1、高压磨射流割缝防突技术研究摘要：本文结合高压水动力特性，将高压磨射流割缝防突技术成功应用于井下高突掘进工作面，有效治理了突出煤层掘进过程中煤与瓦斯突出问题。 关键词：高压磨射流割缝 防突 中图分类号：X752 文献标识码：A 平煤股份十二矿为煤与瓦斯突出矿井，近年来随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量越来越高，压力越来越大，地质条件也更加复杂，所以突出危险性越来越大。 为了有效治理突出煤层掘进过程中煤与瓦斯突出问题，加快掘进速度，平煤股份十二矿与中国矿业大学联合进行攻关，对高突煤层巷道掘进过程中的瓦斯突出机理、煤巷瓦斯流动规律和突出危险性预测进行了研究，并且提出了高压磨射流割缝技术与钻孔瓦斯排放相
2、结合的综合防突技术措施，创造性地提出从点到线、从线到面、从面构成立体的卸压理念，开发出了与之相配套的高压磨料射流割缝设备。 1 高压磨射流割缝防突技术研究与应用 1.1 高压磨射流割缝防突技术原理 高压磨射流割逢防突技术是以高压水泵作动力源，通过一定的技术手段，将具有一定粒度的磨料粒子加入到高压水管路系统中，使磨料粒子与高压水充分混合后，再经喷嘴喷出，从而形成具有极高速度的磨射流。在钻孔内利用磨射流对钻孔两侧的煤体进行切割，使钻孔的两侧形成具有一定深度的扁平槽，利用水流将切割下来的煤屑带出孔外。采取该措施后，由于增加了煤体的暴露面积，且扁平槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层，因此使钻孔附
3、近的煤体得到了局部卸压，改善了瓦斯流动条件。 1.2 高压磨射流割缝防突技术研究 1.2.1 割缝卸压防突作用 采用高压磨射流割缝措施后，首先增加了煤体暴露面积，且扁平缝槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层，达到层内自我解放，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，其结果是造成了缝槽上下煤体的一定范围的较充分卸压，增大了煤层的透气性能；其次，高压磨射流割缝在煤体中形成的缝槽或空间在地压的作用下，使缝槽周围的煤体向缝槽空间移动，因而更扩大了缝槽卸压、排瓦斯范围。由于高压磨射流割缝的切割、冲击作用，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成扁平缝槽空间，这一缝槽可以使周围煤体发生位移和膨
4、胀，增加了煤体中的裂隙，大大改善了煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放提供了有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，煤体和围岩中的应力紧张状态得到一定程度缓和，达到突出潜能的大量释放，使煤岩变硬。这样，既削弱或消除了突出的动力，又大大改变了突出煤层的物理机械性能。因此高压磨射流割缝技术既可以增大透气性和提高煤层抽放瓦斯的能力，又可以起到防止突出的有效作用。 1.2.2 注水防突作用 煤是一种含有裂隙、孔隙的物质，流体可以在其中流动，但煤中有大小不同的各种孔隙。水在不同孔隙中的运动形式也不相同，渗透运动是在大的裂隙和孔隙中发生，毛细运动是在较小的孔隙中发生，而分子扩散运动则是在煤的超微结构的孔隙中
5、发生。其中每一种形式，在空间和时间上都不是共存的。其搬运水分的速度也有很大的差别，当向煤体注水时水首先是在裂隙和大孔中运动，之后才在毛细力的作用下进入较小的孔隙中，而在扩散作用下，水才可能更深地进入煤的微孔中。因此，煤层注水开始主要是在大的裂隙和孔隙中渗透，而毛细运动和扩散运动往往要在注水完毕后才继续完成，并且是在渗透运动已经波及的容积中进行，所以毛细运动和扩散运动不会扩大湿润区的范围，而是水分的均匀分布。只有当能经常向渗透裂隙和孔隙补给液体时，则可进一步增加煤的水分。 由于煤物质具有可缩性和孔隙中气囊的可缩性的特性，因此，采用不同的注水方式和参数，会导致不同的作用效果。高压注水时，可能使煤中
