高压水力割缝增透技术成果(报公司)6.doc

科技成果奖申报表项目名称高压水力割缝增透技术研究及应用主要完成者唐怀林 樊树槐 魏明 何超 董随志 段启刚 陈奇任务来源公司下达计划编号和名称工作起止时间2011.12011.4成果用于生产时间2011.5今申报部门南桐煤矿通瓦科成果登记号基层编号矿业公司编号主要内容：一、概况：南桐煤矿系煤与瓦斯突出矿井，已开采至-450m七水平。开采的4#、5#、6#煤层均属突出危险煤层, 其中5#煤层作为保护层首先开采对4#、6#煤层进行保护。5#煤层掘进前瓦斯治理主要是在对应的矽抽巷施工常压水洗穿层钻孔对待掘5#煤层营造掘进条带安全屏障，但由于5#煤层透气性差，随着开采水平的加深，在高地压力和瓦斯压力的作用下，现有瓦斯治理技术和装备越来越不能满足生产需要，主要表现在钻孔抽放率低、预抽时间长、效果差，抽放措施难以实施到位，需施工大量的穿层预抽钻孔方能达标。为加快瓦斯治理步伐，南桐煤矿采用乳化泵配合ZYW-1200型钻机，进行“高压水力割缝煤层增透试验”，并进行了推广及应用。二、高压水力割缝工艺流程及作用原理1、高压水力割缝工艺流程高压水力割缝设备由高压切缝钻头、高压钻杆（50mm）、ZYW-1200钻机、乳化液泵等设备组成。施工的水力割缝钻孔均首先采用常压水穿透煤层全厚，钻孔孔径为75mm，并在施工过程中准确记录每个钻孔岩孔段、煤孔长度。然后采用高压水通过专制的割缝器对钻孔煤孔段对煤孔段进行割缝；割缝刀数根据煤孔长度确定（每间隔0.8m割一刀），每个刀割缝时间为1560min。水力割缝示意和设备布置图详见下图。图中：1-水箱，2-乳化泵，3-溢流阀，4-球形阀，5-压力表，6-高压水管。7-高压密封输水器，8-高压密封钻杆，9-钻机，10-高压密封钻杆，11-自动切换式切缝器，12-钻头。2、作用原理一般情况下，具有突出危险的煤层高地应力和瓦斯压力的作用下，内部孔隙和裂隙都很小，为了增大煤体的透气性系数，只有人为的采取措施使煤层卸压或在煤层内部中造成空隙，改变煤体结构，沟通及扩展煤层内部的裂隙网。我矿4#、6#煤层通过开采5#保护煤层卸压，但对于首先开采的5#保护煤层而言，只有在煤层内部本身采取措施，在煤层内部中造成空隙，改变煤体结构，使原有在高压状态煤体的微孔隙张开，造成新裂隙即局部卸压，来改善煤层内部瓦斯流动状况，达到良好的预抽、预排效果。而高压水力割缝通过钻机带动钻杆和切缝钻头旋转，将高压水通过切缝钻头细射流沿钻孔煤壁切割，在钻孔煤孔段中割出一条（或数条）一定宽度、高度的扁平缝槽，从而在煤孔形成直径远大于初始直径的缝槽，以此改变煤体结构，造成新裂隙及局部卸压条件，达到提高煤层透气性、提高预抽率的目的。3、 试验情况1、试验地点及概况 -325m7502抽放巷道断面图 试验地点为-325m7502矽质灰岩抽放巷，该区域位于属突出危险严重区域，该抽放巷位于我矿南翼-325m水平二石门至四石门之间，走向长560m，埋深645m，两石门5号煤层均已揭露，抽放巷道采用锚杆支护。抽放巷道净宽2.6m、中高2.1m，详见下图。 3.1m2.8m2、施工情况-325m7502矽质灰岩抽放巷现共施工钻孔358个，施工走向长度154m，其中水力割缝施工走向长度为50m，（钻孔总数52个），钻孔间距走向倾向分别为：5m5m、6m6m、7m7m。其余钻孔均为常压水洗钻孔，钻孔间距走向倾向分别为：4m4m。施工过程常压水洗钻孔均无喷孔现象，水力割缝钻孔中仅有一个钻孔未喷孔，其余均有喷孔现象。