高壓磨料水力割縫技術(shù)在高突煤層的應(yīng)用

徐 文 任青山 王春霞 彭 斌

（六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004）

隨著開采深度的增加，煤炭的安全生產(chǎn)受到瓦斯災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重的威脅。煤與瓦斯突出嚴(yán)重制約著煤炭的安全生產(chǎn)，有效治理瓦斯成為礦井安全生產(chǎn)的首要任務(wù)。如何實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域的快速安全掘進(jìn)是治理瓦斯的重中之重，這些區(qū)域往往瓦斯含量大，壓力高，透氣性較差，煤體疏松，嚴(yán)重制約著煤體的安全產(chǎn)出。

對(duì)于嚴(yán)重突出煤層在不具備保護(hù)層開采條件，預(yù)抽又效果不好的情況下，強(qiáng)化抽放煤層瓦斯是煤炭工作者面臨的難題。底抽巷穿層鉆孔高壓磨料水力割縫技術(shù)是目前效果較為可靠的強(qiáng)化抽放瓦斯技術(shù)，該技術(shù)能有效的釋放高突區(qū)域瓦斯，掩護(hù)掘進(jìn)工作面的安全施工，提高掘進(jìn)速度，增加經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 原理

底抽巷穿層鉆孔水力割縫技術(shù)首先在工作面進(jìn)回風(fēng)巷及開切眼的下方巖層中施工巖石巷道，在巖巷中打穿層鉆孔，退鉆時(shí)利用鉆頭將混有石英砂的高壓水向煤層中噴射造縫，并沖出大量的煤，強(qiáng)化泄壓并釋放瓦斯達(dá)到消突的目的。

底抽巷較高位巷有較明顯的優(yōu)勢(shì)，那就是煤層中的水可以有效的排出，高抽巷往往因?yàn)槊簩又械乃荒苡行У呐懦龆璧K了瓦斯的解析，故而在有水的煤層高抽巷效果不佳。底抽巷在利用水力割縫時(shí)能較為方便的排出水和煤泥，為瓦斯解析提供空間。

高壓磨料水力割縫主要是利用攜帶石英砂的高壓水流沖擊煤體達(dá)到割縫的目的，水流在高達(dá)30Mpa的壓力下高速?zèng)_擊煤體，流體沖擊造成的彈性拉力波在煤體中沖撞、反射和干擾，破壞了材料的分子結(jié)構(gòu)，造成了煤體的局部流變和裂縫的產(chǎn)生（如圖1），高硬度的石英沙提高了水流的造縫能力，加速了局部煤體的破壞過(guò)程[2]。

圖1 高壓水切割煤體示意圖

高壓磨料水能在煤體中形成很深的泄壓、排瓦斯通道，回流的高壓水能攜帶出大量的切割下來(lái)的煤體，裂縫空間導(dǎo)通了煤體中原有的裂隙，煤體膨脹的同時(shí)達(dá)到了泄壓的目的。裂隙的導(dǎo)通便于瓦斯的解析、流動(dòng)與抽放；地應(yīng)力和瓦斯壓力的釋放，消除了突出的危險(xiǎn)。與水力沖孔相比，高壓磨料水力割縫能連通更多的裂隙，沖出更多的煤渣，形成更大的空間，使得瓦斯壓力和地應(yīng)力釋放得更加均勻、充分。與深孔松動(dòng)爆破相比，高壓磨料水力割縫產(chǎn)出的裂隙也更加均勻，且不會(huì)導(dǎo)致頂?shù)装宓臄嗔?，地?yīng)力釋放更加均勻[3]（圖2）。

圖2 水力割縫消除突出危險(xiǎn)示意圖

底抽巷穿層鉆孔水力割縫技術(shù)能在高突危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)，利用底抽巷在巖層中即可作業(yè)，有效的排放突出危險(xiǎn)區(qū)域的瓦斯，掩護(hù)進(jìn)、回風(fēng)巷的掘進(jìn)（圖3）。

圖3 高壓水射流煤層鉆孔切縫示意圖[4]

2 設(shè)備施工工藝簡(jiǎn)介

高壓磨料水力割縫系統(tǒng)主要由高壓泵、水箱、高壓磨料發(fā)生裝置、鉆割一體化鉆機(jī)等組成，如圖4所示。在完成鉆進(jìn)后，系統(tǒng)進(jìn)行邊退邊割，可以進(jìn)行邊退鉆邊旋轉(zhuǎn)的連續(xù)割縫，也可以間段式旋轉(zhuǎn)割縫[4-5]。

圖4 間斷式旋轉(zhuǎn)割縫示意圖

3 應(yīng)用效果

3.1 工作面概況

某礦11031工作面為高突區(qū)域，該礦三次突出均發(fā)生在該區(qū)域及附近區(qū)域，突出強(qiáng)度大，煤層瓦斯含量為14.3m3/t，瓦斯壓力為1.57MPa，煤體結(jié)構(gòu)較為松軟，破壞類型普遍為Ⅲ-Ⅴ類，屬于嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)域。工作面長(zhǎng)度為2300米，煤厚約5米，以貧瘦煤為主，構(gòu)造發(fā)育，小斷層密集。

