余根海

(淮北礦業(yè)集團神源煤化工，安徽 淮北 235126)

0 引言

淮北蘆嶺煤礦突出災(zāi)害嚴(yán)重，煤層瓦斯含量、壓力高，區(qū)域治理措施為大面積穿層鉆孔預(yù)抽，但由于煤層松軟、透氣性差，治理達(dá)標(biāo)需要時間和空間的保障，抽采達(dá)標(biāo)預(yù)抽期一般在1.5年以上，嚴(yán)重制約了礦井生產(chǎn)能力的正常發(fā)揮并且影響了礦井的安全生產(chǎn)；通過對本項目的研究，為蘆嶺煤礦穿層鉆孔預(yù)抽效果的提高，實現(xiàn)快速解突提供一種新的技術(shù)及裝備。

1 高壓磨料射流鉆割一體化防突設(shè)備簡介

如圖1高壓泵出來的高壓水分成三路[1-3]：第一路高壓水到達(dá)磨料發(fā)生器的頂部，迫使磨料往下運動；第二路高壓水經(jīng)過單向閥到達(dá)磨料發(fā)生器底部的混合腔，依靠水的流動將磨料罐中流下來的磨料攜帶走；第三路高壓水稱為旁通水路，高壓泵出來的高壓水經(jīng)過旁通水路直接送到磨料罐的下游，引射出混合腔里磨料漿，第二、三路的流體混合均勻后，經(jīng)鉆桿進入前端鉆頭處的噴嘴。從噴嘴射流處的高壓混合流體起到割縫的作用。

高壓磨料射流鉆割一體化割縫防突裝備主要是由高壓泵站、高壓磨料發(fā)生裝置、鉆機、特制鉆頭、噴嘴等組成[4,5]，如圖2所示。圖2是各主要設(shè)備實物圖[1]。

1) 高壓磨料供給裝置：高度1800 mm ，直徑245 mm,耐壓40 MPa，重量500 kg。

2) 高壓磨料用噴嘴：噴嘴直徑為1.5～2.0 mm。

3) 操作閥: 壓力調(diào)節(jié)范圍0～35 MPa，在管路壓力表旁，調(diào)節(jié)方便、靈敏，可以隨時卸載，溢流的水從回水管流到泵箱。

4) 溢流閥：在管路壓力觀察表旁，噴嘴或管路一旦發(fā)生堵塞，打開溢流閥立刻卸載，避免整個系統(tǒng)壓力過高，造成高壓膠管爆裂發(fā)生。

5) 鉆桿：外壁直徑73 mm、長度1 m無縫鋼管。

6) 高壓泵：設(shè)備額定工作壓力35 MPa，額定流量為80 L/min,配套電機功率55 kW，電壓660 V，重量約為923 kg，長×寬×高：1873×760×880(mm)。

7) 高壓水泵箱：重量約為500 kg，長×寬×高：2130×720×1040(mm)。

8) 鉆機：采用蘆嶺煤礦目前所使用的西安煤科院生產(chǎn)的MKD-5S礦用鉆機。

1—水箱;2—過濾器;3—高壓泵;4—溢流閥;5—單向閥;6—壓力表;7—截止閥;8—過濾篩網(wǎng);9—高壓磨料罐;10—混合腔;11—磨料濃度調(diào)節(jié)閥;12—鉆機;13—支架圖1 高壓磨料射流鉆割一體化割縫裝置系統(tǒng)示意圖[1]

圖2 各主要設(shè)備實物圖[1]

圖3 Ⅱ8210工作面及鉆場位置圖

2 鉆割設(shè)備工業(yè)性試驗

2.1 Ⅱ8210工作面概況

蘆嶺礦8煤層厚度為2.3～15.94 m，平均厚度9.56 m，屬于特厚煤層，9煤層位于8煤層下部，間距為2～3，煤層厚度為0～9.82 m，平均厚度3.01 m。8、9煤層結(jié)構(gòu)屬于極其松軟、破碎類型，煤層的堅固性系數(shù)平均在0.1～0.3之間，瓦斯放散初速度為13～30，大于突出臨界值。-400 m標(biāo)高處(一水平下限標(biāo)高)8、9煤層瓦斯壓力為2.59 MPa，煤層瓦斯含量為18.95 m3/t；-400 m～-590 m標(biāo)高范圍(二水平)8、9煤層瓦斯壓力為2.59～4.43 MPa，煤層瓦斯含量為18.95～22.67 m3/t；-590 m～-800 m標(biāo)高范圍(三水平)8、9煤層瓦斯壓力為4.43～6.47 MPa，煤層瓦斯含量為22.67～25.40 m3/t。試驗地點在II8210工作面，其位置如圖3。

根據(jù)二水平煤層瓦斯賦存情況，7煤賦存不穩(wěn)定且存在突出危險性，不具備開采上保護層條件；二水平8煤與10煤之間已施工大量開拓開采巷道，不具備開采10煤下保護層條件。多年來蘆嶺礦一直采用底板雙巖巷穿層鉆孔掩護機巷掘進及工作面預(yù)抽，開采頂分層工作面，依次開采下部的8煤底分層及9煤工作面，8煤頂分層工作面的開采相當(dāng)于上保護層，頂分層工作面回采后解放瓦斯量占總量的70%左右。底板雙巖巷內(nèi)每隔20 m施工一鉆場，每一鉆場沿走向施工3排鉆孔，走向間距6.7 m；傾向施工6排鉆孔，傾向鉆孔間距10 m。每個鉆場控制機巷條帶30 m，為機巷掘進防突創(chuàng)造有利條件[6]。

