時(shí)亞軍 武沛武 王 佳 侯司賓

（1.河南平寶煤業(yè)有限公司，河南省平頂山市，461714；2.禹州錦程有限公司，河南省禹州市，461685）

高壓水射流卸壓增透石門揭煤技術(shù)研究

時(shí)亞軍1武沛武2王 佳1侯司賓1

（1.河南平寶煤業(yè)有限公司，河南省平頂山市，461714；2.禹州錦程有限公司，河南省禹州市，461685）

分析了高壓水破壞煤巖機(jī)理，介紹了高壓水射流割縫設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該技術(shù)在首山一礦進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了石門安全高效揭煤，揭煤周期縮短了35.9%。

水射流 卸壓 石門揭煤

目前普遍采用的卸壓增透技術(shù)包括層間的區(qū)域卸壓增透技術(shù)和層內(nèi)的區(qū)域卸壓增透技術(shù)。層間的區(qū)域卸壓增透技術(shù)主要開采保護(hù)層，該技術(shù)已趨于成熟并取得了良好的卸壓效果，但在開采單一煤層時(shí)無法使用。層內(nèi)的區(qū)域卸壓增透技術(shù)主要有水力沖孔、水力壓裂、深孔松動爆破等，這些技術(shù)措施雖然起到了卸壓增透的效果，但存在一定的問題，水力沖孔和水力壓裂方法在含構(gòu)造的煤層使用時(shí)，卸壓位置主要沿著斷層或主裂隙方向，松動爆破產(chǎn)生的爆轟波主要沿著煤體內(nèi)部薄弱面?zhèn)鬟f，目標(biāo)卸壓區(qū)域應(yīng)力得不到充分釋放，從而不能達(dá)到預(yù)期的卸壓效果。因此，研發(fā)新型實(shí)用的定向卸壓增透技術(shù)，對煤體進(jìn)行大面積充分卸壓，提高煤體透氣性具有重要的意義。

高壓脈沖水射流定向卸壓增透技術(shù)主要工作原理是在鉆桿與鉆頭之間添加振蕩噴嘴，振蕩噴嘴產(chǎn)生的脈動應(yīng)力波能充分破壞煤體，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行有效卸壓，同時(shí)通過調(diào)節(jié)鉆桿在鉆孔中的位置，連動控制卸壓區(qū)域，從而達(dá)到定向卸壓的目的。

圖1 振蕩噴嘴產(chǎn)生的脈動應(yīng)力

1 高壓脈沖水射流對煤體應(yīng)力場動態(tài)特性

高壓脈沖水射流產(chǎn)生應(yīng)力波主要來自于振蕩噴嘴，見圖1。振蕩噴嘴產(chǎn)生的脈動應(yīng)力對煤體產(chǎn)生的應(yīng)力波見圖2。沖擊區(qū)在強(qiáng)大應(yīng)力波作用下處于絕對受壓狀態(tài)，當(dāng)射流沖擊煤體的壓縮波傳播到煤體的自由表面時(shí)，煤體所受應(yīng)力從入射時(shí)的壓縮應(yīng)力變成全反射時(shí)的拉伸應(yīng)力，當(dāng)拉伸應(yīng)力超過部分低強(qiáng)度煤體的拉伸強(qiáng)度時(shí)，就促使煤體發(fā)生拉伸破裂，形成裂隙。

這種應(yīng)力波對瓦斯?jié)B流有兩方面影響：一是導(dǎo)致煤體原始應(yīng)力分布狀態(tài)完全改變，應(yīng)力變化引起煤體裂隙率發(fā)生變化，同時(shí)當(dāng)瓦斯解吸時(shí)，煤炭顆粒的表面張力增加，煤體就會收縮，其體積變小，增大了裂隙、孔隙的尺寸；另一方面，裂隙率變化會引起瓦斯?jié)B透系數(shù)的變化。而高壓脈沖水射流鉆孔與普通水射流可以通過數(shù)值模擬計(jì)算，分析高壓脈沖水射流鉆孔與普通水射流鉆孔對煤體應(yīng)力場變化的影響。

圖2 應(yīng)力波在煤體中的擴(kuò)散圖

沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波以地震波形式傳播，引起煤體變形的震動效應(yīng)，使得裂隙內(nèi)瓦斯原有的等溫、等壓平衡狀態(tài)被打破，造成裂隙內(nèi)瓦斯的波動，波動會引起溫度升高，產(chǎn)生熱效應(yīng)，這將加劇瓦斯的解吸；同時(shí)瓦斯的波動將引起裂隙局部的振動，波動引起的熱效應(yīng)和振動隨應(yīng)力波的強(qiáng)弱變化。

