薄煤層順層鉆孔中壓水力割縫增透技術(shù)

1、    薄煤層順層鉆孔中壓水力割縫增透技術(shù)    汪河生【摘 要】系統(tǒng)的分析了中壓水力割縫技術(shù)的原理，對水力割縫的系統(tǒng)、設(shè)備做了簡單的介紹，通過在1222（1）上順槽順層孔采用中壓水進(jìn)行水力割縫，取得了很好的瓦斯抽采效果，為工作面的安全回采提供了保障?！娟P(guān)鍵詞】薄煤層；水力割縫；增透一、概述朱集東煤礦為煤與瓦斯突出礦井，隨著礦井采掘活動向深部延伸，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量隨采深逐漸增加，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。主采煤層11-2煤為低透氣性突出危險(xiǎn)煤層，瓦斯抽采難度大，抽采效果較差。1222（1）上順槽位于西一11-2煤盤區(qū)，屬于突出危險(xiǎn)區(qū)，走向長度1045

2、米，傾向長度220米。掘進(jìn)區(qū)段11-2煤為黑色，塊狀為主，少量顆粒狀，玻璃光澤，結(jié)構(gòu)單一，屬半暗型煤，為大部可采的較穩(wěn)定煤層。無夾矸，煤層結(jié)構(gòu)簡單。11-2煤厚1.11.8m，平均為1.4m。1222（1）上順槽揭煤實(shí)測11-2煤瓦斯壓力0.73mpa，11-2煤瓦斯含量5.61m3/t。工作面采用兩巷順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯進(jìn)行消突。11-2煤層作為關(guān)鍵保護(hù)層開采，煤層薄、構(gòu)造復(fù)雜、煤層透氣性差。1141（1）、1252（1）等塊段順層鉆孔抽采濃度平均不足5%，百孔抽采純量低于每分鐘0.5立方米，煤層預(yù)抽鉆孔抽采效果差，預(yù)抽評價(jià)時(shí)間長，影響了礦井的正常生產(chǎn)接替。二、水力割縫增透技術(shù)原理水力割縫技

3、術(shù)使用先用鉆機(jī)施工順層鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)利用高壓水射流對鉆孔兩側(cè)的煤體進(jìn)行切割。首先是高壓的水射流破碎煤體，形成割縫裂隙。水力割縫破壞了原來煤體的應(yīng)力狀態(tài)，形成卸壓區(qū)，在煤層卸壓區(qū)域內(nèi)，原來的裂隙張開、擴(kuò)展以及新破壞裂隙的形成，使其透氣性顯著提高，從而可以有效地提高瓦斯排放效率。并且煤體在高壓水的切割、沖擊作用下，煤層內(nèi)的裂隙和裂隙數(shù)量、長度得到不同程度的增加，增大了煤體的裂隙狀況，煤體滲透率大幅度提高，為瓦斯解吸和流動創(chuàng)造了良好的條件，大大改善了煤層中的瓦斯流動狀態(tài)，為瓦斯的排放提供了有利條件。另外煤體內(nèi)瓦斯的釋放還增大了煤體的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可進(jìn)一步減弱或消除突出危險(xiǎn)。通過以上分析可知，

4、水力割縫措施可以有效、快速地消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，為工作面安全回采提供可靠的安全保障。三、水力割縫施工設(shè)備選型（1）高壓泵高壓泵主要用于為水力割縫提供連續(xù)的高壓水，高壓泵的工作介質(zhì)是水。由于水的粘度低、潤滑性能差，再加上要求的工作壓力較高，因此采用brw-80/35*4a乳化泵。額定壓力為35兆帕，額定流量80l/min，電機(jī)功率為55kw。（2）鉆機(jī)使用zdy-4000s型全液壓鉆機(jī)，鉆機(jī)分為主機(jī)、操作臺、泵站三大部分，各部分之間用高壓膠管連接，鉆機(jī)可根據(jù)場地情況靈活擺布，解體性好，搬遷運(yùn)輸方便。zdy4000s型全液壓鉆機(jī)屬于低轉(zhuǎn)速、大扭矩類型，最大轉(zhuǎn)矩4000n.m，電動機(jī)功率55kw。

