低透突出煤層超聲波增透技術(shù)的研究

畢成業(yè)

摘要：紅陽(yáng)二礦南翼三采區(qū)12煤有突出危險(xiǎn)，針對(duì)12煤層透氣性系數(shù)低，鉆孔瓦斯流量衰減快，瓦斯抽放效果不理想的現(xiàn)狀，在南三-780底板巷采用超聲波增透技術(shù)。通過(guò)向12煤層中施工鉆孔，將換能器送入煤層段，換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲機(jī)械振動(dòng)。使煤層受到震動(dòng)，產(chǎn)生微裂縫提高煤層透氣性。

關(guān)鍵詞：突出煤層;超聲波增透;煤層透氣性

一、超聲波增透原理及目的

高能超聲波煤層處理機(jī)理是利用大功率超聲波發(fā)射機(jī)將電功率轉(zhuǎn)化成為高頻電信號(hào)，通過(guò)超聲波傳輸電纜，將電信號(hào)傳輸?shù)矫簩酉鄳?yīng)位置的換能器上轉(zhuǎn)換成大功率超聲波，大功率超聲波在煤層中（含水）主要起到三方面的作用，震動(dòng)作用、空化作用和熱作用，局部形成高溫、高壓，促進(jìn)氧化-還原反應(yīng)，高分子物質(zhì)解聚，使膠質(zhì)的瀝青質(zhì)分子、蠟分子產(chǎn)生斷裂等化學(xué)效應(yīng)，通過(guò)解除孔隙堵塞、產(chǎn)生微裂縫提高煤層透氣性，從而增加煤層瓦斯抽采量，降低煤層中瓦斯含量。

利用超聲波振動(dòng)疏通煤層原有裂縫，并產(chǎn)生新微裂縫，增加煤巖滲透率，以便更大限度地抽采煤層中賦存的瓦斯，降低煤層中瓦斯含量，利于今后的安全開(kāi)采。

二、超聲波增透試驗(yàn)地點(diǎn)簡(jiǎn)介

本次超聲波增透試驗(yàn)地點(diǎn)為南三-780底板巷，該底板巷已施工穿層預(yù)抽鉆孔1935個(gè)，鉆孔布孔方式5m×5m，預(yù)抽時(shí)間已達(dá)10年以上，現(xiàn)單孔瓦斯抽采濃度0～5%，主管路平均瓦斯抽采濃度1%，平均瓦斯抽采純量0.05m3/min。2018年5月礦井對(duì)該預(yù)抽區(qū)域進(jìn)行了區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)，共布置24個(gè)效果檢驗(yàn)測(cè)定鉆孔，實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯含量2.06～11.25m3/t，煤層殘余瓦斯壓力0.4～1MPa，個(gè)別測(cè)點(diǎn)仍存在超標(biāo)現(xiàn)象，尚未完全實(shí)現(xiàn)區(qū)域性消突。因此必須采取小范圍、小能量、小壓力二次增透或多次增透的方式進(jìn)一步提高抽采效果，實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。所以選擇引進(jìn)超聲波增透技術(shù)。

三、超聲波增透方案與設(shè)計(jì)

超聲波增透鉆孔在-780底板巷第12組與第4號(hào)鉆場(chǎng)穿層鉆孔之間施工，鉆孔要求穿過(guò)12煤層進(jìn)入頂板0.5m，鉆孔直徑φ153mm，超聲波增透鉆孔平、剖面布置圖如圖1、2所示。

利用鉆機(jī)將超聲波增透設(shè)備（換能器、電纜）通過(guò)鉆桿逐根連接送至預(yù)增透段（12煤層），煤層平均厚度為4米左右，鉆孔穿煤段斜長(zhǎng)為7米。采用后退方式，每1米對(duì)煤層進(jìn)行超聲波增透1小時(shí)。

由于超聲波增透期間需要水為介質(zhì)傳播超聲波，增透鉆孔內(nèi)事先下Φ16mm水繩，超聲波增透期間連接靜壓水管持續(xù)向孔內(nèi)供水，并保持孔內(nèi)水壓不低于 1MPa。孔口用Φ108mm鐵管封孔?？卓谕鈧?cè)Φ108mm鐵管內(nèi)用橡膠圈等材料封堵嚴(yán)密，防止漏水。超聲波增透設(shè)備連接圖如圖3所示。

四、超聲波增透過(guò)程

2019年8月3日乙班，超聲波增透相關(guān)人員到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)后，施工人員用鉆機(jī)配合將換能器及電纜送入孔內(nèi)預(yù)定位置、連接電纜及其他設(shè)備，測(cè)量超聲波增透鉆孔兩側(cè)10m范圍內(nèi)抽采孔的單孔瓦斯抽采濃度和主管路瓦斯抽采參數(shù)。準(zhǔn)備工作結(jié)束后，于13：19開(kāi)始啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行超聲波振動(dòng)增透，每增透1小時(shí)后停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，打鉆人員操作鉆機(jī)退鉆1米再次進(jìn)行增透。共計(jì)進(jìn)行4次超聲波增透，于18：00完成增透作業(yè)。超聲波增透期間，-780底板巷主抽放管路停止抽放，設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)一切正常。

五、超聲波增透試驗(yàn)效果考察

為了考察分析超聲波增透效果，在增透前后，對(duì)-780底板巷主管路抽放參數(shù)及超聲波增透鉆孔兩側(cè)抽采孔單孔瓦斯抽采濃度進(jìn)行了測(cè)量。

六、結(jié)論

1.超聲波增透結(jié)束后，立即測(cè)量增透試驗(yàn)鉆孔兩側(cè)20米范圍內(nèi)抽采孔的單孔瓦斯抽采濃度。通過(guò)測(cè)量結(jié)果可以確定超聲波增透技術(shù)對(duì)煤層有增透效果。本次超聲波設(shè)備和技術(shù)參數(shù)的選擇增透影響范圍在15米左右（效果最佳范圍在6.5米以內(nèi)）。

2.根據(jù)超聲波增透前后瓦斯抽采參數(shù)測(cè)量結(jié)果顯示，主管路瓦斯抽采濃度由增透前1%提高至7.2%，提高7倍;主管路瓦斯抽采純量由增透前0.06m3/min提高至0.56m3/min，提高9倍;單孔瓦斯抽采濃度由增透前0～8%，平均0.7%，提高至0.1～36%，平均9.6%，平均提高約14倍。

3.通過(guò)增透前后瓦斯抽采效果看，鉆孔瓦斯抽采濃度及流量衰減很快，增透12小時(shí)后基本恢復(fù)到未增透前狀態(tài)，還需對(duì)超聲波設(shè)備和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹垚林.水力化技術(shù)防治煤與瓦斯突出研究現(xiàn)狀及展望[J].煤礦安全，2020，51（10）：7.

[2]高磊.超聲波檢測(cè)技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用及優(yōu)化[J].水電水利，2020，4（1）：2.