高瓦斯低透气性松软煤层“钻割”一体化技术研究

2014-01-15余根海

华北科技学院学报 2014年9期

余根海

(淮北矿业集团神源煤化工，安徽淮北 235126)

0 引言

淮北芦岭煤矿突出灾害严重，煤层瓦斯含量、压力高，区域治理措施为大面积穿层钻孔预抽，但由于煤层松软、透气性差，治理达标需要时间和空间的保障，抽采达标预抽期一般在1.5年以上，严重制约了矿井生产能力的正常发挥并且影响了矿井的安全生产；通过对本项目的研究，为芦岭煤矿穿层钻孔预抽效果的提高，实现快速解突提供一种新的技术及装备。

1 高压磨料射流钻割一体化防突设备简介

如图1高压泵出来的高压水分成三路[1-3]：第一路高压水到达磨料发生器的顶部，迫使磨料往下运动；第二路高压水经过单向阀到达磨料发生器底部的混合腔，依靠水的流动将磨料罐中流下来的磨料携带走；第三路高压水称为旁通水路，高压泵出来的高压水经过旁通水路直接送到磨料罐的下游，引射出混合腔里磨料浆，第二、三路的流体混合均匀后，经钻杆进入前端钻头处的喷嘴。从喷嘴射流处的高压混合流体起到割缝的作用。

高压磨料射流钻割一体化割缝防突装备主要是由高压泵站、高压磨料发生装置、钻机、特制钻头、喷嘴等组成[4,5]，如图2所示。图2是各主要设备实物图[1]。

1) 高压磨料供给装置：高度1800 mm ，直径245 mm,耐压40 MPa，重量500 kg。

2) 高压磨料用喷嘴：喷嘴直径为1.5～2.0 mm。

3) 操作阀: 压力调节范围0～35 MPa，在管路压力表旁，调节方便、灵敏，可以随时卸载，溢流的水从回水管流到泵箱。

4) 溢流阀：在管路压力观察表旁，喷嘴或管路一旦发生堵塞，打开溢流阀立刻卸载，避免整个系统压力过高，造成高压胶管爆裂发生。

5) 钻杆：外壁直径73 mm、长度1 m无缝钢管。

6) 高压泵：设备额定工作压力35 MPa，额定流量为80 L/min,配套电机功率55 kW，电压660 V，重量约为923 kg，长×宽×高：1873×760×880(mm)。

7) 高压水泵箱：重量约为500 kg，长×宽×高：2130×720×1040(mm)。

8) 钻机：采用芦岭煤矿目前所使用的西安煤科院生产的MKD-5S矿用钻机。

1—水箱;2—过滤器;3—高压泵;4—溢流阀;5—单向阀;6—压力表;7—截止阀;8—过滤筛网;9—高压磨料罐;10—混合腔;11—磨料浓度调节阀;12—钻机;13—支架图1 高压磨料射流钻割一体化割缝装置系统示意图[1]

图2 各主要设备实物图[1]

图3 Ⅱ8210工作面及钻场位置图

2 钻割设备工业性试验

2.1 Ⅱ8210工作面概况

芦岭矿8煤层厚度为2.3～15.94 m，平均厚度9.56 m，属于特厚煤层，9煤层位于8煤层下部，间距为2～3，煤层厚度为0～9.82 m，平均厚度3.01 m。8、9煤层结构属于极其松软、破碎类型，煤层的坚固性系数平均在0.1～0.3之间，瓦斯放散初速度为13～30，大于突出临界值。-400 m标高处(一水平下限标高)8、9煤层瓦斯压力为2.59 MPa，煤层瓦斯含量为18.95 m3/t；-400 m～-590 m标高范围(二水平)8、9煤层瓦斯压力为2.59～4.43 MPa，煤层瓦斯含量为18.95～22.67 m3/t；-590 m～-800 m标高范围(三水平)8、9煤层瓦斯压力为4.43～6.47 MPa，煤层瓦斯含量为22.67～25.40 m3/t。试验地点在II8210工作面，其位置如图3。

根据二水平煤层瓦斯赋存情况，7煤赋存不稳定且存在突出危险性，不具备开采上保护层条件；二水平8煤与10煤之间已施工大量开拓开采巷道，不具备开采10煤下保护层条件。多年来芦岭矿一直采用底板双岩巷穿层钻孔掩护机巷掘进及工作面预抽，开采顶分层工作面，依次开采下部的8煤底分层及9煤工作面，8煤顶分层工作面的开采相当于上保护层，顶分层工作面回采后解放瓦斯量占总量的70%左右。底板双岩巷内每隔20 m施工一钻场，每一钻场沿走向施工3排钻孔，走向间距6.7 m；倾向施工6排钻孔，倾向钻孔间距10 m。每个钻场控制机巷条带30 m，为机巷掘进防突创造有利条件[6]。

