高壓水射流割縫防突技術(shù)在石門(mén)揭煤中的應(yīng)用

宣 揚(yáng)

淮南礦業(yè)集團(tuán)鄂爾多斯中北煤化工公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017008

0 引言

在淮南礦區(qū)，煤層中瓦斯賦存含量高，在石門(mén)揭煤過(guò)程中，如不采取必要的措施，煤與瓦斯在高壓、低滲透的環(huán)境下很容易發(fā)生突出危險(xiǎn)，造成煤礦重大的安全事故。因此，為了預(yù)防石門(mén)揭煤中的煤與瓦斯突出問(wèn)題，針對(duì)瓦斯含量較高而透氣性不好的煤層現(xiàn)狀，研究怎樣增加瓦斯的排放量以排除安全隱患，縮短石門(mén)揭煤排放瓦斯時(shí)間，加快石門(mén)揭煤速度對(duì)緩解我國(guó)突出煤層采掘緊張局面、建設(shè)安全高效礦井具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。為此，淮南礦區(qū)朱集煤礦在突出煤層石門(mén)揭煤中進(jìn)行了高壓水射流割縫防突技術(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用高壓水射流割縫防突技術(shù)可有效防治石門(mén)揭煤過(guò)程中的煤與瓦斯帶來(lái)的安全問(wèn)題，既能保障礦井生產(chǎn)的安全性，又能使巷道的掘進(jìn)速度加快。下面，對(duì)此技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 高壓水射流割縫防突設(shè)備、工藝及原理

水力割縫系統(tǒng)由乳化液泵、水箱、鉆機(jī)、高壓膠管、多功能流量表、防噴裝置和噴頭等組成。

2.1 設(shè)備型號(hào)

1）割縫泵：型號(hào)DRB200/31.5 型煤礦用乳化液泵，額定壓力31.5Mpa、額定流量200L/min。

水箱：鐵質(zhì)，容積3m3。

壓力表：型號(hào)YHY60(B)礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)。

2）管路

高壓管路：管道直徑分別為Φ25mm 和Φ32mm，選用耐壓強(qiáng)度≥32MPa 的高壓膠管。

3）鉆機(jī)鉆具

鉆機(jī)型號(hào)為ZDY-1900S 的液壓鉆機(jī)，鉆桿型號(hào)為ZGFA50，內(nèi)徑Φ60mm，用于割縫鉆孔的施工。

鉆頭：選用GSQ20/1.0 型高壓射流鉆頭，Φ108mm。

噴嘴：型號(hào)為SHJ-2.0 的高壓射流噴嘴，Φ1.8mm。

4）溢流閥

型號(hào)為BO-TK01 的液壓控制閥。

5）分水器（水辮）

選用GSD3.0 型分水器。

2.2 工藝流程

1）安裝鉆機(jī)：將鉆機(jī)移到指定位置，用緊固件將鉆機(jī)穩(wěn)固，傳動(dòng)位置要設(shè)防護(hù)欄桿，鉆機(jī)和液壓管接合要緊密，防止鉆進(jìn)過(guò)程鉆機(jī)發(fā)生晃動(dòng)現(xiàn)象，調(diào)整鉆機(jī)高度和角度到固定位置。電源接好后，送電試運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)各操作手柄，檢查各旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)、各油管接頭和壓力表；

2）接鉆桿：鉆桿型號(hào)為ZGFA50，鉆桿長(zhǎng)度800mm。將鉆桿放入鉆機(jī)，前段連接上割縫一體化鉆頭，確保割縫一體化鉆頭與鉆桿之間連接到位（螺紋全部上緊，每一根鉆桿在連接前用清水沖洗內(nèi)部，確保無(wú)顆粒雜質(zhì)，以防堵塞噴嘴）。在鉆桿的后方連接好分水器（水辮）（螺紋全部上緊）；

3）定鉆：接好鉆頭后將鉆頭進(jìn)到巖壁前，慢速開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)將鉆頭固定好，鉆頭進(jìn)入巖壁內(nèi)50mm 位置即停鉆；

4）打鉆：在鉆桿尾端接好水辮，開(kāi)靜壓水檢查鉆頭是否有水流出，待確定鉆頭鉆桿工作正常后以正常速度開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行打鉆，每進(jìn)一節(jié)鉆桿正常接鉆繼續(xù)施工；

