水力射流切割技术在高地应力突出矿井中的实践与应用.doc

1、1水力射流切割技术在高地应力突出矿井中的实践与应用金 双 林 ， 周 访 玉 、 黄 永 梁(徐 州 矿 务 集 团 有 限 公 司 张 集 煤 矿 ，江 苏 徐 州 221147)摘 要 结 合 张 集 矿 煤 层 瓦 斯 赋 存 特 点 ，在 北 翼 延 深 采 区 -1260m 水 平 首次 采 用 “钻 割 一 体 化 ”防 突 快 速 揭 煤 技 术 ，通 过 工 艺 适 用 性 和 安 全可 靠 性 的 探 索 与 创 新 ，完 成 了 石 门 快 速 安 全 揭 煤 。为 大 埋 深 、高 地应 力 、低 透 气 性 条 件 下 的 快 速 消 突 揭 煤 和 深 部 煤 炭 资

2、 源 的 高 效 安全 集 约 化 开 采 作 出 示 范 引 领 作 用 。关 键 词 水 力 射 流 ；石 门 揭 煤 ；瓦 斯 突 出 0 引言煤与瓦斯突出的问题不仅严重制约，煤炭生产产能、效能的发挥，而且，成为制约矿井安全生产的“ 瓶 颈” 。防 治 煤 与 瓦 斯 突 出 一 直 是 国 内 外 煤 矿 安 全 的难 题 。开 采 进 入 深 部 后 ，由 于 煤 层 及 瓦 斯 赋 存 的 地 质 条 件 复 杂 ，煤 层 透 气性 或 渗 透 性 越 来 越 差 ，瓦 斯 压 力 大 、含 量 高 、不 易 抽 放 ，高 地 应 力 在 瓦 斯 动力 灾 害 中 的 作 用 越

3、来 越 突 出 ，尤 其 是 在 石 门 揭 煤 过 程 中 采 用 单 一 的 打 钻 瓦斯 抽 放 卸 压 理 论 与 技 术 虽 经 过 长 时 间 抽 放 ，但 抽 放 有 效 影 响 半 径 小 、抽 放率 低 、成 本 高 ，远 不 能 满 足 安 全 生 产 的 需 要 。张 集 煤 矿 通 过 防 突 抽 放 钻 孔施 工 技 术 与 引 进 高 压 水 力 射 流 切 割 技 术 相 结 合 ，实 现 了 高 地 应 力 条 件 下 打钻 、孔 内 煤 体 切 割 一 体 化 的 防 突 快 速 揭 煤 工 作 ，水 力 射 流 切 割 技 术 对 江 苏境 内 煤 与 瓦

4、斯 突 出 矿 井 具 有 很 好 的 借 鉴 与 指 导 意 义 。1. 概 况张集煤矿北翼延深采区在-1260m 水平，将来主采煤层为山西组 9 煤，该煤层深部瓦斯含量不是很高，但瓦斯压力超过了 0.74MPa，在北翼盘区开拓期间 9层煤的瓦斯测定参数为：瓦斯压力最大值 p=1.20MPa，原始含量 为4.02310.23m 3/t，煤层坚 固性系数（最小）f=0.29 ，瓦斯放散初速度 p=12.35。同2时，由于受火成岩体侵蚀影响，深部地应力高。本次现场施工地点为北翼延深-1250m 轨道大巷石 门。巷道 设计长度 110m，前期 68m 为平巷、后期调 整为上山掘进， 倾角 10-1

5、5，巷道 规格为：净宽 4.5m，中高 3.85m，半圆拱型。揭露 9 煤的标高在-1253m，煤 层倾角 5-8，沿走向近水平，煤厚 1.5-2.0（0.6-0.7）0.8-1.1m，其中， 9-2 煤体坚固性系数大于 0.5,9-1 煤顶板下软分层厚度为 0.2-0.4m。9 煤 顶板为细砂岩，平均厚度为 13.1m，底板 为粉砂岩，平均厚度为 4.4m。2. 射 流 切 割 钻 孔 煤 体 防 突 技 术 的 实 施2.1 技 术 原 理利 用 高 压 水 射 流 反 复 切 割 破 碎 煤 体 ，当 在 高 压 应 力 作 用 下 发 生 流 变 或蠕 变 的 煤 体 出 现 塌 孔

