高壓水射流卸壓增透石門揭煤技術研究

時亞軍 武沛武 王 佳 侯司賓

（1.河南平寶煤業有限公司，河南省平頂山市，461714；2.禹州錦程有限公司，河南省禹州市，461685）

高壓水射流卸壓增透石門揭煤技術研究

時亞軍1武沛武2王 佳1侯司賓1

（1.河南平寶煤業有限公司，河南省平頂山市，461714；2.禹州錦程有限公司，河南省禹州市，461685）

分析了高壓水破壞煤巖機理，介紹了高壓水射流割縫設備系統結構，該技術在首山一礦進行了應用，實現了石門安全高效揭煤，揭煤周期縮短了35.9%。

水射流 卸壓 石門揭煤

目前普遍采用的卸壓增透技術包括層間的區域卸壓增透技術和層內的區域卸壓增透技術。層間的區域卸壓增透技術主要開采保護層，該技術已趨于成熟并取得了良好的卸壓效果，但在開采單一煤層時無法使用。層內的區域卸壓增透技術主要有水力沖孔、水力壓裂、深孔松動爆破等，這些技術措施雖然起到了卸壓增透的效果，但存在一定的問題，水力沖孔和水力壓裂方法在含構造的煤層使用時，卸壓位置主要沿著斷層或主裂隙方向，松動爆破產生的爆轟波主要沿著煤體內部薄弱面傳遞，目標卸壓區域應力得不到充分釋放，從而不能達到預期的卸壓效果。因此，研發新型實用的定向卸壓增透技術，對煤體進行大面積充分卸壓，提高煤體透氣性具有重要的意義。

高壓脈沖水射流定向卸壓增透技術主要工作原理是在鉆桿與鉆頭之間添加振蕩噴嘴，振蕩噴嘴產生的脈動應力波能充分破壞煤體，對目標區域進行有效卸壓，同時通過調節鉆桿在鉆孔中的位置，連動控制卸壓區域，從而達到定向卸壓的目的。

圖1 振蕩噴嘴產生的脈動應力

1 高壓脈沖水射流對煤體應力場動態特性

高壓脈沖水射流產生應力波主要來自于振蕩噴嘴，見圖1。振蕩噴嘴產生的脈動應力對煤體產生的應力波見圖2。沖擊區在強大應力波作用下處于絕對受壓狀態，當射流沖擊煤體的壓縮波傳播到煤體的自由表面時，煤體所受應力從入射時的壓縮應力變成全反射時的拉伸應力，當拉伸應力超過部分低強度煤體的拉伸強度時，就促使煤體發生拉伸破裂，形成裂隙。

這種應力波對瓦斯滲流有兩方面影響：一是導致煤體原始應力分布狀態完全改變，應力變化引起煤體裂隙率發生變化，同時當瓦斯解吸時，煤炭顆粒的表面張力增加，煤體就會收縮，其體積變小，增大了裂隙、孔隙的尺寸；另一方面，裂隙率變化會引起瓦斯滲透系數的變化。而高壓脈沖水射流鉆孔與普通水射流可以通過數值模擬計算，分析高壓脈沖水射流鉆孔與普通水射流鉆孔對煤體應力場變化的影響。

圖2 應力波在煤體中的擴散圖

沖擊產生的應力波以地震波形式傳播，引起煤體變形的震動效應，使得裂隙內瓦斯原有的等溫、等壓平衡狀態被打破，造成裂隙內瓦斯的波動，波動會引起溫度升高，產生熱效應，這將加劇瓦斯的解吸；同時瓦斯的波動將引起裂隙局部的振動，波動引起的熱效應和振動隨應力波的強弱變化。