5）判別煤層位置：根據(jù)地質(zhì)資料對(duì)煤層位置進(jìn)行判別以確定各個(gè)鉆孔的定鉆位置和角度；

6）進(jìn)鉆到指定位置：正常進(jìn)鉆，按照設(shè)計(jì)進(jìn)鉆到指定位置，準(zhǔn)備接高壓水進(jìn)行水力割縫施工；

7）沖整個(gè)煤段：將溢流閥調(diào)壓到10MPa，進(jìn)行水力割縫，采用邊進(jìn)邊退的方法，從里向外逐漸切割，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)并抽拉鉆桿，以利于排渣，切割完成后可重復(fù)進(jìn)行切割，控制切割速度或者進(jìn)行間歇式切割可以有效避免出現(xiàn)埋鉆和憋孔的現(xiàn)象；

8）返水變清：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的沖洗，鉆孔內(nèi)的煤渣或矸石渣逐漸變少，在這個(gè)過(guò)程中注意觀察水流中的煤渣或矸石渣的含量變化，待到出水變清時(shí)即停止這一段施工。

2.3 工作原理

高壓水射流割縫是一項(xiàng)超前水利割縫技術(shù)，針對(duì)于透氣性較差、瓦斯密度較大、危險(xiǎn)性比較特殊的煤層。工藝過(guò)程如下：先進(jìn)行鉆孔處理，接下來(lái)通過(guò)高壓水射流切割鉆孔兩側(cè)的煤體，這樣就會(huì)在鉆孔兩側(cè)形成一條較深的扁平的縫槽，而且水射流還會(huì)將切割下來(lái)的煤體殘?jiān)懦隹淄?。高壓水射流割縫技術(shù)的應(yīng)用是為了提高瓦斯抽放效果，從而改變巷道工作面前方煤層的動(dòng)力性質(zhì)。超前高壓水射流割縫工藝形成的有深度的、用來(lái)緩解和排放瓦斯的縫槽，這個(gè)過(guò)程能使煤層的地應(yīng)力和瓦斯的壓力得到重新分布，最終導(dǎo)致煤層中的高應(yīng)力變形區(qū)和高瓦斯壓力區(qū)得到完全釋放。

3 高壓水力割縫效果及防突效果檢驗(yàn)

3.1 高壓水力割縫效果

通過(guò)對(duì)石門(mén)前方煤體采取水力割縫的卸壓增透防突措施，使得前方煤體瓦斯壓力和瓦斯含量得到了有效的控制。在水力割縫施工期間出煤量共計(jì)約76.4 噸，鉆孔出煤量較大，且相對(duì)均勻，水力割縫效果明顯。

高壓水力割縫技術(shù)應(yīng)用了12 天之后，使得鉆孔的平均等效半徑達(dá)到0.73m，在原有的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加了13.5 倍，鉆孔最大半徑達(dá)到1.17m，是原來(lái)的21.6 倍，而瓦斯排放的平均作用半徑為6.0m，高壓水力割縫技術(shù)使得瓦斯排放時(shí)的最大半徑達(dá)到8m；鉆孔直徑的增加和瓦斯排放半徑的增加使得每個(gè)孔切割后帶出的煤的質(zhì)量平均為2.5t，總切割煤量高達(dá)76.4t，瓦斯的排放量約為5558m3，由此可以看出，采用射流鉆割卸壓增透防突技術(shù)效果顯著。

3.2 防突效果檢驗(yàn)

1）瓦斯解吸指標(biāo)

濕煤△h2 臨界值為160Pa，測(cè)定結(jié)果表明瓦斯解吸指標(biāo)△h2 小于臨界值。但是，由于該指標(biāo)對(duì)變質(zhì)程度較高的無(wú)煙煤反映較為敏感，而張集礦的煤變質(zhì)程度不高，敏感性不強(qiáng)，故僅作為的輔助判斷指標(biāo)。

2）殘余瓦斯壓力

殘余瓦斯壓力是反應(yīng)煤體突出危險(xiǎn)性效果的重要參數(shù)，殘余瓦斯壓力直接反應(yīng)煤體的突出動(dòng)力，是最重要的效果檢驗(yàn)指標(biāo)，測(cè)定方法與原始瓦斯壓力測(cè)定相同，測(cè)定結(jié)果如表1 所示。

表1 殘余瓦斯壓力

根據(jù)上表，殘余瓦斯壓力均小于0.74MPa。

[1]惠功領(lǐng)，呂有廠.高壓水射流割縫防突技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2006，2.

[2]郭盛，孟凡新，湯保枝.高壓水射流割縫防突技術(shù)在突出危險(xiǎn)掘進(jìn)面的應(yīng)用[J].中州煤炭，2007，5.