水力造穴增透技術(shù)在紅陽二礦的應(yīng)用研究

田雙龍 王慶國 張連軍

(1.沈陽焦煤集團紅陽二礦，遼寧 110000；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 221008；3.徐州博安科技發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 221008)

水力造穴增透技術(shù)在紅陽二礦的應(yīng)用研究

田雙龍1王慶國1張連軍2，3

(1.沈陽焦煤集團紅陽二礦，遼寧 110000；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 221008；3.徐州博安科技發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 221008)

研究了水力射流造穴卸壓增透的機理，并在紅陽二礦1205運順底抽巷進(jìn)行應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用可知：水力造穴可以在煤層中形成可控的松散空間，給煤體流變提供空間，給瓦斯運移提供通道。根據(jù)對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水力造穴相對于普通密集鉆孔，日平均瓦斯抽采量可提高7.72倍，可以大幅度的縮短工作面預(yù)抽周期。水力造穴技術(shù)是一種適合突出煤層的卸壓增透技術(shù)，具有較好的應(yīng)用和推廣前景。

高瓦斯 強突煤層 水力造穴 增透 瓦斯抽采

沈陽焦煤集團紅陽二礦是高瓦斯強突礦井，主采煤層12號煤屬于突出煤層。1205工作面位于12號煤，其機巷在2013年5月開始在底抽巷施工密集鉆孔技術(shù)進(jìn)行卸壓抽采，經(jīng)過7個月的抽采發(fā)現(xiàn)，鉆孔有效影響半徑非常有限，抽采總管路濃度長期維持在2%～3%，平均日抽采瓦斯量僅為187m3，區(qū)域預(yù)抽效果不理想。因此開展了底抽巷水力射流造穴卸壓增透強化抽采技術(shù)課題研究。

圖1 水力射流造穴鉆孔沿巷道布置圖

1 水力造穴卸壓增透機理

水力造穴增透的基本原理是：在鉆孔內(nèi)運用高壓水射流對鉆孔周圍的煤體進(jìn)行切割，在鉆孔周圍形成一系列具有一定寬度和長度的穴洞空間(隨煤體流變會演變成非承壓松散堆積體，從而產(chǎn)生大量人造裂隙)，利用水流將切割下來的煤體帶出孔外。在鉆孔內(nèi)部形成可控的空間，使煤體卸壓。卸壓的煤體彈性能得到釋放，煤層中的瓦斯得到充分解吸和釋放，從而釋放出瓦斯內(nèi)能，降低煤體中瓦斯含量。同時提高造穴鉆孔及鄰近抽采鉆孔的瓦斯流量。其特點有如下幾點：

(1)可控性的排出大量煤體，為煤體膨脹變形提供充分的空間，轉(zhuǎn)移造穴后煤體周圍的地應(yīng)力。

(2)造穴期間有大量的瓦斯排出，而且造穴后，由于煤體發(fā)生膨脹變形，孔隙率增加，透氣性增大，導(dǎo)致較遠(yuǎn)處的瓦斯也源源不斷地涌向鉆孔。

(3)濕潤煤體，使煤體脆性減弱，塑性增加，降低煤體彈性勢能。

(4)潤濕的煤體在掘進(jìn)或回采期間可以大大改善巷道粉塵問題。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 運輸巷基本概況

紅陽二礦西二采區(qū)1205工作面位于西二采區(qū)與西三采區(qū)交界處，屬于12號煤，煤層賦存相對穩(wěn)定，煤層頂?shù)装逡陨皫r和砂質(zhì)泥巖為主，較穩(wěn)定。12號煤層傾角平均4°～7°；煤層瓦斯含量5.1～13.0m3/t；瓦斯壓力0.2～5.2MPa；堅固性系數(shù)0.17～0.3；煤層透氣性0.0002～0.0006m2/MPa2·d。2013年5月開始施工密集鉆孔，鉆孔間距5m，每組9個鉆孔，組間距5m。2013年9月施工完成1200個鉆孔，并聯(lián)網(wǎng)抽采。

