水力射流切割技术在高地应力突出矿井中的实践与应用.doc

水力射流切割技术在高地应力突出矿井中的实践与应用金双林，周访玉、黄永梁(徐州矿务集团有限公司 张集煤矿，江苏 徐州 221147)摘 要 结合张集矿煤层瓦斯赋存特点，在北翼延深采区-1260m水平首次采用“钻割一体化”防突快速揭煤技术，通过工艺适用性和安全可靠性的探索与创新，完成了石门快速安全揭煤。为大埋深、高地应力、低透气性条件下的快速消突揭煤和深部煤炭资源的高效安全集约化开采作出示范引领作用。关键词 水力射流；石门揭煤；瓦斯突出 0 引言煤与瓦斯突出的问题不仅严重制约，煤炭生产产能、效能的发挥，而且，成为制约矿井安全生产的“瓶颈”。防治煤与瓦斯突出一直是国内外煤矿安全的难题。开采进入深部后，由于煤层及瓦斯赋存的地质条件复杂，煤层透气性或渗透性越来越差，瓦斯压力大、含量高、不易抽放，高地应力在瓦斯动力灾害中的作用越来越突出，尤其是在石门揭煤过程中采用单一的打钻瓦斯抽放卸压理论与技术虽经过长时间抽放，但抽放有效影响半径小、抽放率低、成本高，远不能满足安全生产的需要。张集煤矿通过防突抽放钻孔施工技术与引进高压水力射流切割技术相结合，实现了高地应力条件下打钻、孔内煤体切割一体化的防突快速揭煤工作，水力射流切割技术对江苏境内煤与瓦斯突出矿井具有很好的借鉴与指导意义。1. 概况张集煤矿北翼延深采区在-1260m水平，将来主采煤层为山西组9煤，该煤层深部瓦斯含量不是很高，但瓦斯压力超过了0.74MPa，在北翼盘区开拓期间9层煤的瓦斯测定参数为：瓦斯压力最大值p=1.20MPa，原始含量为4.02310.23m3/t，煤层坚固性系数（最小）f=0.29，瓦斯放散初速度p=12.35。同时，由于受火成岩体侵蚀影响，深部地应力高。本次现场施工地点为北翼延深-1250m轨道大巷石门。巷道设计长度110m，前期68m为平巷、后期调整为上山掘进，倾角10-15，巷道规格为：净宽4.5m，中高3.85m，半圆拱型。揭露9煤的标高在-1253m，煤层倾角5-8，沿走向近水平，煤厚1.5-2.0（0.6-0.7）0.8-1.1m，其中，9-2煤体坚固性系数大于0.5,9-1煤顶板下软分层厚度为0.2-0.4m。9煤顶板为细砂岩，平均厚度为13.1m，底板为粉砂岩，平均厚度为4.4m。2. 射流切割钻孔煤体防突技术的实施2.1 技术原理利用高压水射流反复切割破碎煤体，当在高压应力作用下发生流变或蠕变的煤体出现塌孔憋孔现象时，高压水楔入钻孔周围煤层原有的裂隙中进行扩散、渗透和压裂煤体，使煤体空隙、裂隙不断扩张、贯通、膨胀变形和相向位移，逐渐形成一个较大尺寸的煤孔空洞，增大抽放孔的直径，大幅度地疏松、挤压、释放煤体中的瓦斯，人为可控地诱发钻孔内的煤与瓦斯突出，消除激发突出的应力和瓦斯压力，在围绕钻孔切割形成一个塑性变形区和卸压圈，增大了煤体抑制突出的阻力，起到了综合防突的作用。2.2 装备选用型号DRB200/31.5型煤矿用乳化液泵，高压管路选用内径分别为25mm和32mm，钻机钻具选用ZDY-1900S型液压钻机，钻杆63.5mm，钻头108mm，用于切割钻孔的施工，切割喷头选择1.8，及溢流阀装置。射流切割系统布置如图1。 