强矿压低透气性煤层中CO2相变致裂卸压增透技术研究

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矿井冲击地压与瓦斯的存在对煤矿的开采造成很大的制约,严重影响着煤矿的安全,强矿压厚煤层矿井开采过程中,采用放顶煤开采极易诱发矿井冲击地压事故的发生,同时,煤层属于低透气性煤层,瓦斯抽采难度大,放顶煤过程中,容易造成上隅角及回风顺槽瓦斯超限问题。随着我国开采深度的不断加深,煤层埋藏深度逐渐加大,在地应力作用下,煤体本身透气性呈现降低趋势,同时发生冲击地压危险性也在增大。因此,强矿压低透气性煤层在开采过程中,是目前煤炭企业面临的重要问题之一,是我国井工煤矿开采灾害治理方面急需深入研究的问题。本文采用液态二氧化相变致裂技术对煤岩体进行致裂卸压增透,在爆破器材管主管内充装液态CO2,在发爆器加热后,爆破器材主管内液态二氧化碳开始气化,气体体积迅速膨胀,可达到600余倍,管内产生大量高压气压,压迫主管的泄能片,当泄能片达到极限压力后,迅速破断,通过泄能头出气孔高速排出,产生高压冲击波冲击煤岩体,使煤岩体致裂,起到了爆破作用和目的。基于陕西彬长矿区胡家河煤矿401采区煤层赋存条件、地质条件以及现场的工作实践为基础,以401103放顶煤采煤工作面为例,研究分析胡家河煤矿4煤层冲击地压危险性和煤层透气性。根据力学计算方法可得,煤岩体通过致裂方法增加透气性后,煤岩体裂隙的透气性系数与煤岩体内部的线裂隙率、裂隙的线密度成正比关系,即煤岩体增透后,透气性加大。通过分析物理爆炸原理及机理,认为采用二氧化碳相变致裂技术,爆破后可以有效提高煤岩体的透气性,同时能对煤岩体起到卸压作用。通过采用FLAC3D数值模拟方法及工业试验得出,二氧化碳相变致裂爆破卸压效果显著,爆破前后对比,煤体应力降低卸压效果显著,每日微震事件平均能量降至临界值以下,巷道冲击破坏作用大大降低,确保了巷道的安全。通过数值模拟与工业试验,爆破后煤体抽采有效半径大大提高,透气性加大,瓦斯抽采浓度及混合抽采流量显著增加。二氧化碳相变致裂技术的应用确保了胡家河煤矿强矿压低透气性煤层灾害治理难题,同时也对其它类似条件矿井的工作面开采提供理论和技术借鉴。
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