2.2 方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，2013年12月11日調(diào)整后的水力射流造穴鉆孔施工方案為：水力射流造穴鉆孔組間距為10m，每組鉆孔數(shù)量為7個，12月14日開始在7～8組之間施工水力射流造穴鉆孔。鉆孔布置圖如1所示。

2.3 水力射流造穴操作流程

(1)措施孔施工完后統(tǒng)一進(jìn)行煤體段高壓水力造穴，并認(rèn)真做好注水記錄。

(2)高壓乳化液泵要求：額定壓力31.5MPa，額定流量≥200L/min。

(3)水力造穴時壓力逐步升高：由2MPa～5MPa～10MPa～15MPa～20MPa～25MPa。如在施工時水壓壓力達(dá)到30MPa立即停止，待水壓壓力降至25MPa方可繼續(xù)。

(4)每造穴1m長度要求出煤0.5t，當(dāng)水從附近鉆孔、裂隙涌出或煤壁滲水時，應(yīng)利用鉆機調(diào)節(jié)鉆頭在鉆孔中的位置，重新達(dá)到造穴要求。

(5)每次水力造穴結(jié)束后，水力造穴泵控制開關(guān)必須打到停止位置，并加鎖，防止誤操作導(dǎo)致高壓水傷人。

(6)造穴鉆孔要求從上往下施工，即先施工大角度孔，再施工小角度孔。及時將孔內(nèi)煤粉排干凈。

(7)造穴時，由抽放區(qū)指派三人負(fù)責(zé)操作，一人負(fù)責(zé)操作高壓泵，一人負(fù)責(zé)操作泄壓閥，一人負(fù)責(zé)操作鉆機，其他人員全部站到安全位置。

(8)造穴過程中，操作人員嚴(yán)禁站到正對鉆孔方向；要設(shè)專人觀察工作場所范圍內(nèi)瓦斯動力現(xiàn)象預(yù)兆，發(fā)現(xiàn)瓦斯異常或冒頂及片幫征兆時，要立即組織人員撤退。

(9)在水力造穴和打鉆過程中發(fā)現(xiàn)如下有突出預(yù)兆，煤巖層發(fā)出劈裂聲、悶雷聲、機槍聲、響煤炮；煤壁發(fā)生震動和沖擊，頂板來壓，支護(hù)體發(fā)出折裂聲，包括支護(hù)體來壓、巖壁開裂、掉碴、片幫、底板鼓起；瓦斯忽大忽小，噴瓦斯等現(xiàn)象，應(yīng)立即停止作業(yè)，撤到安全地點待命，并立即向調(diào)度室報告。

3 工業(yè)效果

截止2014年3月20日，共施工水力射流造穴鉆孔36組，鉆孔260個，控制巷道長度410m，排出煤體560t，造穴鉆孔煤層段長度1200m，平均單孔出煤2.15t，每米出煤0.47t以上。

作者統(tǒng)計了1205運輸巷底抽巷從2013年7月15日到2014年6月17日共338日的抽采數(shù)據(jù)，并根據(jù)施工水力射流造穴的時間，對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了劃分。其中，從2013年7月15日～2013年12月11日期間聯(lián)網(wǎng)抽采鉆孔為1200個密集鉆孔；2013年12月12日～2014年6月17日期間聯(lián)網(wǎng)抽采鉆孔為1200個密集鉆孔+260個水力射流鉆孔。所有338天聯(lián)網(wǎng)管路抽采數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 濃度、抽采純量隨時間變化關(guān)系圖

從圖2可知：在密集鉆孔技術(shù)抽采期間，總管路的濃度和流量都非常低，從2013年12月11日井下開始施工水力射流造穴鉆孔開始，總管路抽采瓦斯純量、濃度開始上升，隨著水力射流造穴鉆孔的增加，其卸壓范圍也在增大，不僅造穴鉆孔解析出大量瓦斯，同時也會對周圍原有密集鉆孔產(chǎn)生影響。因此總管路的濃度、抽采瓦斯純量都在不斷上升。說明水力造穴鉆孔可以很好的增大煤體的透氣性，促進(jìn)煤層中瓦斯的解析。