6、裂隙和孔隙的容积以及煤的结构发生变化，甚至造成煤的破裂和松动起到水力疏松煤体的作用使煤层近工作面部分的卸压和排放瓦斯。低压注水时，煤的结构不会发生明显的变化，而使煤体得到相当均匀的湿润。煤体的湿润，可引起发生突出的条件和突出煤层的性质发生一系列的变化。 研究和试验表明，煤体注水湿润，可使煤的力学性质发生明显变化，煤的弹性和强度减小，塑性增大，从而使巷道前方的应力分布发生根本变化，即高应力区向煤体深部转移，应力集中系数减小。煤体湿润后，还使透气性成百和上千倍的降低，水对瓦斯起到明显的阻碍效应，煤中瓦斯涌出量和速度都有大幅度的下降。上述的各种变化都表明注水湿润煤体，可以降低或消除煤层和近工作面处的
7、突出危险。 通过对高压磨射流割缝防突技术的深入研究，研制出与之配套的高压磨射流割缝设备，该设备由以下装置组成： （1）高压磨料供给装置：高度 1700mm ，直径 245mm，耐压40Mpa，重量 500Kg； 磨料供给量 38kg/min，水流量 3080L/min，磨料为粒径 0.551.0mm 的河砂或天然棕刚玉。 （2）高压纯水射流喷枪：喷嘴直径为 1.5mm。 （3）高压磨料喷枪：喷嘴直径为 2.5mm。 （4）操作阀: 压力调节范围 0 50MPa，调节方便、灵敏，在喷枪后方随时可以卸载，溢流的水从回水管流到泵箱。 （5）自动溢流阀：设定开启压力为 31.5MPa，喷嘴或管路一旦发
8、生堵塞，自动溢流阀立刻卸载，避免整个系统压力过高而造成高压胶管发生爆裂。 （6）喷枪杆：由直径 25mm、壁厚 5mm、长度 2.2m 无缝钢管连接而成。 （7）高压泵：设备额定工作压力 35Mpa，额定流量为 80L/min ，配套电机功率 55KW，电压 660V，重量约为 923kg，长宽高:1873760880 (mm)。 （8）高压水泵箱：重量约为 500kg，长宽高: 21307201040 (mm)。 1.3 高压磨射流割缝防突技术的应用 本项目主要在平煤股份十二矿己 1517180 进风巷和三水平回风下山两条巷道内进行实施应用。 己 1517180 进风巷：在迎头打 12 个钻
9、孔，孔径 89mm，孔深 10m，利用高压磨射流割逢技术，对钻孔进行割逢，使钻孔之间相互沟通造出缝隙，形成“从点到线、从线到面、从面构成立体”的卸压过程；该工作面掘进 331m，割逢 66 次，对 792 个钻孔进行了割缝。 三水平回风下山：在迎头施工完 24 个孔径 89mm、深 10m 的超前排放钻孔之后，有选择地对上排的 3 号、5 号孔、中排的 12 号、14 号孔和下排的 19 号、21 号孔实施高压磨射流割缝；该工作面进尺 75m，高压割缝15 次，对 90 个钻孔进行了割缝。 2、应用效果及经济效益分析 2.1 应用效果 经测定高压磨射流割缝措施的有效影响半径为 46m。 高压磨
10、射流割缝后煤体垂直于缝槽方向的位移量达 20mm，充分说明割缝能够释放地应力。 高压磨射流割缝的水流量虽然是 2.7m3/h,但是有一部分水注到了煤体里，从煤孔里流出的水量却很小，因此，工作面没有出现积水现象。 高压磨射流在 f=0.30.4 的煤层里割缝深度可达 750mm、高度35mm，每个割缝孔里能冲出 57kg 的煤，大大增加了瓦斯释放空间，在割缝过程中巷道瓦斯浓度最大为 0.65%，比没有割缝前的瓦斯浓度增加了 2倍。 高压磨射流割缝过程中既能在煤体里割出缝槽又能起到给煤体注水作用，经过测定割缝后煤体水分增加 35%，这样又增加了注水防突的辅助功效。 高压磨射流割缝技术在平煤股份十二
11、矿己 1517180 进风巷掘进工作面试验 331m，最高月进尺 90m，掘进速度由原来的平均掘进速度55.3m/月提高到 76.4m/月，掘进速度提高 38%；在三水平回风下山掘进工作面应用，月进尺由 50m 提高到 75m，掘进速度提高 50% 。 在这两个工作面施工过程中，没有发生过一次煤与瓦斯动力现象。 3 结论 1、高压磨射流割缝技术与钻孔瓦斯排放相结合的综合防突技术措施，创造性地提出从点到线、从线到面、从面构成立体的卸压理念，开发出了与之相配套的高压磨射流割缝设备。 2、该技术创造性地把高压磨射流割缝卸压增透与煤体注水同步完成，在更好地消除突出危险性的同时，也降低了工作面的粉尘浓度，创造了一个良好工作环境。 作者简介：李杰，籍贯：河南省平顶山市，学历：本科，毕业院校：河南理工大学，现从事煤矿技术管理工作。
