高压脉冲水射流定向卸压增透技术在煤矿中的应用

高压脉冲水射流定向卸压增透技术在煤矿中的应用

随着开采的深入，平阳矿区顶板和砖瓦材料的砖瓦压力和数量逐渐增加，突出的风险也在增加。随着煤层从非突然变化，逐渐突出的是煤层，而开采的是砖瓦开采的。基于平顶山矿区煤层透气性极差,煤质松软,瓦斯治理手段除保护层开采效果得到普遍公认外,主要靠钻孔来抽采释放瓦斯,但钻孔抽采影响范围小,要达到抽采效果就需要加密钻孔以消除抽采空白带。这就大大增加了消突工作量,延长了消突达标时间,给安全和生产造成极大的影响。为增加煤层透气性,增大钻孔抽采影响范围,特开展高压脉冲水射流钻割卸压增透技术应用研究。1钻床、研磨、压力损失填充技术原理1.1冲击式水射流自适应高压脉冲水射流是利用水射流的不稳定流动特性,通过调整连续水射流的流动参数和结构参数,对水射流的涡量扰动进行闭环反馈和放大,将连续水射流改变为压力脉动的冲击式水射流,水射流作用在靶体材料上的力改变为按一定频率周期性变化的高频冲击载荷。试验和现场应用证明,这种冲击力是连续水射流滞止压力的1.5~2.5倍,大大提高了对靶体材料的冲蚀破坏作用。1.2应力波影响瓦斯渗流的机制在高压脉冲水射流沿煤层割缝过程中,由于高压脉冲水射流的冲击、振荡和物理作用,一方面使煤岩骨架应力变化,导致煤体特性变化,从而影响割缝煤体内瓦斯的流动和压力分布;另一方面瓦斯运移状态的变化又引起煤体骨架应力状态的变化。高压脉冲水射流冲击产生应力波,被冲击区在强大应力波作用下处于绝对受压状态,当射流冲击煤体的压缩波传播到煤体的自由表面时,煤体所受到的应力从入射时的压缩应力变成全反射时的拉伸应力,当拉伸应力超过部分低强度煤体的拉伸强度时,就致使煤体发生拉伸破裂,形成裂隙。这种应力波对瓦斯渗流有以下影响:(1)导致煤体原始应力分布状态完全改变,应力变化引起煤体裂隙发生变化,同时当瓦斯解吸时,煤炭颗粒的表面张力增加,煤体就会收缩,其体积变小,增大了裂隙、孔隙的尺寸。(2)裂隙率变化会引起瓦斯渗透系数的变化。冲击产生的应力波以地震波形式传播,引起煤体变形的震动效应,使得裂隙内瓦斯原有的等温、等压平衡状态被打破,造成裂隙内瓦斯的波动,波动会引起温度升高———即热效应,这将加剧瓦斯的解吸。(3)瓦斯的波动将引起裂隙局部的振动,波动引起的热效应和振动随应力波的强弱变化。煤层实施割缝后,不仅增大了瓦斯溢出的自由面,且由于煤体的破裂,在切割缝的周围形成较大范围的高渗透裂隙区,从而更大幅度地增加了瓦斯的运移通道,使得在瓦斯抽采初期具有较大的瓦斯抽采速度。1.3切割条件影响因素分析影响高压脉冲水射流割缝效果的因素有很多,主要包括射流压力、射流流量、射流速度及喷嘴转速。对于喷嘴流道为圆管形结构的水射流,射流流量q、流速v与射流压力p、喷嘴直径d之间的关系为:v=44.7槡p,q=2.1d2槡p。由此可以看出,当射流压力与喷嘴直径确定时,射流流量和流速保持不变。因此,仅考虑切割条件对水射流割缝效果的影响,即射流压力、喷嘴直径及转速3个因素。(1)射流压力。射流喷射压力反映了水射流的速度,是影响水射流切割能力的重要参数。试验表明,当压力大于20MPa时,射流能有效破坏各种硬度煤体,割缝半径为1~2m。(2)喷嘴直径。在保持射流压力不变的情况下,加大喷嘴直径可增大水射流的能量,煤体更容易破坏,切割深度也将增加。试验表明,压力恒定时,喷嘴直径越大,切割深度越大。但考虑到直径越大,所需流量也急剧增加,一般将喷嘴直径设计为2.5~3.5mm,此时普通矿用乳化泵(80~125L/min)即可满足流量供给需求,便于推广应用。(3)射流转速。射流转速对切割深度影响的本质为喷嘴横移速度与重复切割次数2个因素对切割深度的综合影响,实质是反映水射流对煤体的冲击时间。