石瑞鵬

(西山煤電集團 杜兒坪礦， 山西 太原 030022)

高壓水射流割縫是一種充分利用高壓水作為沖擊動力來源，從鉆孔孔壁至煤(巖)體進(jìn)行掃圈式切割、排渣，最終在煤(巖)體中形成縫槽的技術(shù)。這種方法是用鉆割一體鉆頭在煤(巖)層中先打一定孔徑卸壓鉆孔，然后退鉆時在鉆孔內(nèi)利用高壓水射流沿孔壁對煤(巖)體進(jìn)行切割，利用水流將切割下來的煤(巖)渣排出孔外，從而達(dá)到煤體增透、降溫、降塵、防沖(突)卸壓的目的[1].

杜兒坪礦68307工作面開采8#煤層，煤體瓦斯含量高壓力大，經(jīng)預(yù)測，工作面開采區(qū)域為突出煤層突出危險區(qū)。為提高瓦斯治理及防突效果，現(xiàn)引進(jìn)高壓水射流割縫(水力割縫)新技術(shù)，對煤體實施水力切割，增加煤層透氣性，提高卸壓消突效果和瓦斯抽采率，確保工作面安全回采。

1 地質(zhì)概況

杜兒坪礦主采煤層為8#煤層，平均煤厚4.59 m，傾角3°，F(xiàn)值1～2，頂板為石灰?guī)r，底板為細(xì)砂巖。依據(jù)沈陽煤科院的瓦斯參數(shù)鑒定報告，8#煤瓦斯含量為6.94～10.98 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為1.1～1.27 m2/MPa2·d. 煤層孔隙率為3.55～5.71，屬可以抽放～較難抽放。杜兒坪礦目前存在鉆孔預(yù)抽時間長、瓦斯抽采率低、采掘接替緊張、工作面瓦斯治理困難等問題，因此亟需在68307回風(fēng)巷施工高壓水射流割縫增透工藝。

2 高壓水射流割縫增透工藝流程

高壓水力割縫系統(tǒng)設(shè)備包含：鉆割一體化鉆頭(獨立轉(zhuǎn)頭、高低壓轉(zhuǎn)換器)、高壓輸水鉆桿、高壓旋轉(zhuǎn)器(進(jìn)口)、高壓輸水膠管、高壓泵組、水箱等。在進(jìn)行切割時，鉆機作為推進(jìn)旋轉(zhuǎn)器，不對現(xiàn)有的鉆機進(jìn)行任何改動。

其中，鉆割一體化鉆頭是集鉆進(jìn)和割縫為一體的孔內(nèi)裝置。在正常鉆進(jìn)時，操作方式不變，高壓輸水鉆桿接旋轉(zhuǎn)水變，鉆頭前面的軸向水孔正常出水，鉆進(jìn)至設(shè)計深度；鉆孔到位后拆除鉆桿使鉆割一體化鉆頭后退至設(shè)計割縫位置，高壓輸水鉆桿接旋轉(zhuǎn)水變，鉆機勻速轉(zhuǎn)動帶動鉆割一體化鉆頭轉(zhuǎn)動，開啟高壓泵后鉆頭軸向水道關(guān)閉。徑向高壓水射流噴嘴開啟，在鉆孔的煤壁上切割[2]. 高壓水射流割縫示意圖見圖1.

圖1 高壓水射流割縫示意圖

3 高壓水射流割縫鉆孔

3.1 施工設(shè)計

在68307回風(fēng)巷距切眼10 m處至停采線范圍內(nèi)，向68307工作面內(nèi)施工本煤層鉆孔(圖2). 施工參數(shù)為：單孔孔深100 m，方位角為245°，鉆孔傾角為-4°～4°，鉆孔d113 mm，開孔高度底板以上1.5 m，孔間距8 m，封孔深度不低于12 m，帶壓注漿段不低于5 m，鉆孔參數(shù)見表1.