由于煤體是非均質的，高壓脈沖水射流沖擊產生的應力波首先損傷煤體內強度低的細胞元，形成微裂紋。在射流準靜態壓力作用下，微裂紋得以發展和連通。同時由于水射流在煤體裂隙中的滲流產生的擴張力，引起煤體顆粒的剝蝕，使煤體顆粒間的孔隙從自由面開始破裂，在水力滲流壓力的沖擊及流體的進一步擴張下，裂紋不斷地擴展，以致連通。隨著水射流沖擊下煤體顆粒的剝蝕，增大了煤體上顆粒的暴露面，大大地降低了煤體的強度。在新的水力沖擊波和滲流擴張應力的作用下，煤體顆粒團相繼被剝落，出現最大破碎速度，形成了水射流沖擊破碎坑。

2 設備系統結構

在施工區域預抽鉆孔時，需要的設備主要有鉆機、乳化泵、鉆桿、鉆頭等。高壓脈沖水射流定向卸壓增透系統充分考慮煤礦現場實際條件，自行設計生產包括自動切換式割縫器、高壓密封輸水器、氣渣分離器和腳踏開關、高壓密封（螺旋）鉆桿等專有設備，同時和煤礦現有鉆機、乳化泵、高壓管等相關設備構成完整的定向卸壓系統。

為簡化系統裝置，方便操作，所有設備的連接都是在煤礦原有預抽孔鉆進系統上增加新設備。同時為了使系統更安全適用于礦井環境，所有設備均為防爆設計，并沒有增加系統的負荷；同時簡化了系統操作程序。系統裝置連接見圖3。

圖3 高壓脈沖水射流定向卸壓增透系統裝置連接示意圖

3 穿層鉆孔預抽石門掲煤區域煤層瓦斯現場應用

3.1 試驗地點概況

首山一礦己15－12050機巷標高為－651～－684.1 m，采面對應地面標高為＋105.5～＋110.7 m，煤層埋深744.2～797.8 m。揭煤地點標高－672.3 m，埋深780 m。施工巖巷段：半圓拱斷面凈寬×凈高＝4500 mm×3400 mm，S凈為13.1 m2，毛寬×毛高＝4700 mm×3500 mm，S毛為14.1 m2；施工煤、半煤巖巷段：半圓拱凈斷面凈寬×凈高＝4800 mm×3522 mm，S凈為13.9 m2，毛寬×毛高＝5106 mm×3707 mm，S毛為15.3 m2。

3.2 布孔方案設計

依據現場測試結果，平寶公司己15－12050機巷己15煤?89 mm鉆孔高壓脈沖射流割縫半徑達1.35 m，有效影響半徑超過2 m。結合己15－12050機巷圍巖條件及瓦斯地質情況，最終確定措施孔終孔間距為3 m。

圖4 己15－12050機巷揭己15煤鉆孔布置圖

措施孔共布置104個鉆孔（8排、13列），措施孔控制巷道輪廓線外及前方各15 m，過己15煤層底板0.5 m，第一排措施孔最深6 8 m（根據現場實際打鉆情況確定），鉆孔間距0.35 m，距幫0.15 m，1～5排在工作面施工排間距0.4 m，6～8排在巷道底板施工排間距0.5 m，第五排在工作面和底板交接處施工，鉆孔布置情況見圖4、圖5和圖6。

圖5 孔底布置平面圖

圖6 鉆孔布置剖面圖

3.3 應用實施過程

根據己15－12050機巷揭己15煤措施，于2011年5月10日開始對瓦斯抽放孔進行鉆進施工。鉆進工作分為兩步進行，首先對不實施高壓脈沖水射流割縫鉆孔進行鉆進，直至己15煤層底板，然后對實施割縫的鉆孔進行鉆進，直至己15煤層底板。待鉆進工作完畢，退鉆割縫。由于高壓脈沖水射流鉆孔割縫有效影響半徑可達2.5 m，而設計鉆孔終孔間距3 m，為提高鉆割效率，對奇數排（1－3－5－7）、奇數列（1－3－5－7－9－11－13）鉆孔實施高壓脈沖射流割縫，施工順序從下往上，從右到左。各鉆孔割縫次數視鉆孔煤層區域長度決定，但保證鉆孔煤層區域內沿鉆孔方向每隔3 m割縫一次。