由于煤體是非均質(zhì)的，高壓脈沖水射流沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波首先損傷煤體內(nèi)強(qiáng)度低的細(xì)胞元，形成微裂紋。在射流準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下，微裂紋得以發(fā)展和連通。同時(shí)由于水射流在煤體裂隙中的滲流產(chǎn)生的擴(kuò)張力，引起煤體顆粒的剝蝕，使煤體顆粒間的孔隙從自由面開始破裂，在水力滲流壓力的沖擊及流體的進(jìn)一步擴(kuò)張下，裂紋不斷地?cái)U(kuò)展，以致連通。隨著水射流沖擊下煤體顆粒的剝蝕，增大了煤體上顆粒的暴露面，大大地降低了煤體的強(qiáng)度。在新的水力沖擊波和滲流擴(kuò)張應(yīng)力的作用下，煤體顆粒團(tuán)相繼被剝落，出現(xiàn)最大破碎速度，形成了水射流沖擊破碎坑。

2 設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在施工區(qū)域預(yù)抽鉆孔時(shí)，需要的設(shè)備主要有鉆機(jī)、乳化泵、鉆桿、鉆頭等。高壓脈沖水射流定向卸壓增透系統(tǒng)充分考慮煤礦現(xiàn)場實(shí)際條件，自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)包括自動切換式割縫器、高壓密封輸水器、氣渣分離器和腳踏開關(guān)、高壓密封（螺旋）鉆桿等專有設(shè)備，同時(shí)和煤礦現(xiàn)有鉆機(jī)、乳化泵、高壓管等相關(guān)設(shè)備構(gòu)成完整的定向卸壓系統(tǒng)。

為簡化系統(tǒng)裝置，方便操作，所有設(shè)備的連接都是在煤礦原有預(yù)抽孔鉆進(jìn)系統(tǒng)上增加新設(shè)備。同時(shí)為了使系統(tǒng)更安全適用于礦井環(huán)境，所有設(shè)備均為防爆設(shè)計(jì)，并沒有增加系統(tǒng)的負(fù)荷；同時(shí)簡化了系統(tǒng)操作程序。系統(tǒng)裝置連接見圖3。

圖3 高壓脈沖水射流定向卸壓增透系統(tǒng)裝置連接示意圖

3 穿層鉆孔預(yù)抽石門掲煤區(qū)域煤層瓦斯現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

首山一礦己15－12050機(jī)巷標(biāo)高為－651～－684.1 m，采面對應(yīng)地面標(biāo)高為＋105.5～＋110.7 m，煤層埋深744.2～797.8 m。揭煤地點(diǎn)標(biāo)高－672.3 m，埋深780 m。施工巖巷段：半圓拱斷面凈寬×凈高＝4500 mm×3400 mm，S凈為13.1 m2，毛寬×毛高＝4700 mm×3500 mm，S毛為14.1 m2；施工煤、半煤巖巷段：半圓拱凈斷面凈寬×凈高＝4800 mm×3522 mm，S凈為13.9 m2，毛寬×毛高＝5106 mm×3707 mm，S毛為15.3 m2。

3.2 布孔方案設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，平寶公司己15－12050機(jī)巷己15煤?89 mm鉆孔高壓脈沖射流割縫半徑達(dá)1.35 m，有效影響半徑超過2 m。結(jié)合己15－12050機(jī)巷圍巖條件及瓦斯地質(zhì)情況，最終確定措施孔終孔間距為3 m。

圖4 己15－12050機(jī)巷揭己15煤鉆孔布置圖

措施孔共布置104個鉆孔（8排、13列），措施孔控制巷道輪廓線外及前方各15 m，過己15煤層底板0.5 m，第一排措施孔最深6 8 m（根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際打鉆情況確定），鉆孔間距0.35 m，距幫0.15 m，1～5排在工作面施工排間距0.4 m，6～8排在巷道底板施工排間距0.5 m，第五排在工作面和底板交接處施工，鉆孔布置情況見圖4、圖5和圖6。

圖5 孔底布置平面圖

圖6 鉆孔布置剖面圖

3.3 應(yīng)用實(shí)施過程

根據(jù)己15－12050機(jī)巷揭己15煤措施，于2011年5月10日開始對瓦斯抽放孔進(jìn)行鉆進(jìn)施工。鉆進(jìn)工作分為兩步進(jìn)行，首先對不實(shí)施高壓脈沖水射流割縫鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)，直至己15煤層底板，然后對實(shí)施割縫的鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)，直至己15煤層底板。待鉆進(jìn)工作完畢，退鉆割縫。由于高壓脈沖水射流鉆孔割縫有效影響半徑可達(dá)2.5 m，而設(shè)計(jì)鉆孔終孔間距3 m，為提高鉆割效率，對奇數(shù)排（1－3－5－7）、奇數(shù)列（1－3－5－7－9－11－13）鉆孔實(shí)施高壓脈沖射流割縫，施工順序從下往上，從右到左。各鉆孔割縫次數(shù)視鉆孔煤層區(qū)域長度決定，但保證鉆孔煤層區(qū)域內(nèi)沿鉆孔方向每隔3 m割縫一次。