6、憋 孔 现 象 时 ，高 压 水 楔 入 钻 孔 周 围 煤 层 原 有 的 裂 隙 中进 行 扩 散 、渗 透 和 压 裂 煤 体 ，使 煤 体 空 隙 、裂 隙 不 断 扩 张 、贯 通 、膨 胀 变 形和 相 向 位 移 ，逐 渐 形 成 一 个 较 大 尺 寸 的 煤 孔 空 洞 ，增 大 抽 放 孔 的 直 径 ，大幅 度 地 疏 松 、挤 压 、释 放 煤 体 中 的 瓦 斯 ，人 为 可 控 地 诱 发 钻 孔 内 的 煤 与 瓦斯 突 出 ，消 除 激 发 突 出 的 应 力 和 瓦 斯 压 力 ，在 围 绕 钻 孔 切 割 形 成 一 个 塑 性变 形 区 和 卸 压 圈 ，

7、增 大 了 煤 体 抑 制 突 出 的 阻 力 ，起 到 了 综 合 防 突 的 作 用 。2.2 装 备选 用 型 号 DRB200/31.5 型 煤 矿 用 乳 化 液 泵 ，高 压 管 路 选 用 内 径 分 别 为25mm 和 32mm，钻 机 钻 具 选 用 ZDY-1900S 型 液 压 钻 机 ，钻 杆63.5mm，钻 头 108mm，用 于 切 割 钻 孔 的 施 工 ，切 割 喷 头 选 择 1.8 ，及溢 流 阀 装 置 。射 流 切 割 系 统 布 置 如 图 1。3图 1 射流切割系统布置示意图2.3 钻 孔 设 计根 据 煤 与 瓦 斯 的 赋 存 特 点 ，在 工

8、作 面 上 山 掘 进 至 迎 头 法 线 距 离 9-1 煤底 板 5m 停 止 掘 进 。设 计 5 排 ，共 26 个 钻 孔 ，所 有 钻 孔 终 孔 位 置 须 穿 过 煤层 进 入 煤 层 顶 板 不 小 于 0.5m。超 前 钻 孔 的 控 制 到 巷 道 断 面 轮 廓 线 外 12m，割 缝 孔 间 距 的 确 定 应 取 决 于 割 缝 的 有 效 影 响 半 径 。根 据 钻 割 一 体 化 防 突 设备 的 实 验 室 实 验 测 得 ，其 有 效 影 响 半 径 最 大 可 达 4m。因 此 为 保 证 防 突 效 果 ，在 布 置 的 割 缝 孔 孔 距 设 计 为

9、 5 米 。具 体 见 图 2。-1250m石门10.上山-1260m运 输 大 巷-1250m回 风 大 巷17-2号5号60号1-6号23号24252623123456177188192021291011111停 头 位 置 ：3点 前 97.5m? -1260-12509 煤-2 揭 煤 点 停头 位 置 6-10号1-5号1-6号23-6号 17-2号揭 煤 剖 面 图(1:20)钻 孔 布 置 图(1:50)煤-1图 2 钻孔布置图2.4 工 艺 流 程4施 工 顺 序 ：安 装 钻 机 接 钻 杆 定 钻 打 钻 判 别 煤 层 位 置 进 钻 到指 定 位 置 调 试 溢 流 阀

10、 冲 整 个 煤 段 返 水 变 清 。2.5 技术关键2.5.1 先打钻进行“ 点” 的渐进 式消突，先施工巷道中间一排钻孔，打钻卸压。2.5.2 在点与点形成面的消突基础上，合理选择水射流的水压进行扩孔，防止水压过高诱导突出。2.5.3 合理选择射流切割的顺序，人为可控地进行单孔扩孔，或诱导孔内瓦斯喷出。2.5.4 防喷孔、防瓦斯等安全防护装置的创新。3. 射 流 切 割 钻 孔 煤 体 防 突 技 术 应 用 过 程 中 的 问 题 及 改 进3.1 存 在 问 题3.1.1 高 压 射 流 水 压 过 高液 压 系 统 压 力 过 高 易 出 现 系 统 连 接 部 位 水 流 泄 漏

