

（7）、关闭高压泵组防爆电机。

（8）、观察预裂钻孔破裂效果，以及孔内工作液的卸除情况，直到孔口泄水基本结束，封孔器收缩回复原型。

六、供电

1、12407回风顺槽的电源来自四采区变电所，05#移动变电站放置南翼轨道巷的联络巷内，KBZ-400馈电、KBZ-200馈电放置在回风顺槽的水仓位置，钻机及预裂设备的电源开关QBZ-80N放置在平板车上，跟随钻孔位置移动。

2、KBZ-400馈电上安装瓦斯断电仪，报警深度≥0.5%CH4断电浓度≥0.5%CH4，复电浓度＜0.5%CH4，断电范围：

运输巷、工作面及其回风巷内全部非本质安全型电气设备。

七、施工技术要求

1、加强测量工作，提高测量精度，钻孔前由地测科根据钻孔设计方位角度，准确定位。

2、打钻时，钻孔必须依次编号，严格按施工设计参数打眼，并要有详细的原始记录。

3、在高压预裂割煤过程中，对每个孔预裂压力、流量、预裂量等参数做详细记录。

4、水压致裂预裂过程中，每孔预裂量、预裂时间、压力、流量等参数必须详细记录。

5、水压致裂预裂工要有高度责任心，观察要详细，记录要准确齐全。

加强预裂高压泵的日常检修，确保预裂压力达到设计要求。

6、地测科要将预裂孔位置标清，生产科与通风科负责将预裂前后粉尘含量、瓦斯含量等数据测定记录齐全，为以后煤层预裂提供可靠的理论依据。

7、钻孔打成后，应及时预裂，成孔搁置时间不应超过24小时，避免塌孔影响预裂效果。

八、施工安全技术措施

1、施工人员，进入施工现场必须先检查后工作，发现问题处理并及时汇报。

作业过程中，发现异常时，严禁继续作业，应及时汇报矿调度室，必须做到不安全不生产。

2、施工人员必须在安全可靠的支护下进行施工作业，在打钻前或打钻期间，应坚持对施工地点附近敲帮问顶，对不安全的顶或帮，应该加强支护或处理，防止出现煤壁片帮伤人。

3、钻机安排专人管理，按照说明书进行维护、保养，系统压力不得超调，压力油管不得在漏油、渗油下工作。

4、钻机的渗漏油液时，应及时收集回收，上井进行处理。

5、钻机的高压胶管不得随意更换，保证接头连接可靠，防止钻机工作时，出现伤人事故。

6、钻机的油管未全部接好不允许试转电机，孔内有钻具，除按规定程序卸钻杆外，绝不允许马达反转。

7、停止钻进时，要立即将夹持器功能手把推向前位，使夹持器夹紧钻杆，确保安全。

8、用钻机的马达反转卸开钻杆接头时，必须留足卸扣长度。

9、在钻进过程中，要随时注意观察各压力表的读数变化，发现异常及时处理。

10、长距离搬迁钻机，拆下油管后，所有的接头均需用堵头堵住，并盘绕整齐，以免运输过程中污染或刮伤。

11、钻机在装车运输钻机时，应将机身下落到最低位置，然后锁紧轴瓦，防止意外滑落。

12、钻机在起吊、装卸、运输过程中，应注意保护压力表、操作手把、手轮、外露油管接头、机身导轨、滤清器和冷却器等零部件。

13、钻机的所有部件在搬运过程中，均不允许顺坡道滚放，也不能从水中通过。

14、聘请钻机及预裂设备生产厂家技术人员，对施工人员进行培训，包括钻机及预裂设备的操作使用及注意事项，确保熟练操作，培训考试合格，取得上岗证，必须持证上岗，规范操作。

15、操作钻机时，施工人员必须穿戴整齐，以免袖口被钻杆缠绕，严禁带手套施工。

16、钻进过程中，施工人员随时观察钻钻进情况，防止断杆伤人。

17、支设钻机时，要稳设牢固，所以紧固件，紧固到位，安全可靠。

18、施工过程中，注意保护回顺的监测监控线、瓦斯抽放管道，确保监测监控线、瓦斯抽放系统正常。

19、钻机及其配电点，加强设备管理，杜绝失爆，全部设备实现瓦斯电闭锁。

20、需根据运、回顺槽两侧煤层底板标高，确定打钻孔的角度，避免将钻孔打进煤层底板或顶板。

21、高压预裂割煤前检查装置和管线的安全性和可靠性，装置在割煤过程中，切勿站在泵头正面，以免出现事故造成人身伤害。

禁止连接、拆卸和修理高压管件。

具体注意事项根据《操作流程及注意事项》严格操作。

22、水压致裂预裂前需要检查预裂系统和预裂管线的密封性，在高压管路密封性不好或者破损时禁止预裂。

当高压管路处于承压状态时，禁止连接、拆卸和修理高压管件。

23、水压致裂预裂时，预裂孔正对方向严禁站人，以防封孔器压出伤人。

24、打眼和预裂必须严格执行《煤矿安全规程》和《各工种操作规程》及施工作业规程。

25、为了防止在预裂过程中预裂孔周围煤壁片帮伤人，预裂时，预裂巷道孔前后各12m范围内不能有人在机道内工作或行走、逗留，应拉好警戒线，并挂警示牌提醒。

预裂时，预裂人员不应离开截止阀，截止阀应放在既安全又便于观察预裂孔周围煤壁的位置，当出现煤壁大面积片帮等异常情况时，应能做到随时关闭截止阀，停止预裂。

26、打钻和预裂过程中，应随时根据煤壁附近的空顶情况，及时前移支架，并用支架的前档板挡好煤壁。

27、在钻孔预裂过程中，遇到巷道顶板不好位置，严禁钻孔预裂施工。

28、回风巷道内的钻孔预裂机电设备，加强日常维护管理，杜绝失爆现象发生。

29、所有参加施工人员，必须学习本施工安全技术措施。

30、未尽事宜，严格按照《煤矿安全规程》、《ZDY3200S型煤矿用全液压坑道钻机使用说明书》、《多功能煤岩水力预裂装备操作手册》、《红石岩煤矿层开采提高块煤率技术开发研究》方案及《12407综采工作面作业规程》相关规定执行。