施工情况详见下表（注：由于我矿采掘部署紧张，该巷受通风系统限制，余406m走向范围未施工完钻孔） -325m7502矽抽巷 高压水力割缝参数统计平均表 表1割缝个数孔间距（m）液压泵流量（L/min）割缝压力（Mpa）割煤刀数钻机钻速（r/min）返水现象割煤时间（分钟）最大割煤量（kg）平均每孔割煤量（kg）525-720017-181-360-65返水正常60-90350200 -325m7502矽抽巷常压水洗钻参数统计平均表 表2常压水洗孔个数孔间距（m）常压水流量（L/min）水压（Mpa）钻机钻速（r/min）返水现象洗孔时间（分钟）最大洗孔煤量（kg）平均每孔洗孔煤量（kg）3064.08-102-480-280返水正常30-4555313、试验中存在的问题及解决方法 在最初实验过程中，我们首先采用重大割缝器进行割缝：该割缝钻头为单眼射流割缝，眼径23mm，经实验割缝力度较好，能在2.5m范围将泡膜板割穿，但使用过程中出水流量较小，排出煤量较少，存在返水困难和钻杆摆动大的问题。经我们积极查找原因，分析割缝返水困难、排出煤量较少是因为割缝器出水流量不够和单眼射流造成钻杆摆动大的原因。为此，我们实验对割缝器进行改进：一是自制割缝器，眼径为23.5mm，使用过程中出水量较好，但割缝力度较差（注：因割缝器割眼为锥度，我们存在技术难度）；二是与重大研制割缝器人员不段沟通，向他们提出改进意见，缝力度较好（经实验能在2.5m范围将泡膜板割穿），出水较集中，出水量较好，排出煤量较多，解决了返水困难、割出煤量较少的问题；同时由于重庆创泰公司生产的割缝器为三个割眼同时出水，避免了单眼题；解决了返水困难、割出煤量较少的问题；同时由于重庆创泰公司生产的割缝器为三个割眼同时出水，避免了单眼射流造成的钻杆摆动大的问题。并在割缝器割嘴采用螺纹与割缝器连接，便于在使用中根据现场情况调节割嘴眼径大小。通过试验，我们进一步对割逢施工工艺进行了确定，发现割逢时水压由5.0 Mpa至8.0Mpa至10Mpa至15Mpa至22Mpa递增，能有效避免在高压水（15Mpa至22Mpa）射流下煤粉排出量较大，容易造成卡钻的问题，同时也控制了割逢时的瓦斯涌出量，并能达到良好的割逢效果。在实验过程中由于在高压水的射流下，大部分存在喷孔现象，容易导致回风CH4超限，为此，我们在利用煤水、瓦斯分离器将瓦斯分离到抽放管道内，避免了瓦斯超限事故发生。4、水力割缝钻孔和常压洗钻孔抽放情况水力割缝钻孔施工完毕后，采用水泥砂浆进行封孔，封孔长度8m。然后采用50mm的管路接入-325m二石门瓦斯抽放道进行并网抽放，每组单独安设流量计进行计量。为了更好的对比该试验效果，特选取-325m7502抽放巷道抽放效果最好的常压水洗预抽钻孔与其对比，单孔抽放量是常压水洗预抽钻孔的3.7倍（详见表3、表4）。 -325m7502矽抽巷高压水力割缝抽放情况统计平均表 表3预抽个数孔间距（m）抽放时间最大浓度最大抽放量平均每孔抽放量累计抽放量525-72010、10、20日至2011、11、30日（282天）47%0.0538m3/min274.4m314268m3 -325m7502矽抽巷常压水洗钻孔抽放情况统计平均表 表4预抽个数孔间距（m）抽放时间最大浓度最大抽放量平均每孔抽放量累计抽放量3064.02010、10、1日至2011、7、31日（301天）26%0.0236m3/min74m322613m35、 试验小结通过试验，我们进一步对割逢施工工艺进行了确定，解决了高压割缝存在的一些技术难关，掌握了水力割逢技术；并根据从以上表（表1、表2）中可看出，钻孔采用水力割缝所用时间比采用常压水洗所用的时间多用30-45分钟；但所割出的煤量要多6.5倍；预抽瓦斯量通过单孔抽放量比较（表3、表4），水力割缝比常压水洗水洗预抽量提高3.7倍。