3.2 施工狀況

為了消除掘進(jìn)工作面的突出危險(xiǎn)，礦方首先采用了高抽巷水力壓裂技術(shù)來(lái)對(duì)工作面的瓦斯進(jìn)行治理，由于煤層含水較多，高抽巷的抽放鉆孔積水嚴(yán)重，瓦斯很難從煤層解析出來(lái)，后該工作面采取低抽巷的水力割縫技術(shù)進(jìn)行瓦斯治理。底抽巷在該礦13031工作面設(shè)計(jì)機(jī)巷和風(fēng)巷的下方約10米處，在該工作面底抽巷下方施工的抽放鉆孔每8米施工一排5個(gè)鉆孔，扇形展布（圖5），穿過(guò)煤層進(jìn)入頂板0.5米后停鉆，后退間斷式旋轉(zhuǎn)割縫。

圖5 低抽巷水力割縫消突示意圖

3.3 封孔工藝

該實(shí)驗(yàn)采用保壓注漿封孔工藝，使用聚氨酯和膨脹水泥聯(lián)合封孔，膨脹水泥采用高強(qiáng)度微膨脹型材料PD材料，將抽放管花眼位置伸到煤層頂部，防止花眼被堵，前后兩段使用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的聚氨酯封孔袋，中間填充膨脹水泥封孔，膨脹水泥在巖石中封8米。該封孔工藝是在兩端用聚氨酯封堵后往封閉的空間再注入膨脹型水泥，注入壓力可以達(dá)到1.5MPa，通過(guò)高壓泵的壓力和材料自身的膨脹性能能有效的保證膨脹水泥向周圍的裂隙內(nèi)運(yùn)移填充（圖6），是目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的封孔工藝，該封孔工藝在我國(guó)的各大礦區(qū)得到了一致的肯定。

圖6 封孔材料與工藝示意圖

圖7 割縫效果與不割縫鉆孔的抽放流量比較

3.4 效果檢驗(yàn)

高壓磨料水力割縫技術(shù)在某礦11031工作面低抽巷應(yīng)用后效果顯著，抽放流量較未割縫前提高了6倍，如圖7所示，A組為割縫后的抽放鉆孔流量變化情況，B組為沒(méi)有割縫的抽放流量變化情況，抽放濃度較以往有了較大提高，割縫后抽放一個(gè)月進(jìn)風(fēng)巷開始掘進(jìn)，掘進(jìn)期間沒(méi)有發(fā)生過(guò)預(yù)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)現(xiàn)象。

抽放濃度在臨近的13082機(jī)巷使用同樣的封孔工藝，瓦斯抽放鉆孔的濃度較低，且衰減較快，如下圖8中的A-1、A-2、A-3；而割縫后抽放鉆孔的瓦斯抽放濃度有了較大的提高，如下圖中的B-1、B-2、B-3,且衰減較慢。

圖8 割縫與不割縫鉆孔抽放濃度的比較

4 結(jié)語(yǔ)

（1）低抽巷高壓磨料水力割縫技術(shù)工藝能有效消除高突危險(xiǎn)區(qū)域的煤體彈性潛能和高壓瓦斯內(nèi)能，對(duì)降低瓦斯突出危險(xiǎn)性效果較好。

（2）該技術(shù)能顯著增大煤體的透氣性，擴(kuò)大鉆孔影響半徑，減少鉆孔施工量，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

（3）高壓磨料水力割縫技術(shù)應(yīng)用后煤體含水量較以往略有增加，減少了掘進(jìn)過(guò)程中空氣中的粉塵濃度。

（4）在應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行割縫操作時(shí)要注意檢查施工現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛?，控制割縫速度防止瓦斯超限。

［1］ZHAO Y S，HU Y Q，The experimental approach to effective stress law of coal mass by effect methane[J].Transport in Porous Media，2003，53(3):235-244.

［2］張衛(wèi).穿層鉆孔水力割縫防突技術(shù)的應(yīng)用[J].商品與質(zhì)量，2012，(4):277-278.

［3］方前程，王兆豐，楊利平.利用水力割縫提高低透氣性煤層瓦斯抽放的試驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)研究，2007，16(5):1-2.

［4］葉青，李寶玉，林柏泉.高壓磨料水力割縫防突技術(shù)[J].煤礦安全，2005，36(12):11-14.

［5］馮寶興，黃春明，張連軍.高壓水力割縫技術(shù)在底板穿層預(yù)抽煤層瓦斯中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2010（6）:35-37.

［6］周廷揚(yáng).高壓水力割縫提高瓦斯抽采鋁的技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(增刊):7-12.