高壓磨料水力割縫技術在高突煤層的應用

2014-04-16 11:52:34任青山王春霞

科技視界 2014年13期

徐文任青山王春霞彭斌

（六盤水師范學院礦業工程系，貴州六盤水 553004）

隨著開采深度的增加，煤炭的安全生產受到瓦斯災害越來越嚴重的威脅。煤與瓦斯突出嚴重制約著煤炭的安全生產，有效治理瓦斯成為礦井安全生產的首要任務。如何實現煤與瓦斯突出危險區域的快速安全掘進是治理瓦斯的重中之重，這些區域往往瓦斯含量大，壓力高，透氣性較差，煤體疏松，嚴重制約著煤體的安全產出。

對于嚴重突出煤層在不具備保護層開采條件，預抽又效果不好的情況下，強化抽放煤層瓦斯是煤炭工作者面臨的難題。底抽巷穿層鉆孔高壓磨料水力割縫技術是目前效果較為可靠的強化抽放瓦斯技術，該技術能有效的釋放高突區域瓦斯，掩護掘進工作面的安全施工，提高掘進速度，增加經濟效益[1]。

1 原理

底抽巷穿層鉆孔水力割縫技術首先在工作面進回風巷及開切眼的下方巖層中施工巖石巷道，在巖巷中打穿層鉆孔，退鉆時利用鉆頭將混有石英砂的高壓水向煤層中噴射造縫，并沖出大量的煤，強化泄壓并釋放瓦斯達到消突的目的。

底抽巷較高位巷有較明顯的優勢，那就是煤層中的水可以有效的排出，高抽巷往往因為煤層中的水不能有效的排出而阻礙了瓦斯的解析，故而在有水的煤層高抽巷效果不佳。底抽巷在利用水力割縫時能較為方便的排出水和煤泥，為瓦斯解析提供空間。

高壓磨料水力割縫主要是利用攜帶石英砂的高壓水流沖擊煤體達到割縫的目的，水流在高達30Mpa的壓力下高速沖擊煤體，流體沖擊造成的彈性拉力波在煤體中沖撞、反射和干擾，破壞了材料的分子結構，造成了煤體的局部流變和裂縫的產生（如圖1），高硬度的石英沙提高了水流的造縫能力，加速了局部煤體的破壞過程[2]。

圖1 高壓水切割煤體示意圖

高壓磨料水能在煤體中形成很深的泄壓、排瓦斯通道，回流的高壓水能攜帶出大量的切割下來的煤體，裂縫空間導通了煤體中原有的裂隙，煤體膨脹的同時達到了泄壓的目的。裂隙的導通便于瓦斯的解析、流動與抽放；地應力和瓦斯壓力的釋放，消除了突出的危險。與水力沖孔相比，高壓磨料水力割縫能連通更多的裂隙，沖出更多的煤渣，形成更大的空間，使得瓦斯壓力和地應力釋放得更加均勻、充分。與深孔松動爆破相比，高壓磨料水力割縫產出的裂隙也更加均勻，且不會導致頂底板的斷裂，地應力釋放更加均勻[3]（圖2）。

圖2 水力割縫消除突出危險示意圖

底抽巷穿層鉆孔水力割縫技術能在高突危險區域作業，利用底抽巷在巖層中即可作業，有效的排放突出危險區域的瓦斯，掩護進、回風巷的掘進（圖3）。

圖3 高壓水射流煤層鉆孔切縫示意圖[4]

2 設備施工工藝簡介

高壓磨料水力割縫系統主要由高壓泵、水箱、高壓磨料發生裝置、鉆割一體化鉆機等組成，如圖4所示。在完成鉆進后，系統進行邊退邊割，可以進行邊退鉆邊旋轉的連續割縫，也可以間段式旋轉割縫[4-5]。

圖4 間斷式旋轉割縫示意圖

3 應用效果

3.1 工作面概況

某礦11031工作面為高突區域，該礦三次突出均發生在該區域及附近區域，突出強度大，煤層瓦斯含量為14.3m3/t，瓦斯壓力為1.57MPa，煤體結構較為松軟，破壞類型普遍為Ⅲ-Ⅴ類，屬于嚴重突出危險區域。工作面長度為2300米，煤厚約5米，以貧瘦煤為主，構造發育，小斷層密集。

3.2 施工狀況

為了消除掘進工作面的突出危險，礦方首先采用了高抽巷水力壓裂技術來對工作面的瓦斯進行治理，由于煤層含水較多，高抽巷的抽放鉆孔積水嚴重，瓦斯很難從煤層解析出來，后該工作面采取低抽巷的水力割縫技術進行瓦斯治理。底抽巷在該礦13031工作面設計機巷和風巷的下方約10米處，在該工作面底抽巷下方施工的抽放鉆孔每8米施工一排5個鉆孔，扇形展布（圖5），穿過煤層進入頂板0.5米后停鉆，后退間斷式旋轉割縫。

圖5 低抽巷水力割縫消突示意圖

3.3 封孔工藝

該實驗采用保壓注漿封孔工藝，使用聚氨酯和膨脹水泥聯合封孔，膨脹水泥采用高強度微膨脹型材料PD材料，將抽放管花眼位置伸到煤層頂部，防止花眼被堵，前后兩段使用中國礦業大學研制的聚氨酯封孔袋，中間填充膨脹水泥封孔，膨脹水泥在巖石中封8米。該封孔工藝是在兩端用聚氨酯封堵后往封閉的空間再注入膨脹型水泥，注入壓力可以達到1.5MPa，通過高壓泵的壓力和材料自身的膨脹性能能有效的保證膨脹水泥向周圍的裂隙內運移填充（圖6），是目前國內較為先進的封孔工藝，該封孔工藝在我國的各大礦區得到了一致的肯定。