圖2 68307回風(fēng)巷本煤層鉆孔布置平面示意圖

表1 鉆孔施工參數(shù)表

3.2 割縫施工方式

單數(shù)孔從距離孔底1 m位置，開始后退式割縫，每隔8 m割縫一刀，距離孔口19 m處停止割縫，設(shè)計每孔割縫11次。

雙數(shù)孔從距離孔底5 m位置，開始后退式割縫，每隔8 m割縫一刀，距離孔口15 m處停止割縫，設(shè)計每孔割縫11次。

每次割縫時間5～10 min，割縫水壓達(dá)到80 MPa以上，割縫直徑為0.5～2 m，割縫的裂隙度為30～50 mm. 割縫間距根據(jù)實際情況可調(diào)整[3]. 高壓水射流割縫參數(shù)見表2，高壓水射流增透卸壓瓦斯抽放孔斷面圖及割縫示意圖見圖3，4.

表2 鉆孔施工參數(shù)表

圖3 高壓水射流增透卸壓瓦斯抽放孔斷面圖

圖4 高壓水射流割縫示意圖

3.3 封孔設(shè)計

鉆孔采用雙囊袋封孔器和無機封孔材料聯(lián)合進(jìn)行封孔。鉆孔施工完后，依次向鉆孔內(nèi)封入1根1.5 m的篩孔管、囊袋式封孔器、2根4 m長的2英寸PVC管，將水與無機封孔材料按照3∶5的比例攪拌均勻后，采用注漿泵注入囊袋；當(dāng)注漿泵壓力第一次上升到0.8～1.0 MPa后，繼續(xù)注漿，壓力會瞬間歸零，說明囊袋已完全膨脹，鋁箔閥打開，繼續(xù)注漿至壓力再次上升到0.6～0.8 MPa并穩(wěn)定后，停止注漿。注漿完成后在孔口200 mm段封入水泥砂漿。鉆孔封孔示意圖見圖5.

圖5 鉆孔封孔示意圖

3.4 抽采系統(tǒng)

68307回風(fēng)巷本煤層鉆孔抽采系統(tǒng)：68307回風(fēng)巷d325 mm抽采管路→聯(lián)絡(luò)巷d325 mm抽采管路→北一下組d508 mm抽采管路→北一2#回風(fēng)巷d813 mm抽采管路→第一瓦斯管道井→北石溝地面高濃抽采泵。

4 效果分析

在68307回風(fēng)巷施工高壓水射流割縫技術(shù)后，扁平縫槽相當(dāng)于在局部范圍內(nèi)開采了一層極薄的保護(hù)層，達(dá)到層內(nèi)壓力的自我解放，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動創(chuàng)造了良好條件，其結(jié)果是縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓[4]， 增大了煤層的透氣性能，使縫槽周圍的煤體向縫槽產(chǎn)生一定的位移，因而擴大了縫槽卸壓增透、排放瓦斯的范圍[5].

在68307回風(fēng)巷施工高壓水射流割縫的煤層增透技術(shù)，與未實施割縫的68307機軌巷鉆孔濃度對比見圖6.

在68307回風(fēng)巷施工高壓水射流割縫的煤層增透技術(shù)，總管瓦斯純量變化見圖7.

目前，68307回風(fēng)巷抽采負(fù)壓13 600 Pa，節(jié)流260 Pa，瓦斯抽采濃度平均42%，抽采純量平均6.41 m3/min. 與未實施高壓水射流技術(shù)的68307機軌巷相比，抽采濃度平均提高20%，抽采純量提高2.13 m3/min. 全年發(fā)電量提高了4 539 419 kWh，按電價0.5元/kWh，共收益2 269 709.5元。

圖6 總管瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

圖7 瓦斯純量變化情況圖

5 結(jié) 語

在杜兒坪礦68307回風(fēng)巷采用高壓水射流割縫技術(shù)后，擴大了煤體卸壓增透、排放瓦斯的范圍，增大了煤層的透氣性，降低預(yù)抽時間，實現(xiàn)防突和快速高效抽采目的。同時瓦斯抽采純量得到了提高，保證了電廠發(fā)電需要的瓦斯?jié)舛?，提高了電廠發(fā)電量。為8#煤的開采積累了寶貴經(jīng)驗，同時也提高了礦井的經(jīng)濟效益。