11、 ，高 压 水 射 流 伤 人 。特 别 是 钻 杆 分 水 器 （水 辫 ）部 位 及 钻 杆 连 接 处 易 出 现 刺 密 封 圈 水 流 泄 漏 现象 。高 压 泄 漏 点 的 存 在 ，给 安 全 操 作 带 来 一 定 的 风 险 。在 处 理 钻 头 被 堵 ，拆卸 钻 头 过 程 中 有 时 会 出 现 钻 杆 内 的 高 压 水 射 流 突 然 喷 射 现 象 。2.5.2 卡 钻 断 钻 杆 现 象孔 口 钻 屑 排 渣 不 畅 ，大 量 煤 体 颗 粒 不 断 聚 集 挤 压 在 孔 壁 周 围 而 将 钻 杆和 钻 头 箍 紧 、抱 紧 ，终 使 钻 杆 所 受 摩 擦

12、 力 大 于 钻 机 的 扭 矩 力 而 发 生 钻 头 无法 进 退 即 卡 钻 事 故 甚 至 断 钻 杆 事 故 的 发 生 。钻 杆 中 空 孔 径 为 15mm，在 钻 杆 的 接 头 丝 扣 连 接 部 处 于 承 受 力 薄 弱 的环 节 ，当 钻 杆 扭 矩 力 过 大 超 过 其 抗 扭 强 度 ，特 别 是 在 钻 孔 因 导 向 性 差 易 出现 钻 孔 弯 曲 情 况 下 ，钻 杆 所 受 扭 矩 力 大 于 抗 弯 曲 强 度 时 ，易 出 现 钻 杆 断 裂 。2.5.3 憋 孔 喷 孔 现 象切 割 过 程 中 ，孔 内 大 量 的 钻 屑 难 以 从 孔 口 顺

13、 畅 排 出 ，易 出 现 孔 口 长 时间 不 出 水 憋 孔 ，最 终 形 成 喷 孔 现 象 。喷 孔 现 象 潜 在 的 危 害 。52.5.3.1 系 统 压 力 过 高 ，瞬 时 作 用 到 切 割 煤 岩 体 中 ，易 造 成 煤 岩 体 整 体位 移 剥 离 。2.5.3.2 孔 内 不 返 水 时 压 力 增 大 ，出 现 瞬 间 喷 孔 现 象 ，喷 孔 所 形 成 的 高压 水 射 流 携 带 大 量 煤 体 颗 粒 ，甚 至 夹 带 从 岩 体 中 剥 离 出 岩 块 瞬 间 喷 出 ，存在 安 全 风 险 。2.5.3.3 喷 孔 时 ，易 出 现 相 邻 钻 孔 的

14、 串 孔 和 喷 孔 ，使 施 工 人 员 疏 于 防 范 ；甚 至 在 钻 孔 施 工 结 束 起 完 钻 杆 后 ，仍 然 会 出 现 因 压 应 力 的 不 平 衡 形 成 延 时喷 孔 现 象 。2.5.3.4 在 高 压 水 流 切 割 挤 压 ，外 力 扰 动 作 业 下 ，诱 导 和 激 发 钻 孔 瓦 斯喷 出 ，形 成 瞬 时 瓦 斯 超 限 。2.5.3.5 切 割 空 洞 内 积 聚 瓦 斯 。经 切 割 后 ，煤 体 内 部 形 成 空 洞 ，为 瓦 斯积 聚 提 高 了 空 间 ，甚 至 形 成 瓦 斯 库 。2.6 采 取 对 策2.6.1 加 强 安 全 防 护

