高压磨料水力割缝技术在高突煤层的应用

2014-04-16任青山王春霞

科技视界 2014年13期

徐文任青山王春霞彭斌

（六盘水师范学院矿业工程系，贵州六盘水 553004）

随着开采深度的增加，煤炭的安全生产受到瓦斯灾害越来越严重的威胁。煤与瓦斯突出严重制约着煤炭的安全生产，有效治理瓦斯成为矿井安全生产的首要任务。如何实现煤与瓦斯突出危险区域的快速安全掘进是治理瓦斯的重中之重，这些区域往往瓦斯含量大，压力高，透气性较差，煤体疏松，严重制约着煤体的安全产出。

对于严重突出煤层在不具备保护层开采条件，预抽又效果不好的情况下，强化抽放煤层瓦斯是煤炭工作者面临的难题。底抽巷穿层钻孔高压磨料水力割缝技术是目前效果较为可靠的强化抽放瓦斯技术，该技术能有效的释放高突区域瓦斯，掩护掘进工作面的安全施工，提高掘进速度，增加经济效益[1]。

1 原理

底抽巷穿层钻孔水力割缝技术首先在工作面进回风巷及开切眼的下方岩层中施工岩石巷道，在岩巷中打穿层钻孔，退钻时利用钻头将混有石英砂的高压水向煤层中喷射造缝，并冲出大量的煤，强化泄压并释放瓦斯达到消突的目的。

底抽巷较高位巷有较明显的优势，那就是煤层中的水可以有效的排出，高抽巷往往因为煤层中的水不能有效的排出而阻碍了瓦斯的解析，故而在有水的煤层高抽巷效果不佳。底抽巷在利用水力割缝时能较为方便的排出水和煤泥，为瓦斯解析提供空间。

高压磨料水力割缝主要是利用携带石英砂的高压水流冲击煤体达到割缝的目的，水流在高达30Mpa的压力下高速冲击煤体，流体冲击造成的弹性拉力波在煤体中冲撞、反射和干扰，破坏了材料的分子结构，造成了煤体的局部流变和裂缝的产生（如图1），高硬度的石英沙提高了水流的造缝能力，加速了局部煤体的破坏过程[2]。

图1 高压水切割煤体示意图

高压磨料水能在煤体中形成很深的泄压、排瓦斯通道，回流的高压水能携带出大量的切割下来的煤体，裂缝空间导通了煤体中原有的裂隙，煤体膨胀的同时达到了泄压的目的。裂隙的导通便于瓦斯的解析、流动与抽放；地应力和瓦斯压力的释放，消除了突出的危险。与水力冲孔相比，高压磨料水力割缝能连通更多的裂隙，冲出更多的煤渣，形成更大的空间，使得瓦斯压力和地应力释放得更加均匀、充分。与深孔松动爆破相比，高压磨料水力割缝产出的裂隙也更加均匀，且不会导致顶底板的断裂，地应力释放更加均匀[3]（图2）。

图2 水力割缝消除突出危险示意图

底抽巷穿层钻孔水力割缝技术能在高突危险区域作业，利用底抽巷在岩层中即可作业，有效的排放突出危险区域的瓦斯，掩护进、回风巷的掘进（图3）。

图3 高压水射流煤层钻孔切缝示意图[4]

2 设备施工工艺简介

高压磨料水力割缝系统主要由高压泵、水箱、高压磨料发生装置、钻割一体化钻机等组成，如图4所示。在完成钻进后，系统进行边退边割，可以进行边退钻边旋转的连续割缝，也可以间段式旋转割缝[4-5]。

图4 间断式旋转割缝示意图

3 应用效果

3.1 工作面概况

某矿11031工作面为高突区域，该矿三次突出均发生在该区域及附近区域，突出强度大，煤层瓦斯含量为14.3m3/t，瓦斯压力为1.57MPa，煤体结构较为松软，破坏类型普遍为Ⅲ-Ⅴ类，属于严重突出危险区域。工作面长度为2300米，煤厚约5米，以贫瘦煤为主，构造发育，小断层密集。

3.2 施工状况

为了消除掘进工作面的突出危险，矿方首先采用了高抽巷水力压裂技术来对工作面的瓦斯进行治理，由于煤层含水较多，高抽巷的抽放钻孔积水严重，瓦斯很难从煤层解析出来，后该工作面采取低抽巷的水力割缝技术进行瓦斯治理。底抽巷在该矿13031工作面设计机巷和风巷的下方约10米处，在该工作面底抽巷下方施工的抽放钻孔每8米施工一排5个钻孔，扇形展布（图5），穿过煤层进入顶板0.5米后停钻，后退间断式旋转割缝。

图5 低抽巷水力割缝消突示意图

3.3 封孔工艺

该实验采用保压注浆封孔工艺，使用聚氨酯和膨胀水泥联合封孔，膨胀水泥采用高强度微膨胀型材料PD材料，将抽放管花眼位置伸到煤层顶部，防止花眼被堵，前后两段使用中国矿业大学研制的聚氨酯封孔袋，中间填充膨胀水泥封孔，膨胀水泥在岩石中封8米。该封孔工艺是在两端用聚氨酯封堵后往封闭的空间再注入膨胀型水泥，注入压力可以达到1.5MPa，通过高压泵的压力和材料自身的膨胀性能能有效的保证膨胀水泥向周围的裂隙内运移填充（图6），是目前国内较为先进的封孔工艺，该封孔工艺在我国的各大矿区得到了一致的肯定。