超高壓水力割縫裝置在潞安集團(tuán)的研究與應(yīng)用

郭敏

摘要：探討超高壓水力割縫裝置在潞安集團(tuán)下屬礦井的應(yīng)用。實(shí)踐證明，超高壓水力割縫裝置在礦井生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了瓦斯超前抽采，有效地提升了礦井生產(chǎn)的安全可靠性。

Abstract： This paper discusses the application of ultra-high pressure hydraulic slotting device in the mines of Lu'an Group. The practice proves that the ultra-high pressure hydraulic slotting device realizes the gas advance extraction in the mine production and effectively promotes the safety and reliability of the mine production.

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采;超高壓水力割縫裝置;應(yīng)用

Key words： gas extraction;ultra-high pressure hydraulic slotting device;application

中圖分類號：TD712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0199-02

0? 引言

煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中占有較大比重，作為我國的主體能源，在能源供給方面起著無可替代的重要作用，但是我國煤礦災(zāi)害非常嚴(yán)重，尤其瓦斯災(zāi)害最為嚴(yán)重，給煤炭的安全開采帶來許多難題。瓦斯事故的發(fā)生不僅造成了大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，而且也帶來了不良的社會影響。因此，瓦斯治理已經(jīng)成為制約我國煤礦持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重大技術(shù)難題。強(qiáng)化煤礦瓦斯災(zāi)害防治，保障煤礦安全生產(chǎn)，強(qiáng)化煤層零突出、瓦斯零爆炸“雙零”目標(biāo)，成為我國煤炭生產(chǎn)面臨的最迫切的任務(wù)。目前，世界各主要產(chǎn)煤國均把抽采煤層瓦斯作為防止瓦斯事故的有效技術(shù)措施。

潞安集團(tuán)各高瓦斯礦井普遍存在煤層松軟、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯壓力增大等問題，受松軟煤層影響，在使用傳統(tǒng)的瓦斯鉆孔抽采施工工藝過程中，經(jīng)常發(fā)生塌孔、排渣困難、噴孔等現(xiàn)象。

針對此類問題，潞安集團(tuán)引進(jìn)快速卸壓增透新工藝，在鉆進(jìn)過程中應(yīng)用超高壓水力割縫技術(shù)，解決順層預(yù)抽鉆孔數(shù)量多、抽采達(dá)標(biāo)時間長等難題。

通過工業(yè)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用超高壓水射流在施工完成的鉆孔中對煤體進(jìn)行切割，通過破碎煤體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)@孔直徑增大，地應(yīng)力降低，瓦斯釋放能力提升，瓦斯抽放效果明顯增強(qiáng)，從而縮短抽采達(dá)標(biāo)時間，解決采掘銜接緊張等問題，有效提升了瓦斯抽采效果。

1? 技術(shù)原理

通過超高壓水力割縫裝置從鉆孔內(nèi)部排出一定量的煤體，在鉆孔周圍形成一系列水力作用裂縫，為煤體膨脹變形、裂隙發(fā)育、位移提供空間;鉆孔內(nèi)部煤體發(fā)生膨脹變形，向鉆孔方向發(fā)生位移，同時降低鉆孔影響范圍內(nèi)地應(yīng)力、充分釋放煤層壓力;煤體裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，大幅度提高煤層透氣性，鉆孔內(nèi)部割縫形成后抽采面積增大，促進(jìn)瓦斯高效釋放，實(shí)現(xiàn)對瓦斯含量較高區(qū)域煤體的有效治理。

2? 超高壓水力割縫裝置組成

超高壓水力割縫裝置主要由金剛石復(fù)合片鉆頭、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、超高壓清水泵、遠(yuǎn)程操作臺、超高壓軟管、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、水力割縫淺螺旋整體鉆桿等組成。各部分合理布局于履帶行走裝置上方，性能良好、結(jié)構(gòu)簡單，配合履帶行走裝置，搬運(yùn)方便，使用后瓦斯抽采效果顯著提高。（圖1）

3? 工作原理

超高壓水力割縫工藝，可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)、切割一體化作業(yè)。通過產(chǎn)生100MPa壓力的超高壓清水泵形成超高壓旋轉(zhuǎn)水射流，采用高低壓自動轉(zhuǎn)換割縫器，低壓狀態(tài)下水從前端流出，具有鉆孔鉆進(jìn)功能;高壓狀態(tài)下，割縫器前端封閉，具有切割功能，實(shí)現(xiàn)了不退出鉆桿鉆進(jìn)、切割于一體化的作用。