15、。在 迎 头 施 工 钻 场 ，作 为 安 全 躲 避 硐 室 。进 行 水 流切 割 作 业 时 ，人 员 可 有 效 避 开 喷 孔 影 响 范 围 ，提 高 安 全 防 护 的 可 控 性 。2.6.2 规 范 操 作 。合 理 选 择 从 里 向 外 切 割 顺 序 ，为 防 止 埋 钻 和 憋 孔 ，可相 应 控 制 切 割 速 度 或 进 行 间 歇 式 切 割 ，同 时 ，合 理 选 择 切 割 系 统 的 射 流 压力 。切 割 初 始 压 力 可 调 整 为 5MPa，然 后 缓 慢 上 调 至 15 MPa 左 右 ，发 现 异常 及 时 打 开 溢 流 装 置 ，使 系

16、统 压 力 为 零 。2.6.3 改 进 工 艺 。更 换 光 杆 为 螺 旋 钻 杆 、在 排 渣 水 压 和 螺 旋 曲 线 作 用 下 ，麻 花 钻 杆 能 够 将 水 流 钻 屑 沿 钻 孔 挤 压 搅 运 出 来 ，以 保 证 钻 孔 的 相 对 成 型 度和 排 渣 的 顺 畅 ，达 到 防 卡 钻 的 目 的 。在 -1250m 轨 道 大 巷 石 门 切 割 期 间 ，更换 麻 花 钻 杆 后 ，钻 孔 的 排 渣 效 果 ，发 生 了 根 本 性 的 逆 转 。排 渣 水 与 炭 的 比 ，由 原 来 的 排 出 2/3 的 水 1/3 的 炭 ，变 化 为 2/3 的 炭

17、1/3 水 。2.6.4 增 加 流 量 。将 原 先 的 80L/min 更 换 成 250 L/min 的 液 压 泵 ，增 加流 量 切 割 ，最 终 起 到 增 强 排 渣 的 效 果 。2.6.5 配 齐 安 全 防 护 设 施 。切 割 时 ，在 孔 口 安 装 防 喷 孔 气 渣 分 流 器 ，进6行 二 级 分 离 ，有 效 将 瓦 斯 分 离 再 来 ，分 离 出 来 的 瓦 斯 并 入 抽 采 系 统 。2.6.6 提 高 质 量 。对 断 钻 杆 的 原 因 和 水 辫 长 经 时 间 使 用 后 就 会 出 现 水压 泄 漏 原 因 进 行 分 析 ，从 改 进 钻 杆

18、 和 水 辫 铸 造 工 艺 结 构 人 手 ，提 高 抗 钮 、抗 弯 、抗 磨 强 度 。同 时 ，规 范 切 割 操 作 流 程 ，确 保 钻 孔 成 型 效 果 。2.6.7 封 孔 抽 放 。切 割 完 成 后 ，所 有 钻 孔 用 随 打 击 抽 胶 囊 ，快 速 封 孔 ，进 行 瓦 斯 抽 放 。经 抽 放 后 ，再 采 用 封 孔 袋 （聚 氨 酯 封 孔 原 料 ），在 预 定 的 孔深 进 行 小 循 环 的 封 孔 处 理 ，防 治 瓦 斯 在 放 炮 过 程 中 大 量 涌 出 。4. 效 果通 过 水 力 射 流 切 割 技 术 应 用 ，进 一 步 考 察 了 适

19、 合 我 矿 深 部 采 区 大 埋 深 、高 压 力 、低 透 气 性 典 型 煤 层 赋 存 特 点 的 水 力 射 流 切 割 工 艺 及 技 术 参 数 ，通过 减 少 钻 孔 的 数 量 ，优 化 切 割 钻 孔 布 置 方 式 ，在 减 少 措 施 工 程 量 和 缩 短 施工 时 间 的 情 况 下 ，达 到 了 少 打 孔 ，多 出 煤 ，多 排 放 瓦 斯 的 效 果 。3.1 揭 煤 时 间 明 显 缩 短在 未 使 用 水 力 切 割 技 术 前 ，我 矿 在 -1235m 回 风 石 门 揭 煤 过 程 中 从2011 年 9 月 26 日 开 始 施 工 措 施 钻

