高压小射流掏槽防突技术研究

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煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的灾害事故,不仅给国家和人民生命财产造成重大损失,而且严重制约了突出煤层的掘进速度,影响矿井采掘接替计划,制约煤矿安全高效生产。通过对煤与瓦斯突出的影响因素、煤与瓦斯突出机理和目前防治突出措施的综合分析,提出了高压小射流掏槽防突机理:煤体瓦斯释放,瓦斯压力梯度降低;应力集中带前移,应力梯度降低;煤体收缩变形,强度增加。研制了高压小射流防突装置及其配套设施:液压控制系统、远程监控系统和掏槽系统,通过实验室加压试验和行走实验,提高了装置的可靠性。制定了高压小射流防突技术工艺和安全防护措施,降低灾害事故的发生几率,加快突出煤层掘进速度,缓解突出煤层采掘接替紧张的局面。运用ANSYS有限元分析软件,对高压小射流冲击煤体破碎效果和巷道围岩变形数值模拟分析,验证了高压小射流在煤体掏槽过程中,促使冲孔内煤体暴露面积的增加,为深部煤体泄压和瓦斯渗流提供有利条件。同时槽孔周边一定区域的煤体发生变形移动,促进煤体内部裂隙的发育,增大煤层的透气性,扩大了槽孔周边煤层瓦斯的释放范围;另外高压小射流动力作用下,槽孔孔壁煤体产生较大的膨胀变形,促进裂隙的沟通和发育,增加了深部煤体瓦斯释放几率;冲孔区域煤体的破碎和变形,促使集中应力向煤层深部转移,煤体受力降低,煤体弹性能释放,裂隙充分发育,大量吸附状态的瓦斯演变为游离状态的瓦斯,经沟通裂隙充分释放,降低了突出煤层瓦斯压力梯度,消除了突出的危险性。综合分析不同巷道模型掏槽后的围岩应力和煤体位移变化情况,确定了高压小射流掏槽位置应距离巷道底板2/7处左右,掏槽孔径的大小为巷道底板长度的4/15左右,这样巷道围岩裂隙发育充分,且保持了围岩的完整性,有利于加快工作面的掘进速度。高压小射流冲孔试验表明在相同压力和流量下,同强度试样中冲出相同孔径的时间随着流量的增加而减小。当射流压力超过试样强度极限时,增大流量更有利提高射流的扩孔效果,因为在保持射流压力一定的情况下,提高枪嘴的射流流量,水流的搬运能力增强,促使更多孔底残留的煤块排出孔外,提高了冲孔速度。冲孔后试样加压试验表明试样冲孔孔径的增加,试样的抗压强度越来越小,试样强度损失比呈增大趋势,这表明大孔径对试样的泄压效果明显。而强度较大的试样在相同的冲孔孔径下,试样的破坏时间较长,强度损失比较小,因此,强度较大试样中需增大孔径才能达到较好的泄压效果。确定了高压小射流掏槽施工工艺,为设备现场应用提供技术支持。制定了掘进施工的安全防护措施,人员在距离施工端头200~300m的临时避难所内操作控制柜的流量阀门,控制液压马达进行往复运动,驱动高压水枪进行掏槽。对小射流掏槽废水进行净化处理,实现循环利用,同时对掏槽过程中释放的瓦斯进行集中抽放,收集作为一种能源,利废为宝,其经济和社会效益将会十分显著。
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