煤矿提高掘进效率生产技术探析

煤矿提高掘进效率生产技术探析

叶衍,王绍振

内蒙古鄂尔多斯市上海庙矿业公司榆树井煤矿

摘  要：以某矿某顺槽的掘进工程为研究对象，针对该掘进工作面瓦斯突出、掘进速度较慢的情况，提出通过CO2气相预裂技术控制瓦斯、提高掘进效率的技术工艺，设计了CO2气相预裂技术参数并在试验区段成功应用。试验监测表明，经CO2气相预裂技术处理的区域，防突参数K1值未出现超标现象，单孔平均流量、单组平均流量较之非预裂区域提高了247%和220%，预裂区域巷道总体掘进期间日均进尺4.4m，实现单头月进尺100.9m，比非预裂区域提高了近1.1倍。

关键词：CO2气相预裂；瓦斯突出；巷道掘进

1 工作面概况

某矿井某顺槽掘进过程中单个循环落煤瓦斯涌出量为1.5 m³/min，煤壁每百米瓦斯涌出量为0.3m³/min。某顺槽在掘进过程中，受瓦斯涌出影响较大，巷道掘进速率大大降低，为提高巷道掘进速率，实现安全高效的生产，现拟对矿井某顺槽实施CO2气相预裂技术，以提高工作面的掘进效率。

2 CO2气相预裂技术

CO2气相预裂技术目前主要用于消除煤矿掘进工作面瓦斯突出，实现本煤层瓦斯快速高效抽采等方面，其实质是通过加热液态CO2，使其在极短的时间内迅速膨胀，将液态CO2气化产生的低频、低速高压气流作为动力源，瞬间作用于低渗透高瓦斯的突出煤层，通过对煤层做功，扩张煤层裂隙，造成大范围的裂隙增透圈层[1]，进而形成高渗透裂隙卸压带，增加本煤层瓦斯的释放量，提高瓦斯抽采效率，加快掘进工作面推进速度。

CO2气相预裂多形成以预裂孔为中心，呈多方向放射状的裂隙扩展系统，一般来说，通过CO2气相预裂形成的扩散裂隙在煤岩体中发育，终止于煤层顶底板，扩散裂隙长度在1-3m左右，宽度在cm级以下。

2.1 CO2气相预裂提高掘进速度机理

（1）液态CO2气化能够产生400-600倍的膨胀气体作用于预裂孔壁，通过冲击波与应力波的叠加作用，持续对煤岩体产生压缩、粉碎，在掘进工作面煤眼体内部形成大量的径向贯通裂隙，降低瓦斯吸附性，有效均化瓦斯压力场，增加煤层透气性能，极大地消除掘进过程中瓦斯超限突出难题，进一步提高掘进工作面掘进效率。

（2） 掘进工作面在推进过程中，随着顶板悬露面积的增大，会在巷道前方煤岩体内形成局部应力集中的情况，极大地影响着推进速度，CO2气相预裂能够有效消除掘进工作面煤岩体的应力集中现象，通过冲击波的扩散，局部集中应力向着巷道深部转移[3]，煤岩体内的地应力发生改变并重新分布，进而形成新的应力平衡，有效降低了矿压的威胁，提高了巷道掘进安全性与时效性。此外，对于煤岩体坚硬的巷道，CO2气相预裂在煤岩体内部产生的裂隙能够有效破坏煤岩体的结构并降低其硬度，加快巷道掘进速度。

2.2 CO2气相预裂优势

（1）气相预裂采用高速冲击气体实现煤岩体的预裂破岩，不产生浑浊及对设备人员造成损害和威胁的气体，属“绿色预裂”，在煤矿施工生产中，气相预裂有效避免了火花的产生，在瓦斯突出、煤尘有爆炸危险性的矿井中适应性较强[4]。

（2）对煤岩体进行预裂破碎时，可以人为控制预裂方向与预裂强度，在一定程度上实现了对能量的有效控制，同传统的通过炸药预裂相比，CO2气相预裂产生的冲击波没有剧烈的破坏力，在进行气相预裂后，能够最大程度地保证煤岩体结构的稳定性，保护好巷道相关支护设备。