图1 射流切割系统布置示意图2.3 钻孔设计根据煤与瓦斯的赋存特点，在工作面上山掘进至迎头法线距离9-1煤底板5m停止掘进。设计5排，共26个钻孔，所有钻孔终孔位置须穿过煤层进入煤层顶板不小于0.5m。超前钻孔的控制到巷道断面轮廓线外12m，割缝孔间距的确定应取决于割缝的有效影响半径。根据钻割一体化防突设备的实验室实验测得，其有效影响半径最大可达4m。因此为保证防突效果，在布置的割缝孔孔距设计为5米。具体见图2。 图2 钻孔布置图2.4工艺流程施工顺序：安装钻机接钻杆定钻打钻判别煤层位置进钻到指定位置调试溢流阀冲整个煤段返水变清。2.5 技术关键2.5.1 先打钻进行“点”的渐进式消突，先施工巷道中间一排钻孔，打钻卸压。2.5.2 在点与点形成面的消突基础上，合理选择水射流的水压进行扩孔，防止水压过高诱导突出。2.5.3 合理选择射流切割的顺序，人为可控地进行单孔扩孔，或诱导孔内瓦斯喷出。2.5.4 防喷孔、防瓦斯等安全防护装置的创新。3. 射流切割钻孔煤体防突技术应用过程中的问题及改进3.1存在问题3.1.1 高压射流水压过高液压系统压力过高易出现系统连接部位水流泄漏，高压水射流伤人。特别是钻杆分水器（水辫）部位及钻杆连接处易出现刺密封圈水流泄漏现象。高压泄漏点的存在，给安全操作带来一定的风险。在处理钻头被堵，拆卸钻头过程中有时会出现钻杆内的高压水射流突然喷射现象。2.5.2 卡钻断钻杆现象孔口钻屑排渣不畅，大量煤体颗粒不断聚集挤压在孔壁周围而将钻杆和钻头箍紧、抱紧，终使钻杆所受摩擦力大于钻机的扭矩力而发生钻头无法进退即卡钻事故甚至断钻杆事故的发生。钻杆中空孔径为15mm，在钻杆的接头丝扣连接部处于承受力薄弱的环节，当钻杆扭矩力过大超过其抗扭强度，特别是在钻孔因导向性差易出现钻孔弯曲情况下，钻杆所受扭矩力大于抗弯曲强度时，易出现钻杆断裂。2.5.3 憋孔喷孔现象切割过程中，孔内大量的钻屑难以从孔口顺畅排出，易出现孔口长时间不出水憋孔，最终形成喷孔现象。喷孔现象潜在的危害。2.5.3.1系统压力过高，瞬时作用到切割煤岩体中，易造成煤岩体整体位移剥离。2.5.3.2 孔内不返水时压力增大，出现瞬间喷孔现象，喷孔所形成的高压水射流携带大量煤体颗粒，甚至夹带从岩体中剥离出岩块瞬间喷出，存在安全风险。2.5.3.3喷孔时，易出现相邻钻孔的串孔和喷孔，使施工人员疏于防范；甚至在钻孔施工结束起完钻杆后，仍然会出现因压应力的不平衡形成延时喷孔现象。2.5.3.4在高压水流切割挤压，外力扰动作业下，诱导和激发钻孔瓦斯喷出，形成瞬时瓦斯超限。2.5.3.5切割空洞内积聚瓦斯。经切割后，煤体内部形成空洞，为瓦斯积聚提高了空间，甚至形成瓦斯库。2.6 采取对策2.6.1 加强安全防护。在迎头施工钻场，作为安全躲避硐室。进行水流切割作业时，人员可有效避开喷孔影响范围，提高安全防护的可控性。2.6.2 规范操作。合理选择从里向外切割顺序，为防止埋钻和憋孔，可相应控制切割速度或进行间歇式切割，同时，合理选择切割系统的射流压力。切割初始压力可调整为5MPa，然后缓慢上调至15 MPa左右，发现异常及时打开溢流装置，使系统压力为零。2.6.3 改进工艺。