煤礦井下高壓水力割縫技術(shù)的應(yīng)用分析

趙愛虎

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030022）

引言

杜兒坪煤礦工作面8 號煤煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總厚4.5～6.0 m。局部區(qū)域含一層0.0～2.9 m的劣質(zhì)煤，煤層中含一到兩層夾石，夾石總厚度變化較大為0.1～1.6m，傾向大致為南東向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟衔飨颍簬r層傾角1°～11°，平均5°。煤層老頂為平均厚度為8.31 m的石灰?guī)r，直接頂為平均厚度為4.19 m的石灰?guī)r。由于井下瓦斯?jié)舛确植几撸虼送ǔＦ婀窒戮捎闷胀ㄣ@孔抽采瓦斯方案，但單孔抽采效率低[1]，普通鉆孔平均瓦斯抽采濃度為33.0%，平均瓦斯抽采量為0.011 6 m3/min，需要在井下進(jìn)行大量的鉆孔才能保證瓦斯抽采效果，不僅影響了井下綜采效率而且也增加了綜采作業(yè)安全性。本文提出了一種新的高壓水力割縫增透鉆孔方案，對其割縫卸壓原理，系統(tǒng)組成、工藝實(shí)施方案等進(jìn)行了分析。

1 高壓水力割縫卸壓原理

高壓水力割縫是通過增壓，提升噴出水的動(dòng)力然后將巖壁進(jìn)行快速切割并形成切割縫的方法[2]（圖1-3）。在切割過程中首先在巖層中開出一個(gè)泄壓孔（圖1-1），利用水將截割下來的巖渣排出，從而達(dá)到防沖卸壓和提高瓦斯抽采的目的。

使用水力割縫技術(shù)后，縫槽等于在小范圍內(nèi)形成了一層薄的保護(hù)層，其結(jié)果是縫槽上下的煤體得到有效的泄壓，提升了煤層的通氣能力，同時(shí)使切割縫四周的煤層向著切割槽內(nèi)產(chǎn)生一定的位移（圖1-2），進(jìn)一步提升了縫槽排放瓦斯的范圍，降低了預(yù)抽時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了防突和快速高效抽采目的[3]。

圖1 水力割縫效果圖

2 水力割縫設(shè)備構(gòu)成

高壓水力割縫系統(tǒng)設(shè)備主要由鉆割一體化鉆頭、輸水桿水箱等組成，結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活性高。在切割時(shí)候，鉆機(jī)作為推進(jìn)器，不對現(xiàn)有的鉆機(jī)進(jìn)行任何改動(dòng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4]。

圖2 高壓水力割縫系統(tǒng)組成圖

圖2 中，鉆頭是一種能同時(shí)進(jìn)行鉆進(jìn)和截割的裝置，在進(jìn)行工作時(shí)，高壓鉆桿接旋轉(zhuǎn)水變，鉆頭正面的水孔出水，然后鉆頭一直鉆進(jìn)到指定位置，鉆進(jìn)完成后控制鉆頭退出到截割縫處，然后高壓輸水鉆桿能夠快速地形成高壓水流，從噴射孔內(nèi)噴出高壓水流，射到巖壁上進(jìn)行鉆孔割煤。

3 水力割縫工藝方案

水力割縫鉆孔從68307 工作回風(fēng)巷切眼外側(cè)約15 m 處開始，然后到綜采面停采線范圍內(nèi)開始布置，根據(jù)68307 工作面的實(shí)際巷道布置情況，同時(shí)考慮該面煤層走向以及皮帶巷與單軌吊巷的高差狀態(tài)（利于鉆孔施工中排水、排渣），本工作面選取150 個(gè)鉆孔為高壓水力割縫鉆孔，每個(gè)鉆孔的深度設(shè)置為100 m，鉆孔鉆進(jìn)時(shí)的傾斜角為4°，鉆孔的直徑為113 mm，開孔高度底板以上1.5 m，孔與孔之間的距離為8 m，封孔的深度不小于12 m。奇數(shù)孔在鉆進(jìn)時(shí)從距離孔底約25 m 處開始，然后采用后退式割縫工藝，每隔8m 進(jìn)行一次割縫，在離孔口19 m的位置停止截割。偶數(shù)孔在截割時(shí)則從距離孔底約21 m的位置進(jìn)行截割，同樣采用后退式割縫工藝，每隔8 m進(jìn)行一次割縫，在離孔口23 m的位置停止截割。

在進(jìn)行截割作業(yè)的過程中，根據(jù)井下巖層的實(shí)際情況，調(diào)整水壓為80 MPa 以上，將高壓水流的直徑設(shè)置為0.5～2 m，將每個(gè)位置的截割實(shí)際時(shí)間設(shè)置為5 min，其實(shí)際截割參數(shù)如表1 所示。

4 應(yīng)用效果分析

2021 年2 月，西山金信建筑有限公司共在68307 巷施工140 個(gè)鉆孔并全部進(jìn)行水力割縫，現(xiàn)將水力割縫鉆孔與普通鉆孔抽采效果進(jìn)行對比分析。

水力割縫鉆孔平均瓦斯抽采濃度為68.93%，平均瓦斯抽采量為0.025 m3/min，抽采量最高的水力割縫增透鉆孔6 號、8 號、23 號平均瓦斯抽采量為0.083 m3/min。普通鉆孔平均瓦斯抽采濃度為33.0%，平均瓦斯抽采量為0.011 6 m3/min，水力割縫增透鉆孔平均瓦斯抽采量較普通鉆孔提高2.11 倍以上，顯著地提升了煤礦井下瓦斯抽采效率和可靠性。

5 結(jié)論

1）高壓水力割縫是通過增壓，提升噴出水的動(dòng)力然后將巖壁進(jìn)行快速切割并形成切割縫的方法能夠?qū)崿F(xiàn)防突和快速高效抽采目的。

2）高壓水力割縫系統(tǒng)設(shè)備主要由鉆割一體化鉆頭、輸水桿水箱等組成，結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活性高。

3）水力割縫增透鉆孔平均瓦斯抽采量較普通鉆孔提高2.11 倍以上，顯著地提升了煤礦井下瓦斯抽采效率和可靠性。