高压水射流割缝防突技术在石门揭煤中的应用

宣 扬

淮南矿业集团鄂尔多斯中北煤化工公司，内蒙古鄂尔多斯 017008

0 引言

在淮南矿区，煤层中瓦斯赋存含量高，在石门揭煤过程中，如不采取必要的措施，煤与瓦斯在高压、低渗透的环境下很容易发生突出危险，造成煤矿重大的安全事故。因此，为了预防石门揭煤中的煤与瓦斯突出问题，针对瓦斯含量较高而透气性不好的煤层现状，研究怎样增加瓦斯的排放量以排除安全隐患，缩短石门揭煤排放瓦斯时间，加快石门揭煤速度对缓解我国突出煤层采掘紧张局面、建设安全高效矿井具有重要的理论及现实意义。为此，淮南矿区朱集煤矿在突出煤层石门揭煤中进行了高压水射流割缝防突技术试验，试验结果表明，采用高压水射流割缝防突技术可有效防治石门揭煤过程中的煤与瓦斯带来的安全问题，既能保障矿井生产的安全性，又能使巷道的掘进速度加快。下面，对此技术的现场应用进行详细阐述。

1 高压水射流割缝防突设备、工艺及原理

水力割缝系统由乳化液泵、水箱、钻机、高压胶管、多功能流量表、防喷装置和喷头等组成。

2.1 设备型号

1）割缝泵：型号DRB200/31.5 型煤矿用乳化液泵，额定压力31.5Mpa、额定流量200L/min。

水箱：铁质，容积3m3。

压力表：型号YHY60(B)矿用本安型数字压力计。

2）管路

高压管路：管道直径分别为Φ25mm 和Φ32mm，选用耐压强度≥32MPa 的高压胶管。

3）钻机钻具

钻机型号为ZDY-1900S 的液压钻机，钻杆型号为ZGFA50，内径Φ60mm，用于割缝钻孔的施工。

钻头：选用GSQ20/1.0 型高压射流钻头，Φ108mm。

喷嘴：型号为SHJ-2.0 的高压射流喷嘴，Φ1.8mm。

4）溢流阀

型号为BO-TK01 的液压控制阀。

5）分水器（水辫）

选用GSD3.0 型分水器。

2.2 工艺流程

1）安装钻机：将钻机移到指定位置，用紧固件将钻机稳固，传动位置要设防护栏杆，钻机和液压管接合要紧密，防止钻进过程钻机发生晃动现象，调整钻机高度和角度到固定位置。电源接好后，送电试运转，转动各操作手柄，检查各旋转件转动、各油管接头和压力表；

2）接钻杆：钻杆型号为ZGFA50，钻杆长度800mm。将钻杆放入钻机，前段连接上割缝一体化钻头，确保割缝一体化钻头与钻杆之间连接到位（螺纹全部上紧，每一根钻杆在连接前用清水冲洗内部，确保无颗粒杂质，以防堵塞喷嘴）。在钻杆的后方连接好分水器（水辫）（螺纹全部上紧）；

3）定钻：接好钻头后将钻头进到岩壁前，慢速开动钻机将钻头固定好，钻头进入岩壁内50mm 位置即停钻；

4）打钻：在钻杆尾端接好水辫，开静压水检查钻头是否有水流出，待确定钻头钻杆工作正常后以正常速度开动钻机进行打钻，每进一节钻杆正常接钻继续施工；

5）判别煤层位置：根据地质资料对煤层位置进行判别以确定各个钻孔的定钻位置和角度；

6）进钻到指定位置：正常进钻，按照设计进钻到指定位置，准备接高压水进行水力割缝施工；

7）冲整个煤段：将溢流阀调压到10MPa，进行水力割缝，采用边进边退的方法，从里向外逐渐切割，同时转动并抽拉钻杆，以利于排渣，切割完成后可重复进行切割，控制切割速度或者进行间歇式切割可以有效避免出现埋钻和憋孔的现象；

8）返水变清：经过一段时间的冲洗，钻孔内的煤渣或矸石渣逐渐变少，在这个过程中注意观察水流中的煤渣或矸石渣的含量变化，待到出水变清时即停止这一段施工。

2.3 工作原理

高压水射流割缝是一项超前水利割缝技术，针对于透气性较差、瓦斯密度较大、危险性比较特殊的煤层。工艺过程如下：先进行钻孔处理，接下来通过高压水射流切割钻孔两侧的煤体，这样就会在钻孔两侧形成一条较深的扁平的缝槽，而且水射流还会将切割下来的煤体残渣排出孔外。高压水射流割缝技术的应用是为了提高瓦斯抽放效果，从而改变巷道工作面前方煤层的动力性质。超前高压水射流割缝工艺形成的有深度的、用来缓解和排放瓦斯的缝槽，这个过程能使煤层的地应力和瓦斯的压力得到重新分布，最终导致煤层中的高应力变形区和高瓦斯压力区得到完全释放。

3 高压水力割缝效果及防突效果检验

3.1 高压水力割缝效果

通过对石门前方煤体采取水力割缝的卸压增透防突措施，使得前方煤体瓦斯压力和瓦斯含量得到了有效的控制。在水力割缝施工期间出煤量共计约76.4 吨，钻孔出煤量较大，且相对均匀，水力割缝效果明显。

高压水力割缝技术应用了12 天之后，使得钻孔的平均等效半径达到0.73m，在原有的数据的基础上增加了13.5 倍，钻孔最大半径达到1.17m，是原来的21.6 倍，而瓦斯排放的平均作用半径为6.0m，高压水力割缝技术使得瓦斯排放时的最大半径达到8m；钻孔直径的增加和瓦斯排放半径的增加使得每个孔切割后带出的煤的质量平均为2.5t，总切割煤量高达76.4t，瓦斯的排放量约为5558m3，由此可以看出，采用射流钻割卸压增透防突技术效果显著。

3.2 防突效果检验

1）瓦斯解吸指标

湿煤△h2 临界值为160Pa，测定结果表明瓦斯解吸指标△h2 小于临界值。但是，由于该指标对变质程度较高的无烟煤反映较为敏感，而张集矿的煤变质程度不高，敏感性不强，故仅作为的辅助判断指标。

2）残余瓦斯压力

残余瓦斯压力是反应煤体突出危险性效果的重要参数，残余瓦斯压力直接反应煤体的突出动力，是最重要的效果检验指标，测定方法与原始瓦斯压力测定相同，测定结果如表1 所示。

表1 残余瓦斯压力

根据上表，残余瓦斯压力均小于0.74MPa。

[1]惠功领，吕有厂.高压水射流割缝防突技术研究与应用[J].煤矿现代化，2006，2.

[2]郭盛，孟凡新，汤保枝.高压水射流割缝防突技术在突出危险掘进面的应用[J].中州煤炭，2007，5.