（3）CO2气相预裂在煤岩体中可形成以预裂孔为中心，呈多方向放射状的裂隙扩展系统，其影响范围较大，效果明显。此外，CO2气相预裂能够在有效消除矿井生产瓦斯突出问题的同时消除区域集中应力的威胁，实现了瓦斯治理与掘进施工的“同步性”。

3 工程实践

根据某矿的地质情况，考虑到该矿瓦斯赋存量大，掘进速度受阻的情况，拟在某顺槽实施气相预裂工艺。试验区域是长度为250m的掘进巷道，共设25个预裂钻孔，各钻孔的间距为5m，依次在各钻孔中间布置两个水平间距为2.5m的本煤层条带预抽钻孔，将10个抽采孔作为一组抽采单元进行抽采。预裂钻孔布置示意如图1所示。

图1 某顺槽预裂钻孔布孔方式

分别对预设的25个预裂钻孔以编号1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49进行命名，在某顺槽的煤层中部进行开孔，根据某矿矿井3#煤层的平均倾角（9˚）确定预裂孔的倾角为10˚，预裂段选在试验区域20-100m处，每个预裂孔布置25-40根压裂管，分别对预设的25个抽采钻孔以编号2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50进行命名，钻孔直径为Φ113mm，抽采钻孔采用膨胀水泥进行封孔，封孔长度为15～18。

4 效果监测

为验证CO2气相预裂技术在某矿某顺槽的应用效果，对试验区域进行了瓦斯流量试验测定，规定将每

10个抽采孔作为一个抽采单元进行瓦斯含量测定，测定时间间隔为一个小时，每个抽采单元进行三次测定，三次测定结果的平均值即为最终记录结果。自某顺槽开始预抽至今，

预裂区域的整体抽采数据较为稳定，单孔平均流量、单组平均流量分别为在0.0136m3/min和0.164m3/min，同比非预裂区域的单孔平均流量0.0045 m3/min和单组平均流量0.055 m3/min，分别提高了247%和220%，经预裂后的区域，煤岩体中吸附瓦斯得到了有效释放，区域透气性得到了较大的提高。

为验证CO2气相预裂技术对某顺槽增透消突的效果，在进行瓦斯流量的测定后，还进行了防突参数K1值的测定及卸压钻孔施工情况的观测，经过为期两个月的钻屑解吸指标K1测定，

在CO2气相预裂过后的区域，K1最大值≦0.36，较之非预裂区域K1的最大值降低，自在整个监测期间，未出现K1值超标现象。气相预裂实现了巷道掘进期间的消突卸压，保证了游离瓦斯的顺利抽放，极大降低了巷道突出危险性。在预裂区域内，打设卸压钻孔时出现的动力现象大幅减少，有效提高了钻孔施工的效率，实现了掘进工作面安全快速的推进。

5 结语

（1）瓦斯突出问题是煤矿安全生产中存在的重大隐患之一，严重影响、制约着矿井的掘进与生产，实践表明，CO2气相预裂技术能够有效增加煤层透气性能，消除高瓦斯矿井瓦斯突出的问题，在某矿某顺槽实施气相预裂工艺的区域内，瓦斯流量较之预裂前大大提高，瓦斯突出问题得到了有效解决，保障了工作面的安全生产。

（2）某矿某顺槽在进行CO2气相预裂后，巷道掘进速度大大提高，掘进期间，巷道日均进尺4.4m，单头月进尺100.9m，掘进进度比未采取CO2气相预裂的巷道提高了近1倍以上，实现了安全快速掘进的预期目标。

作者简介：叶衍，1996年9月，男，汉族，安徽安庆人。2019年毕业于山东科技大学泰山科技学院，采矿工程，本科学历，现助理工程师；现在内蒙古上海庙矿业公司榆树井煤矿，从事技术管理工作。

工作单位：内蒙古上海庙矿业公司榆树井煤矿

邮编：016200