5、（3）鉆桿選用89*1000mm肋骨鉆桿，鉆桿內(nèi)徑為41mm，由于螺旋葉片較寬，且具有較高的硬度，并且在施工過程中旋轉(zhuǎn)阻力小，排渣效果好，鉆孔施工過程中如果遇到孔內(nèi)破碎、跨孔等異常情況時(shí)能夠有效避免發(fā)生孔內(nèi)事故。（4）水力割縫鉆頭鉆頭噴嘴直徑與水射流噴射角成正線性增加關(guān)系，高壓水射流在切割、破碎煤體時(shí)必須具備一定的能量，因此水射流在具有高的壓力的同時(shí)，還需要有一定的流量。但水射流壓力是影響煤體切割、破碎的主要參數(shù)，從破碎效果及節(jié)約能量的角度出發(fā)，應(yīng)提高壓力，適當(dāng)減少流量，即所謂的高壓水細(xì)射流。因此，選用自制鉆頭進(jìn)行施工，盡量減少材料成本，在鉆頭上加工2個(gè)直徑為3mm的對向出水孔對煤體進(jìn)行切割。

6、（5）高壓軟管高壓軟管主要用于鉆孔外高壓水的輸送，高壓管路主要包括高壓管、快速接頭、截止閥等。高壓管和快速接頭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和良好的密封性能，同時(shí)還要求其壓力損失小，拆卸方便。管徑越小，摩擦力越大，壓力損失越多，通常會消耗總能量的20%-30%。管路越長，壓力損失越大，減少壓力損失最有效的辦法是盡可能增大管路的直徑和縮短管路的長度，因此選用25mm的高壓軟管進(jìn)行水力割縫，管路連接處要用鐵絲進(jìn)行二次保護(hù)，防止進(jìn)行水力割縫時(shí)管路突然脫落傷人。（6）水力割縫設(shè)備連接示意圖四、鉆孔設(shè)計(jì)1222（1）上順槽共設(shè)計(jì)96個(gè)順層鉆孔，鉆孔間距為10米，鉆孔傾角為-2度至2度，設(shè)計(jì)孔深115米，每隔30米選取

7、一個(gè)鉆孔進(jìn)行中壓水力割縫增透。五、水力割縫施工工藝（1）鉆孔施工先使用120mm鉆頭進(jìn)行施工，壓風(fēng)進(jìn)行排渣，確保鉆孔成孔效果，施工至設(shè)計(jì)孔深后，更換260mm掏穴鉆頭從孔深30m處開始掏穴，直至孔底；（2）掏穴結(jié)束后，更換水力割縫鉆頭從孔深30m處開始進(jìn)行中壓水力割縫，直至孔底；（3）每一根鉆桿割縫時(shí)間約為3-5min，第一根鉆桿割縫時(shí)壓力應(yīng)不大于5兆帕，以便于煤能順利從鉆孔內(nèi)流出來，第二根鉆桿壓力可調(diào)節(jié)到10兆帕，第三根壓力調(diào)節(jié)到15兆帕，以后水力割縫水壓控制在10-15兆帕，此時(shí)鉆機(jī)空轉(zhuǎn)，開始利用高壓水射流對鉆孔周圍煤體進(jìn)行水力切割。（4）時(shí)刻關(guān)注孔口返水、返渣情況，若出現(xiàn)不返水或壓力增大