更换光杆为螺旋钻杆、在排渣水压和螺旋曲线作用下，麻花钻杆能够将水流钻屑沿钻孔挤压搅运出来，以保证钻孔的相对成型度和排渣的顺畅，达到防卡钻的目的。在-1250m轨道大巷石门切割期间，更换麻花钻杆后，钻孔的排渣效果，发生了根本性的逆转。排渣水与炭的比，由原来的排出2/3的水1/3的炭，变化为2/3的炭1/3水。2.6.4 增加流量。将原先的80L/min 更换成250 L/min的液压泵，增加流量切割，最终起到增强排渣的效果。2.6.5 配齐安全防护设施。切割时，在孔口安装防喷孔气渣分流器，进行二级分离，有效将瓦斯分离再来，分离出来的瓦斯并入抽采系统。2.6.6 提高质量。对断钻杆的原因和水辫长经时间使用后就会出现水压泄漏原因进行分析，从改进钻杆和水辫铸造工艺结构人手，提高抗钮、抗弯、抗磨强度。同时，规范切割操作流程，确保钻孔成型效果。2.6.7 封孔抽放。切割完成后，所有钻孔用随打击抽胶囊，快速封孔，进行瓦斯抽放。经抽放后，再采用封孔袋（聚氨酯封孔原料），在预定的孔深进行小循环的封孔处理，防治瓦斯在放炮过程中大量涌出。4. 效果通过水力射流切割技术应用，进一步考察了适合我矿深部采区大埋深、高压力、低透气性典型煤层赋存特点的水力射流切割工艺及技术参数，通过减少钻孔的数量，优化切割钻孔布置方式，在减少措施工程量和缩短施工时间的情况下，达到了少打孔，多出煤，多排放瓦斯的效果。3.1 揭煤时间明显缩短在未使用水力切割技术前，我矿在-1235m回风石门揭煤过程中从2011年9月26日开始施工措施钻孔，历时半年多时间揭开煤层。使用后，-1250回风石门从4月4日早班开始施工措施孔到4月26日夜班水力切割完成，到效检测压达标仅用1个多月时间。3.2 工程量大幅度减少-1235m回风石门总计施工钻孔158个，钻孔总进尺5496m ，联网抽放近四个月，注浆历时半个月，合计注浆31m3。-1250m轨道大巷石门使用水力切割技术施工措施孔26个，钻孔总进尺687.3m，测压孔4个，检验孔4个，合计施工钻孔34个，相比工程量有很大幅度减少。3.3 瓦斯抽排量明显增加-1235m回风石门合计瓦斯抽放量为3154m3，风排瓦斯量为4624 m3，-1250轨道大巷石门打钻及切割期间风排瓦斯量为5558 m3，打钻时排出炭量15t，水力切割时排出炭量为76.4t。折合瓦斯排放量为928m3。3.4 卸压效果更为明显钻孔射流切割技术的应用后，钻孔等效半径平均为0.73 m，比原始孔径平均增大了13.5倍，使瓦斯释放影响半径平均达6.0m；切割后的钻孔等效半径最大达到1.17m，比原始孔径增大了21.6倍，使瓦斯释放影响半径最大达8m以上；单孔切割出煤量平均为2.5t，总切割煤量达76.4t，诱导喷孔、挤压释放瓦斯量为5558m3，钻孔瓦斯排放量提高25 %；瓦斯压力由原来的1.3MPa降到了0.3MPa。整个揭煤时间相对缩短84%，消突卸压效果有了量的概念，成效显著。5结语通过高压水流切割冲刷煤体，使煤层孔隙率增大，裂隙向更为纵深煤体处延展，煤层透气性增强，使具有较大地应力和瓦斯压力突出能的突出煤体的高能区在短时间内起到很好的卸压平衡效果。高压水流切割技术对我矿深部延深石门揭煤和顺层防突技术的创新具有指导意义，