由于8、9煤层瓦斯含量高、透气性差、煤层厚，经过1～1.5年的预抽，抽采率只有30%左右，只能部分降低煤层瓦斯含量(降至14 m3/t)，减弱机巷掘进的突出危险性，采掘时仍然存在安全隐患。

2.2 钻割一体化防突设备操作流程

1) 将水箱注满，同时检查各接口的连接情况；

2) 然后开启乳化液泵，通过卸压阀将压力调至4～5 MPa，同时开启钻机，进行打钻作业；

3) 当钻孔深度达到预定设计深度时，通过卸压阀慢慢将压力上升到25 MPa，钻机开始退钻作业，同时进行水力割缝，退钻速度不超过1 m/min，钻机禁止反转[7]；

4) 待退出一根钻杆后，通过卸压阀将压力卸载到零，关闭卸压阀与钻机之间的球形阀门，开始卸钻杆。直到退至9煤底板，完成一个钻孔、割缝作业[8]。

2.3 工作面突出危险性相关指标参数测定

为了检验高压磨料射流钻割一体化设备的治理瓦斯突出效果，拟采用措施前后瓦斯相关参数定量对比的方法来检验措施的有效性。通过研究割缝前后单孔瓦斯流量的变化、割缝后割出煤量的大小，检验割缝后是否达到增透的效果。

3 割缝后瓦斯抽采速度测试结果及分析

3.1 现场试验数据

割缝后将钻孔并入抽放系统，逐日记录流量计(煤气表)的读数，并测定瓦斯抽放浓度，观测数据列为表1。

表1 6#钻场割缝后瓦斯抽放量随时间的变化统计表L/min

在6#钻场施工过程中，1#流量表测量连接在未割缝钻孔，2#流量表和3#流量表连接在割缝钻孔。在8#钻场施工过程中，1#流量表和2#流量表测量割缝后钻孔的瓦斯抽采数据。

实验数据表明：由于磨料水射流割缝，大幅度提高了煤层瓦斯抽采速度，单孔纯瓦斯抽放量最高达到8.53 L/min，比相邻的非割缝钻孔瓦斯抽放速度提高了2～3倍，随着时间的推移，割缝钻孔与非割缝钻孔瓦斯抽放速度均在衰减，但钻孔割缝后瓦斯抽放流量是非割缝的2.35倍左右。

3.2 割缝后瓦斯抽采流量效果分析

在钻场施工完成后，将钻孔并入抽采系统进行抽采，对6#钻场割缝和未割缝钻孔的瓦斯抽采流量数据进行分析拟合，得出其流量随时间的变化曲线：

割缝钻孔流量随时间变化曲线：

y=-0.0018x3+0.1471x2-3.8579x+51.927

未割缝钻孔流量随时间变化曲线：

y=-0.0009x3+0.0646x2-1.4813x+18.332

对测试钻孔40天内抽采瓦斯总量计算得出：

=1406.73 m3

=504.53m3

从累计抽放量来看，未割缝钻孔40天内抽放量为504.53 m3，而进行割缝的钻孔40天内抽放量达到1406.73 m3，是未割缝钻孔的2.788倍。在抽放瓦斯流量稳定时期，割缝钻孔瓦斯流量是未割缝的2.35倍左右。

由于8、9煤层瓦斯含量高、透气性差、煤层厚，经过1～1.5年的预抽，抽采率只有30%左右，只能部分降低煤层瓦斯含量(降至14 m3/t)。使用钻割一体化设备后煤层瓦斯抽放总量是未割缝的2.35倍，根据上述公式可知，抽采率能够达到60%左右，经过10～14个月的预抽，煤层瓦斯含量8 m3/t以下，基本能够消除回采工作面防突存在安全隐患，满足安全生产的要求。

与钻孔抽放相比，煤层在实施射流割缝后，煤层中产生大量的拉伸和剪切裂隙。这些裂隙和割缝后形成的缝槽连接贯通后，在缝槽周围形成较大范围的高渗透裂隙区，有效增加单孔的影响范围。

割缝抽采与钻孔抽采相比较：从钻孔的影响范围来看，割缝的影响范围远远大于钻孔的影响范围；从抽采流量上来看割缝的抽采流量是钻孔抽采流量的2.35～6倍。因此割缝抽采瓦斯的效率远远大于钻孔抽采效率。