為了更加定量的分析水力造穴鉆孔對煤層卸壓增透的效果，作者把水力射流造穴施工前后的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行了分別統(tǒng)計計算，并繪制成對比圖3所示。

由圖3、 4可知： (1) 從2013年7月15日～2014年6月17日期間，底抽巷抽采管路共抽出瓦斯總量為284788m3。(2)2013年7月15日～2013年12月11日期間141天共抽出瓦斯26400m3，日平均抽采瓦斯量為：187m3/d， 平均總管路濃度為：

圖3 水力射流造穴鉆孔與密集鉆孔日平均瓦斯抽采量對比圖

圖4 水力射流造穴鉆孔與密集鉆孔抽采瓦斯量對比圖

2.57%； 2013年12月12日～2014年6月17日期間179天共抽出瓦斯258350m3，日平均抽采瓦斯量為1443m3/d，平均總管路濃度為8.55%。(3)從2013年12月11日井下開始施工水力射流造穴鉆孔開始，總管路抽采瓦斯純量凈增加232130m3，日平均抽采瓦斯量提高7.72倍，濃度提升3.33倍。

[1] 林柏泉,崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1998.

[2] 張連軍，林柏泉，張海慶，等.穿層鉆孔水力化卸壓增透技術(shù) [J]. 煤礦安全, 2013， 44 (1)： 54-56.

[3] 張連軍.高壓磨料射流鉆割一體化防突技術(shù)研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)碩士論文，2008.

[4] 張連軍，林柏泉，高亞明.基于高壓水力割縫工藝的煤巷快速消突技術(shù)[J].煤礦安全,2013，44(3)：64-66.

[5] 張連軍，林柏泉，高亞明.高壓水力割縫技術(shù)在快速掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)及管理,2013，38(4)：26-28.

[6] 陸海龍，張連軍. 鉆割一體化防突設(shè)備研究與應(yīng)用[J].中國科技論文在線,http://www.paper.edu.cn.

[7] 張連軍，謝友友，董濤，等. 高壓磨料射流鉆割一體化防突設(shè)備的研究[J].能源技術(shù)與管理,2008(5)：1-3.

[8] 陸海龍，王力，吳海進(jìn)，張連軍. 高壓磨料射流煤巖鉆割設(shè)備研制及切割性能研究.中國科技論文在線,http://www.paper.edu.cn.

[9] 吳海進(jìn).高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透理論與技術(shù)研究[D].2009.

[10] 華安增.地應(yīng)力與煤和瓦斯突出的關(guān)系.四川煤礦第二屆煤和瓦斯突出學(xué)術(shù)討論會資料匯編[C].1978.

(責(zé)任編輯 王一然)

Application of Permeability Enhancement Induced by Hydraulic Jet Cavity in Hongyang No.2 Colliery

TIAN Shuanɡlonɡ1,WANG Qinɡɡuo1,Zhanɡ Lianjun2，3

(1.Hongyang No.2 Coal Mine, Shenyang Coking Coal Co.，Ltd., Liaoning 110000; 2.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu 221008; 3.Xuzhou Boan Technology Development Co.，Ltd., Jiangsu 221008)

The mechanism of pressure relief and permeability enhancement induced by hydraulic jet cavity was investigated,and the field application was conducted in the drainage roadway under 1205 haulage gateway of Hongyang No.2 colliery. The results show that hydraulic jet can create the controllable loss cavity across the seams,forming the space for the flow and deformation of coal,and providing the channel of gas migration. Compared with the ordinary dense boreholes,the hydraulic jet cavity can increase the average gas extraction amount per day by 7.72 times,greatly reducing the gas pre-drainage time. The hydraulic jet cavity is one high effective technology for pressure relief and permeability enhancement suitable for outburst coal seam with wide application and extension perspective.

Gas; strong burst-proneness coal seam; hydraulic jet cavity; permeability enhancement; gas extraction

田雙龍，畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)擔(dān)任沈陽焦煤集團紅陽二礦礦長職務(wù)。