2011年7月5日，對己15－12050機(jī)巷揭煤點(diǎn)進(jìn)行殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量指標(biāo)檢驗(yàn)。殘余瓦斯壓力測定在區(qū)域預(yù)抽鉆孔控制范圍內(nèi)共布置2個測試鉆孔：1?？讱堄嗤咚箟毫?.25 MPa；2?？讱堄嗤咚箟毫?.18 MPa。殘余瓦斯含量測定是在穿層鉆孔預(yù)抽范圍內(nèi)布置4個鉆孔，殘余瓦斯含量分別為2.1312 m3/t，2.8763 m3/t，2.3441 m3/t和3.0432 m3/t。經(jīng)實(shí)際測定，工作面預(yù)抽區(qū)域殘余瓦斯壓力為0.25 MPa，殘余瓦斯含量最大為3.0432 m3/t，小于《防治煤與瓦斯管理規(guī)定》要求的0.74 MPa和8 m3/t的要求，區(qū)域措施有效。

2011年8月10日，己15－12050機(jī)巷完成揭煤。

3.4 技術(shù)效果分析

平寶公司己15－12050機(jī)巷按?89 mm鉆孔有效排放半徑1 m，共需布置187個鉆孔（11排、17列）；采用高壓脈沖水射流定向卸壓增透技術(shù)后共布置104個鉆孔（8排、13列），鉆孔數(shù)量減少44.4%。

鉆割、抽放結(jié)束，對己15－12050機(jī)巷揭煤點(diǎn)進(jìn)行殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量指標(biāo)檢驗(yàn)。工作面預(yù)抽區(qū)域殘余瓦斯壓力為0.25 MPa，殘余瓦斯含量最大為3.0432 m3/t，遠(yuǎn)小于該處原始瓦斯壓力1.35 MPa和原始瓦斯含量10.46 m3/t。且小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求的0.74 MPa和8 m3/t，表明區(qū)域措施有效。

2011年5月10日～8月10日，己15－12050機(jī)巷揭己15煤時(shí)間為93 d；與平寶公司其它地點(diǎn)普通技術(shù)揭煤平均所花時(shí)間145 d相比，縮短35.9%。

［1］ 程東全，孫飛.松軟低透煤層底板巖巷水力沖孔治理瓦斯技術(shù)研究［J］.中國煤炭，2011（11）

［2］ 張其智，林柏泉等.沈春明高壓水射流割縫對煤體擾動影響規(guī)律研究及應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（10）

［3］ 林柏泉，孟凡偉等.基于區(qū)域瓦斯治理的鉆割抽一體化技術(shù)及應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011（1）

［4］ 沈春明，林柏泉等.高壓水射流割縫及其對煤體透氣性的影響［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011（12）

［5］ 孟凡偉，張海賓等.穿層割縫技術(shù)及其在遞進(jìn)掩護(hù)式巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，2011（1）

［6］ 徐幼平，林柏泉等.鉆割一體化水力割煤磨料動態(tài)特征及參數(shù)優(yōu)化［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011（4）

［7］ 楊威，林柏泉等.“強(qiáng)弱強(qiáng)”結(jié)構(gòu)石門揭煤消突機(jī)理研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（4）

Research on rock cross－cut coal uncovering via high－pressure water jet to release pressure and improve permeability

Shi Yajun1，Wu Peiwu2，Wang Jia1，Hou Sibin1
（1.Henan Pingbao Mining Co.，Ltd.，Pingdingshan，Henan 461714，China；2.Yuzhou Jincheng Co.，Ltd.，Yuzhou，Henan，461685，China）

The mechanism of coal rock broken by high-pressure water was analyzed，and the system architecture of high-pressure water jet slotting equipment was introduced.The application to Shoushan No.1 mine showed that this technique achieved the safe rock cross-out coal uncovering in high efficiency，and the period of coal uncovering was shortened by 35.9%.

water jet，pressure release，rock cross-out coal uncovering

TD713.34

A

時(shí)亞軍（1983－），男，河南開封人，工程師，主要從事礦業(yè)安全、生產(chǎn)方面的工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）