综上所述,为保证高压脉冲水射流有足够的破煤能力,射流压力应大于20MPa;喷嘴直径选用2.5~3.5mm。2现场应用2.1固瓦斯含量及巷道位置平煤五矿己15-32020胶带运输巷沿己15煤层顶板施工,炮掘。煤层埋深925~1044m。掘进断面14m2,支护方式为锚网支护,间排距600mm。己15煤层坚固性系数为0.7,厚度为1.2~2.0m,原始瓦斯压力1.3MPa,瓦斯含量12.4m3/t,为突出煤层。下部己16,17煤层也为突出煤层,己15煤层与己16,17煤层层间距为3.3~17.0m,施工巷道高度为3.2m,试验段巷道己15煤层距己16,17煤层一般在9~10m,比较稳定。巷道施工时,直接在己15煤层执行区域防突措施,并加强下探己16,17煤层工作,以防误揭己16,17煤层造成事故。2.2压脉冲水射流割缝己15煤的坚固性系数为0.7,根据现场测试结果,己15煤层高压脉冲水射流割缝ue07e75mm,钻孔割缝影响半径达3.2m;综合考虑己15-32020胶带运输巷煤层透气性、瓦斯含量、瓦斯压力等因素,高压脉冲水射流割缝钻孔按影响半径3.0m进行设计。2.3钻孔控制及参数根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求,并结合己15-32020胶带运输巷的巷道设计情况以及己15煤层瓦斯含量、煤层赋存条件、煤的坚固性系数和破坏类型等实际情况,确定控制范围为:沿己15-32020胶带运输巷巷道掘进方向钻进60m,预留超前距20m,上下帮各控制15m。钻孔布置如图1所示,钻孔参数见表1。考虑到设计钻孔径向距离较近,为防止钻孔割缝过程中穿孔及重复割缝,同时减少割缝时间,钻孔割缝时交错相间,割缝参数见表2。2.4巷道残余瓦斯含量测定根据设计方案,在现场进行了近7个月的试验,共计13个作业循环,掘进长度达520m。钻孔割缝工作分为2部分:首先采用风压辅助钻杆实施钻孔,待达到设计孔深再后退钻杆进行高压脉冲水射流割缝。钻孔割缝时间为每道缝15~20min,割缝压力为20~24MPa。每循环措施孔施工、抽放结束,即测定残余瓦斯含量W,结果表明:取样深度20m位置处瓦斯含量W值在3.6397~4.4626m3/t;取样深度40m位置处W值在3.3421~6.1320m3/t;取样深度60m位置处W值在4.5421~6.6120m3/t,均小于临界值8m3/t,措施有效。巷道掘进期间执行了防突指标测试(复合指标法),q=1.5~3.1L/min,S=2.2~4.5kg/m,均小于临界值(5L/min和6kg/m),无超标现象。煤巷掘进期间瓦斯浓度0.02%~0.29%,未出现瓦斯超限现象。3应用效果3.1防突措施布置五矿己15-32020胶带运输巷掘进面原有防突措施共布置钻孔1(排)×15(列)=15个;采用高压脉冲水射流定向卸压增透技术后共布置钻孔9个,钻孔数量减少40%。3.2措施孔执行时间五矿己15-32020胶带运输巷原执行措施施工15个措施孔,执行时间平均17个生产班。采用高压脉冲水射流割缝执行9个措施孔,执行时间平均11个生产班,比原措施执行时间缩短35.3%。3.3未割缝孔单孔浓度和流量测定残余瓦斯含量W,分别在钻孔20,40,60m位置处取样测得瓦斯含量值在3.3421~6.6120m3/t,较煤层原始瓦斯含量12.4m3/t大幅下降,且均小于临界值指标。选取执行原措施和割缝措施时对应的未割缝的8#、7#、6#孔和割缝的5#、4#、3#孔进行数据跟踪,单孔浓度、流量对比(表3)。由表3可以看出:割缝孔单孔抽放浓度在50%~79%,抽放流量为0.55~0.78m3/min;未割缝孔抽放浓度最高为40%,抽放流量最大为0.15%。割缝孔浓度、流量均有大幅提升。4孔多、施工难度大、抽放时间长将高压脉冲水射流技