由此可见，水力割缝钻孔能更加保证穿层钻孔治理瓦斯效果，并由于预抽率的提高，能减少抽放时间，加快穿层钻孔治理瓦斯速度。应用情况1、穿层钻孔预抽掘进条带瓦斯的应用 我矿在-325m75002矽抽巷试验水力割缝成功后，分别在-380m7505矽抽巷和-450m7505矽抽巷实施的常压水洗穿层钻孔中选择了部分钻孔进行了水力割缝，对待掘-380m7505中巷和-450m7505机巷实施穿层钻孔预抽条带瓦斯区域防突措施，以此提高穿层钻孔治理瓦斯效果及抽放率，加快瓦斯治理速度。现-380m7505中巷穿层钻孔预抽条带瓦斯区域防突措施已实施完毕，正在进行掘进；-450m7505机巷穿层钻孔预抽条带瓦斯区域防突措施正在实施当中。现将-380m7505中巷实施情况及效果整理如下：-380m7505中巷位于我矿北翼-325m水平五石门至5-1石门之间，走向长458m，埋深715m。为保证该巷掘进前安全，我们在待掘-380m7505中巷对应的-380m7505矽质灰岩抽放巷实施了穿层预抽钻孔区域防突措施，从实施穿层预抽钻孔至预抽、直至检验有效，共计用时423天（2010年7月9日2011年12月30日），现已安全掘进160m。钻孔施工、抽放和掘进情况具体见下： 钻孔施工情况：该矽抽巷共施工678个穿层预抽钻孔，其中常压水洗钻孔484个，水力割缝钻孔194个，控制待掘-380m7505中巷及巷顶倾斜以上20m、巷底倾斜以下5m范围，其中高压水力割缝钻孔比常压水洗钻孔在施工过程中排出的煤量明显增加，排出煤量为5.1倍。（详见表5、表6）a:第一次实施情况:在对应的-380m7505矽抽巷内对待掘的5#煤层整个条带施工了穿层水洗孔，施工时间为2010年1月20日2011年2月7日，钻孔沿走向每6.0m布置一组，沿倾斜每6.0m一个，共施工520个钻孔，并选择194个钻孔采用高压水进行了水力割缝。钻孔全部施工后进行了堵孔预抽。b:第二次实施情况:为加快该巷瓦斯治理速度（加快瓦斯预抽、排速度），在-380m7505矽抽巷增补穿层水洗孔158个，增补钻孔布置前期施工的穿层水洗孔之间，施工时间为2011年7月20日2011年9月2日。 -380m7505矽抽巷高压水力割缝统计平均表 表5割缝个数孔间距（m）液压泵流量（L/min）割缝压力（Mpa）割煤刀数钻机钻速（r/min）返水现象割煤时间（分钟）最大割煤量（kg）平均每孔割煤量（kg）1946.020015-181-370-90返水正常60-90325154 -380m7502矽抽巷 常压水洗钻统计平均表 表6常压水洗孔个数孔间距（m）常压水流量（L/min）水压（Mpa）钻机钻速（r/min）返水现象洗孔时间（分钟）最大洗孔煤量（kg）平均每孔洗孔煤量（kg）4846.08-102-480-280返水正常25-457030 C:根据下表（表7）对比，-380m7505中巷在对应的矽抽巷采用常压水洗结合高压水力割逢技术实施穿层钻孔预抽区域性防突措施与-366m75002矽抽巷采用常压水洗穿层钻孔预抽区域性防突措施比较，每100走向长度需施工钻孔个数可减少39个，治理瓦斯需用时间可减少39天。 -380m7505中巷与-366m75002机巷穿层钻孔施工类比表（表7） 地点施工走向长度施工穿层钻孔类型施工钻孔个数治理时间100m走向长度需施工钻孔个数100m走向长度治理瓦斯需用时间-380m7505中巷458m常压水洗+高压水力割缝678个423天148个92天-366m75002机巷361m常压水洗676个440天187个121天 抽放情况：钻孔于2011年4月19日开始投入预抽，截止2011年9月6日止,抽出瓦斯总量：12315m。（详见表8） 抽放情况统计平均表 表8预抽个数孔间距（m）抽放时间最大浓度最大抽放量平均每孔抽放量累计抽放量5206.02010年4月19日日至2011年9月6日（实际抽放时间为1800小时，75天）12%0.0697m3/min24m312315m3注（1）由于该巷采用移动泵进行抽放，移动泵开启受泵电机温度限制，因此累计至2011年9月6日，抽放1800小时，为75天。 （2）由于该巷施工的钻孔选择间隔进行水力割缝，因此未对水力割缝钻孔单独计量。区域措施效果检验情况该区域水力割缝、常压水洗穿层预抽钻孔实施完毕后，采用直接测定法施工了8个区域措施检验孔，均未超标，测得残余瓦斯含量最大6.3943m3/T，检验有效。 掘进情况:-380m7505中巷于2011年10月5日开始进行掘进，至2011年12月30日，已安全掘进160m, 并在43m时遇落差有2.5m的断层，但在掘进过程中均无异常情况出现，经28次连续验证均未超标，测得最大h2 ：130Pa,Smax：4.8kg/m，施钻时回风CH4最大0.3%。2、石门揭煤应用情况：2011年水力割缝技术我们在石门揭煤工作上广泛应用，共应用在5个石门、6个煤层的揭煤区域防突措施上，并取得良好的效果。 -325m十一石门揭6#煤层、-380m九石门揭5#煤层、-450m十一石门揭5#煤层、-325m六石门揭5#煤层采用水力割缝技术进行消突后，经检验有效，已安全揭开煤层。 -450m四石门揭5#煤层揭5#煤层经实施穿层水洗钻进行消突后，经检验有效，正在准备揭煤当中。-275m六石门揭6#煤层、-366m四石门揭6#煤层正在实施水力割缝。 特别值得一提的是-380m九石门5#煤层：该石门前期在7m真厚施工常压水洗钻孔130个，检验孔5个，均未超标；但在掘进至5m真厚实施验证孔6个均超标，后经实施水力割缝钻孔85个消突后，验证均有效，现已安全揭开煤层。三、结论： 穿层钻孔经采用高压水力割缝增透技术后，与常压水洗预抽钻孔比较，钻孔排出的煤量增加了56.5倍，从而增加了孔内煤体暴露面积，为煤层发生蠕动提供了空间，达到改变煤体结构，增加煤层微孔隙，提高透气性的作用，并单孔瓦斯预抽量提高了3.7倍，与常压水洗预抽钻孔比较得到明显提高。因此穿层钻采用高压水力割缝增透技术治理瓦斯效果明显优于常压水洗预抽钻孔，该技术为低透气性煤层预抽瓦斯提供了新的平台和发展空间，具有很大的安全和经济效益，应在穿层钻孔治理掘进条带瓦斯和石门揭煤中广泛应用。项目经济效益或社会效益含计算基础 1、经济效益根据-380m7505中巷在对应的矽抽巷采用常压水洗结合高压水力割逢技术实施穿层钻孔预抽区域性防突措施与-366m75002矽抽巷采用常压水洗穿层钻孔预抽区域性防突措施比较，每100走向长度需施工钻孔个数可减少39个，治理瓦斯需用时间可减少39天。如按500m巷道走向长度计算：可减少钻孔个数195个，平均每个钻孔按17米计算，可节约钻尺3315m，节约瓦斯治理资金42.9万元。若穿层钻孔全部采用高压水力割缝，能达到更好的安全、经济效益。因此采用高压水力割逢增透技术施工穿层钻预抽瓦斯，能有效的减少了钻孔个数和施工时间，具有很大的经济效应。2、社会效益-3