2011年7月5日，對己15－12050機巷揭煤點進行殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量指標檢驗。殘余瓦斯壓力測定在區域預抽鉆孔控制范圍內共布置2個測試鉆孔：1＃孔殘余瓦斯壓力為0.25 MPa；2＃孔殘余瓦斯壓力為0.18 MPa。殘余瓦斯含量測定是在穿層鉆孔預抽范圍內布置4個鉆孔，殘余瓦斯含量分別為2.1312 m3/t，2.8763 m3/t，2.3441 m3/t和3.0432 m3/t。經實際測定，工作面預抽區域殘余瓦斯壓力為0.25 MPa，殘余瓦斯含量最大為3.0432 m3/t，小于《防治煤與瓦斯管理規定》要求的0.74 MPa和8 m3/t的要求，區域措施有效。

2011年8月10日，己15－12050機巷完成揭煤。

3.4 技術效果分析

平寶公司己15－12050機巷按?89 mm鉆孔有效排放半徑1 m，共需布置187個鉆孔（11排、17列）；采用高壓脈沖水射流定向卸壓增透技術后共布置104個鉆孔（8排、13列），鉆孔數量減少44.4%。

鉆割、抽放結束，對己15－12050機巷揭煤點進行殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量指標檢驗。工作面預抽區域殘余瓦斯壓力為0.25 MPa，殘余瓦斯含量最大為3.0432 m3/t，遠小于該處原始瓦斯壓力1.35 MPa和原始瓦斯含量10.46 m3/t。且小于《防治煤與瓦斯突出規定》要求的0.74 MPa和8 m3/t，表明區域措施有效。

2011年5月10日～8月10日，己15－12050機巷揭己15煤時間為93 d；與平寶公司其它地點普通技術揭煤平均所花時間145 d相比，縮短35.9%。

［1］ 程東全，孫飛.松軟低透煤層底板巖巷水力沖孔治理瓦斯技術研究［J］.中國煤炭，2011（11）

［2］ 張其智，林柏泉等.沈春明高壓水射流割縫對煤體擾動影響規律研究及應用［J］.煤炭科學技術，2011（10）

［3］ 林柏泉，孟凡偉等.基于區域瓦斯治理的鉆割抽一體化技術及應用［J］.煤炭學報，2011（1）

［4］ 沈春明，林柏泉等.高壓水射流割縫及其對煤體透氣性的影響［J］.煤炭學報，2011（12）

［5］ 孟凡偉，張海賓等.穿層割縫技術及其在遞進掩護式巷道掘進中的應用［J］.煤礦安全，2011（1）

［6］ 徐幼平，林柏泉等.鉆割一體化水力割煤磨料動態特征及參數優化［J］.采礦與安全工程學報，2011（4）

［7］ 楊威，林柏泉等.“強弱強”結構石門揭煤消突機理研究［J］.中國礦業大學學報，2011（4）

Research on rock cross－cut coal uncovering via high－pressure water jet to release pressure and improve permeability

Shi Yajun1，Wu Peiwu2，Wang Jia1，Hou Sibin1
（1.Henan Pingbao Mining Co.，Ltd.，Pingdingshan，Henan 461714，China；2.Yuzhou Jincheng Co.，Ltd.，Yuzhou，Henan，461685，China）

The mechanism of coal rock broken by high-pressure water was analyzed，and the system architecture of high-pressure water jet slotting equipment was introduced.The application to Shoushan No.1 mine showed that this technique achieved the safe rock cross-out coal uncovering in high efficiency，and the period of coal uncovering was shortened by 35.9%.

water jet，pressure release，rock cross-out coal uncovering

TD713.34

A

時亞軍（1983－），男，河南開封人，工程師，主要從事礦業安全、生產方面的工作。

（責任編輯 張艷華）