8、等異常情況時(shí)要及時(shí)停泵、卸壓，防止排渣不暢而發(fā)生埋鉆事故。（5）水力割縫完成后，及時(shí)關(guān)閉乳化泵，待充分卸壓后，拆卸鉆桿并堆放整齊，水力割縫設(shè)備要妥善保管。（6）鉆孔掏穴和水力割縫過程中要詳細(xì)記錄排出的煤渣量。（7）水力割縫結(jié)束后采取跟管鉆進(jìn)工藝下套管進(jìn)行封孔。六、封孔工藝改進(jìn)1、順層鉆孔進(jìn)行水力割縫后，鉆孔直徑增大，導(dǎo)致囊袋注漿膨脹后不能完全封堵鉆孔將封孔囊袋尺寸改為長度900mm、直徑140mm，增加了封孔囊袋直徑，提高封孔質(zhì)量。2、采用封孔囊袋進(jìn)行坐底，孔內(nèi)下入囊袋時(shí)，將爆破閥安設(shè)在孔口，以便于觀察囊袋坐底情況。坐底囊袋在注漿過程中，如果孔口爆破閥未爆破，說明坐底囊袋封堵失敗，及時(shí)采取補(bǔ)救

9、措施，重新下入囊袋進(jìn)行封堵。如果爆破閥爆破，說明坐底囊袋封堵完好，再對孔口進(jìn)行封堵和注漿。3、由于水泥在凝固過程中會向下沉淀，上部形成空隙，所以囊袋坐底完成后，孔口下入兩根注漿管和一根返漿管，對鉆孔進(jìn)行多次注漿，確保將封孔段注實(shí)，提高瓦斯抽采效果。七、取得的效果1、通過對鉆孔增透前、后排屑量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，未采取增透技術(shù)鉆孔排屑量平均為0.011m3/m，采取增透技術(shù)鉆孔排屑量平均為0.095m3/m。增透技術(shù)前鉆孔直徑為120mm，通過換算采取增透技術(shù)鉆孔等效直徑平均為355mm，采取增透技術(shù)后鉆孔的等效直徑約為之前的3倍。2、鉆孔采取增透技術(shù)后，對鉆孔抽采濃度進(jìn)行了考察。對采取增透技術(shù)的28#孔

10、和未采取增透技術(shù)的29#孔抽采濃度進(jìn)行比較。通過比較，可以看出，采取增透技術(shù)的鉆孔比未采取增透措施的鉆孔在同等時(shí)間范圍內(nèi)抽采濃度提高了將近4倍。3、截止到目前1222（1）上順槽已施工順層鉆孔64個(gè)，采取增透技術(shù)鉆孔共28個(gè)，干管抽采濃度平均21%，混合量約4m3/min，百孔抽采純量1.31m3/min；未采取增透技術(shù)的1232（1）上順槽抽采114個(gè)順層鉆孔，干管抽采濃度平均5%，混合量約10m3/min，百孔抽采純量0.43m3/min。經(jīng)比較百孔抽采純量提高約3倍。4、預(yù)抽時(shí)間同比可縮短三個(gè)月。5、煤層水力割縫過程中能夠給煤體進(jìn)行注水，巷道的粉塵濃度降低，能夠改善工人作業(yè)環(huán)境。八、存在

11、問題1、鉆孔采用水力割縫后，鉆孔封孔段孔徑比原來變大，普通封孔囊袋無法滿足封孔需要，在封孔過程中仍然存在部分鉆孔坐底不成功現(xiàn)象，需要對封孔工藝進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。2、鉆孔在進(jìn)行水力割縫過程中，由于采用壓力水進(jìn)行排渣，施工過程中易發(fā)生埋鉆事故，在處理埋鉆事故時(shí)容易發(fā)生瓦斯超限或其他人身傷害事故。九、下一步工作打算1、水力割縫技術(shù)通過提高鉆孔卸壓影響范圍，使得一定范圍內(nèi)的煤體透氣性得到有效的提高?？疾觳扇∷Ω羁p增透措施后鉆孔有效抽采半徑，進(jìn)一步優(yōu)化順層鉆孔布置參數(shù)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1葛軍.高壓水射流切割技術(shù)原理及其應(yīng)用研究j.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013.032王啟金，張毅，李國印，水力割縫防突技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐j.煤，2008，17（11）3于洪，陸庭侃