20、孔 ，历 时 半 年 多 时 间 揭 开 煤 层 。使 用 后 ，-1250 回 风 石 门 从 4 月 4 日 早 班 开 始 施 工 措 施 孔 到 4 月 26 日 夜 班 水 力 切割 完 成 ，到 效 检 测 压 达 标 仅 用 1 个 多 月 时 间 。3.2 工 程 量 大 幅 度 减 少-1235m 回 风 石 门 总 计 施 工 钻 孔 158 个 ，钻 孔 总 进 尺 5496m ，联 网 抽放 近 四 个 月 ，注 浆 历 时 半 个 月 ，合 计 注 浆 31m3。-1250m 轨 道 大 巷 石 门 使 用水 力 切 割 技 术 施 工 措 施 孔 26 个 ，钻 孔

21、 总 进 尺 687.3m，测 压 孔 4 个 ，检 验孔 4 个 ，合 计 施 工 钻 孔 34 个 ，相 比 工 程 量 有 很 大 幅 度 减 少 。3.3 瓦 斯 抽 排 量 明 显 增 加-1235m 回 风 石 门 合 计 瓦 斯 抽 放 量 为 3154m3，风 排 瓦 斯 量 为 4624 m3，-1250 轨 道 大 巷 石 门 打 钻 及 切 割 期 间 风 排 瓦 斯 量 为 5558 m3，打 钻 时 排 出 炭量 15t，水 力 切 割 时 排 出 炭 量 为 76.4t。折 合 瓦 斯 排 放 量 为 928m3。3.4 卸 压 效 果 更 为 明 显7钻 孔 射

22、流 切 割 技 术 的 应 用 后 ，钻 孔 等 效 半 径 平 均 为 0.73 m，比 原 始 孔径 平 均 增 大 了 13.5倍 ，使 瓦 斯 释 放 影 响 半 径 平 均 达 6.0m；切 割 后 的 钻 孔 等效 半 径 最 大 达 到 1.17m，比 原 始 孔 径 增 大 了 21.6倍 ，使 瓦 斯 释 放 影 响 半 径 最大 达 8m以 上 ；单 孔 切 割 出 煤 量 平 均 为 2.5t，总 切 割 煤 量 达 76.4t，诱 导 喷 孔 、挤 压 释 放 瓦 斯 量 为 5558m3，钻 孔 瓦 斯 排 放 量 提 高 25 %；瓦 斯 压 力 由 原 来 的1.

23、3MPa降 到 了 0.3MPa。整 个 揭 煤 时 间 相 对 缩 短 84%，消 突 卸 压 效 果 有 了 量的 概 念 ，成 效 显 著 。5结 语通 过 高 压 水 流 切 割 冲 刷 煤 体 ，使 煤 层 孔 隙 率 增 大 ，裂 隙 向 更 为 纵 深 煤体 处 延 展 ，煤 层 透 气 性 增 强 ，使 具 有 较 大 地 应 力 和 瓦 斯 压 力 突 出 能 的 突 出煤 体 的 高 能 区 在 短 时 间 内 起 到 很 好 的 卸 压 平 衡 效 果 。高 压 水 流 切 割 技 术 对我 矿 深 部 延 深 石 门 揭 煤 和 顺 层 防 突 技 术 的 创 新 具 有 指 导 意 义 ，对 江 苏 境 内防 治 煤 与 瓦 斯 突 出 也 有 很 大 的 借 鉴 意 义 。作者简 介金双林(1969-)，男，江苏兴化人，高 级工程师，毕业于中国矿业大学，现在徐州矿务集团张集煤矿从事煤矿安全生产管理工作。参考文献：1俞启香， 矿井瓦斯防治 （M） 徐州：中国矿业大学出版社，19922林柏泉、崔恒信， 矿井瓦斯防治理论与技术 （M） ，徐州：中国矿业大学出版社，1998 年3胡殿明、林柏泉， 煤层瓦斯赋存规律及防治技术 （M） ，徐州：中国矿业大学出版社，2006 年