由于8、9煤層瓦斯含量高、透氣性差、煤層厚，經(jīng)過1～1.5年的預(yù)抽，抽采率只有30%左右，只能部分降低煤層瓦斯含量(降至14 m3/t)，減弱機巷掘進的突出危險性，采掘時仍然存在安全隱患。

2.2 鉆割一體化防突設(shè)備操作流程

1) 將水箱注滿，同時檢查各接口的連接情況；

2) 然后開啟乳化液泵，通過卸壓閥將壓力調(diào)至4～5 MPa，同時開啟鉆機，進行打鉆作業(yè)；

3) 當(dāng)鉆孔深度達(dá)到預(yù)定設(shè)計深度時，通過卸壓閥慢慢將壓力上升到25 MPa，鉆機開始退鉆作業(yè)，同時進行水力割縫，退鉆速度不超過1 m/min，鉆機禁止反轉(zhuǎn)[7]；

4) 待退出一根鉆桿后，通過卸壓閥將壓力卸載到零，關(guān)閉卸壓閥與鉆機之間的球形閥門，開始卸鉆桿。直到退至9煤底板，完成一個鉆孔、割縫作業(yè)[8]。

2.3 工作面突出危險性相關(guān)指標(biāo)參數(shù)測定

為了檢驗高壓磨料射流鉆割一體化設(shè)備的治理瓦斯突出效果，擬采用措施前后瓦斯相關(guān)參數(shù)定量對比的方法來檢驗措施的有效性。通過研究割縫前后單孔瓦斯流量的變化、割縫后割出煤量的大小，檢驗割縫后是否達(dá)到增透的效果。

3 割縫后瓦斯抽采速度測試結(jié)果及分析

3.1 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

割縫后將鉆孔并入抽放系統(tǒng)，逐日記錄流量計(煤氣表)的讀數(shù)，并測定瓦斯抽放濃度，觀測數(shù)據(jù)列為表1。

表1 6#鉆場割縫后瓦斯抽放量隨時間的變化統(tǒng)計表L/min

在6#鉆場施工過程中，1#流量表測量連接在未割縫鉆孔，2#流量表和3#流量表連接在割縫鉆孔。在8#鉆場施工過程中，1#流量表和2#流量表測量割縫后鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)。

實驗數(shù)據(jù)表明：由于磨料水射流割縫，大幅度提高了煤層瓦斯抽采速度，單孔純瓦斯抽放量最高達(dá)到8.53 L/min，比相鄰的非割縫鉆孔瓦斯抽放速度提高了2～3倍，隨著時間的推移，割縫鉆孔與非割縫鉆孔瓦斯抽放速度均在衰減，但鉆孔割縫后瓦斯抽放流量是非割縫的2.35倍左右。

3.2 割縫后瓦斯抽采流量效果分析

在鉆場施工完成后，將鉆孔并入抽采系統(tǒng)進行抽采，對6#鉆場割縫和未割縫鉆孔的瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)進行分析擬合，得出其流量隨時間的變化曲線：

割縫鉆孔流量隨時間變化曲線：

y=-0.0018x3+0.1471x2-3.8579x+51.927

未割縫鉆孔流量隨時間變化曲線：

y=-0.0009x3+0.0646x2-1.4813x+18.332

對測試鉆孔40天內(nèi)抽采瓦斯總量計算得出：

=1406.73 m3

=504.53m3

從累計抽放量來看，未割縫鉆孔40天內(nèi)抽放量為504.53 m3，而進行割縫的鉆孔40天內(nèi)抽放量達(dá)到1406.73 m3，是未割縫鉆孔的2.788倍。在抽放瓦斯流量穩(wěn)定時期，割縫鉆孔瓦斯流量是未割縫的2.35倍左右。

由于8、9煤層瓦斯含量高、透氣性差、煤層厚，經(jīng)過1～1.5年的預(yù)抽，抽采率只有30%左右，只能部分降低煤層瓦斯含量(降至14 m3/t)。使用鉆割一體化設(shè)備后煤層瓦斯抽放總量是未割縫的2.35倍，根據(jù)上述公式可知，抽采率能夠達(dá)到60%左右，經(jīng)過10～14個月的預(yù)抽，煤層瓦斯含量8 m3/t以下，基本能夠消除回采工作面防突存在安全隱患，滿足安全生產(chǎn)的要求。

與鉆孔抽放相比，煤層在實施射流割縫后，煤層中產(chǎn)生大量的拉伸和剪切裂隙。這些裂隙和割縫后形成的縫槽連接貫通后，在縫槽周圍形成較大范圍的高滲透裂隙區(qū)，有效增加單孔的影響范圍。

割縫抽采與鉆孔抽采相比較：從鉆孔的影響范圍來看，割縫的影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔的影響范圍；從抽采流量上來看割縫的抽采流量是鉆孔抽采流量的2.35～6倍。因此割縫抽采瓦斯的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔抽采效率。

4 結(jié)論

“鉆割”一體化技術(shù)通過在蘆嶺煤礦現(xiàn)場試驗及考察，優(yōu)化了現(xiàn)場實施工藝流程，檢驗了成套設(shè)備的可靠性。其在高瓦斯低透氣性煤層的實施，能大大提高單孔抽采量，提高鉆孔抽采影響范圍，大大縮短瓦斯治理時間，為礦井瓦斯治理提供了新的技術(shù)和思路。

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