鉆孔內(nèi)部煤體在高壓下的水射流沖擊后可擊落、破碎，再使用水力進(jìn)行沖刷，這樣就可將部分的煤體伴隨壓力水一同從孔口流出，鉆孔的里面就會產(chǎn)生一個扁平的空間，以達(dá)到擴(kuò)大煤體內(nèi)鉆空間的目的，促使煤體內(nèi)部的裂隙繼續(xù)發(fā)育、增大，使煤體的暴露面積有所增加，進(jìn)而使瓦斯進(jìn)行流動，為煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動創(chuàng)造良好的條件，提高了煤層內(nèi)部瓦斯抽采效率?？p槽上下煤體的壓力在一定范圍內(nèi)得到充分釋放，并且在壓力的作用下，煤體空間發(fā)生移動，加大了煤體卸壓后的瓦斯排放范圍。通過高壓旋轉(zhuǎn)水射流的切割作用，煤體的原應(yīng)力和裂隙狀況發(fā)生變化，煤體和周圍巖石中的應(yīng)力緊張狀態(tài)得到緩和，不僅削除了瓦斯突出的風(fēng)險，提高了煤層的強(qiáng)度，起到了防突出效果，而且提高了鉆孔抽采濃度、流量，保證了瓦斯抽采效果。高壓割縫后抽采時間縮短1/3～1/4，減少措施鉆孔工程量1/4以上。

超高壓水力割縫工藝示意圖如圖2所示。

穿層或順層鉆孔中，采用低壓水，利用全液壓動力頭鉆機(jī)帶動水力割縫淺螺旋整體鉆桿、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器及金剛石復(fù)合片鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至預(yù)定位置，開啟超高壓清水泵，調(diào)節(jié)至指定壓力，一定壓力及流量的超高壓水射流，通過高低壓轉(zhuǎn)換器上的噴嘴射出，通過對鉆孔煤孔段的煤層進(jìn)行切割、沖擊，在煤體中形成一定寬度和高度的不規(guī)則的縫槽，切割下來的煤體在超高壓水射流的沖刷作用下被帶出孔外，鉆孔內(nèi)煤體的暴露面積顯著增大。切割形成的縫槽使鉆孔內(nèi)部煤體充分卸載壓力、增加透氣性，為煤體中瓦斯抽采與排放創(chuàng)造了有利條件。

4? 適用范圍

超高壓水力割縫裝置裝備適用于高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性煤層（煤層硬度f>0.4）石門揭煤卸壓增透、工作面順層鉆孔、穿層鉆孔及沖擊地壓防治等，順層鉆孔割縫深度80～120m，穿層鉆孔割縫深度80～140m（順層鉆孔采用水施工，鉆孔角度為0°以上）。

5? 工藝性實(shí)驗(yàn)

潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)主采3#煤層，礦井瓦斯治理措施以順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯為主。3#煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0811～0.2525d-1、透氣性系數(shù)為0.524～1.7415m2/MPa2·d，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.44～0.53，屬于較難抽采-可以抽采煤層。

根據(jù)抽采經(jīng)驗(yàn)可知，采用順層鉆孔對回采工作面進(jìn)行預(yù)抽時，鉆孔數(shù)量多，施工量大，抽采效率差，導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時間長，因此選擇一套快速卸壓增透的設(shè)備，解決順層預(yù)抽鉆孔數(shù)量多、抽采達(dá)標(biāo)時間長等難題，顯得尤為重要。

通過采用超高壓水力割縫裝置將鉆孔直徑增大，增加抽放效果，從而縮短抽采達(dá)標(biāo)時間，解決采掘銜接緊張等問題。

試驗(yàn)顯示：

①通過考察得出順層鉆孔超高壓水力割縫最大割縫深度能達(dá)到120m，割縫半徑為0.85m，割縫壓力90MPa，割縫時間7-10min情況下，單刀出煤量為0.3t。

②通過對比帶抽40天試驗(yàn)鉆孔和普通鉆孔抽采純量，得出試驗(yàn)孔最大抽采純量為0.37m3/min，總體平均純量為0.05m3/min，普通孔抽采純量最高為0.064m3/min，總體平均純量為0.018m3/min，即試驗(yàn)孔最大抽采純量為普通孔的2.23倍，平均純量為普通孔的2.78倍，說明順層鉆孔經(jīng)過超高壓水力割縫能夠顯著增加鉆孔抽采純量。

③按照按照瓦斯含量8m3/t抽采達(dá)標(biāo)，試驗(yàn)孔、普通孔帶抽40天后抽采流量穩(wěn)定為0.037m3/min、0.012m3/min計算，得出試驗(yàn)鉆孔與普通鉆孔區(qū)域達(dá)標(biāo)時間分別為222.6天、654.2天，即利用超高壓水力割縫技術(shù)達(dá)標(biāo)時間能減少432天。

④通過將鉆孔出煤量分為四個等級，發(fā)現(xiàn)煤量10t以上鉆孔抽采純量分別為7-10t、4-7t、1-4t的1.61倍、1.8倍、3倍，即鉆孔出煤量越多，鉆孔抽采純量越高。

⑤通過對比割縫、造穴工藝抽采效果，發(fā)現(xiàn)在帶抽時間2天內(nèi)，割縫鉆孔、造穴鉆孔最大抽采純量為0.243m3/min、0.164m3/min，平均抽采純量為0.127m3/min、0.114m3/min，顯然最大抽采產(chǎn)量割縫鉆孔為造穴鉆孔的1.48倍、1.11倍，即割縫鉆孔抽采效果優(yōu)于普通鉆孔瓦斯抽采工藝。

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