水力割縫技術在西銘礦8#煤層瓦斯抽放中的應用

王學棟

(西山煤電集團有限責任公司 西銘礦, 山西 太原 030052)

水力割縫是利用高壓水作為沖擊動力,從鉆孔孔壁至煤(巖)體進行掃圈式切割、排渣,在煤(巖)體中形成扁平縫槽的技術。該縫隙(槽)等同于在煤巖體局部范圍內開采一層極薄的保護層,為煤層內部卸壓、瓦斯釋放、流動創造了良好的導通條件,縫槽附近煤體增強透氣性,使縫槽附近煤體向縫槽產生位移,擴大縫槽卸壓增透、排放瓦斯范圍,從而增加了煤層的透氣通道和暴露面積,加大了煤層的透氣性,提高了煤層內瓦斯抽出速度,實現快速有效降低瓦斯濃度。同時隨著高壓水將破碎煤(巖)渣排出,又達到降溫、除塵、防沖、卸壓和提高孔隙率的目的[1].

隨著西銘礦礦井開采深度的加深,煤層原始瓦斯含量和壓力加大且分布不均等因素逐漸顯現,造成了煤層透氣性差,瓦斯抽采效果不明顯,抽采達標周期長,無法及時消除瓦斯的危害,嚴重影響礦井采掘正常接替。因此采用水力割縫技術來增大煤層的透氣性,提高瓦斯抽采率。

1 工作面概況

西銘礦48712工作面煤層原始瓦斯含量8.43 m3/t,瓦斯壓力0.44 MPa,瓦斯儲量833萬m3. 該面8#煤層節理發育,煤層總厚4.9～7.05 m,均厚6.05 m,上部夾石厚1.30～3.20 m,均厚2.27 m,為頁巖或砂質頁巖;8#煤上分層厚0.6～0.75 m,均厚0.68 m;下分層厚3.00～3.26 m,均厚3.20 m,局部地段煤層夾薄層頁巖或炭質頁巖,厚度變化不大,屬單一穩定中厚煤層。

該面總體為單斜構造,煤層走向北西,傾向南西,煤巖層傾角為4°～6°,局部揭露地質構造附近煤巖層傾角變化較大。據上覆2#煤及相鄰8#煤資料,工作面內隱伏有陷落柱X8716,回風順槽開口附近發育有X8706陷落柱,陷落柱周邊有伴生斷層。

2 水力割縫鉆孔布置

根據工作面地質構造分布情況及開采期間工作面瓦斯涌出規律,鉆孔間距按6 m布置,具體位置:

1) 距切眼100 m范圍內,作為初采初放期間的特殊階段,布置加密鉆孔16個。

2) 距停采線100 m范圍內,作為收尾期間的特殊階段(根據相鄰48710、48708采煤面收尾期間瓦斯涌出異常規律),布置加密鉆孔16個。

3) 距斷層構造位置前后各30 m范圍內,作為過斷層構造期間的特殊階段,前、后加密布置鉆孔各5個。

4) 距陷落柱前后各30 m,作為過陷落柱構造期間的特殊階段,前、后加密布置鉆孔各5個,在平行于工作面陷落柱的軸長方向平均布置6個鉆孔。

5) 首孔從切眼向外6 m處布置。鉆孔與巷道中線夾角90°,鉆孔傾角4°～6°,鉆孔開孔和終孔孔徑為113 mm. 孔深按切眼長度減15 m設計,為190 m,共計鉆孔145個。

6) 為增強裂隙發育程度,相鄰鉆孔采用錯位割縫設計:單號孔切割17次,首刀割縫距孔口25 m,最后一刀割縫距孔底5 m;雙號孔切割17次,首刀割縫距孔口30 m,最后一刀割縫距孔底0 m.

3 現場施工

3.1 工藝流程

高壓水力割縫系統組成見圖1.工藝流程為鉆機、高壓泵等設備轉運至鉆場→固定鉆機、高壓泵等設備→確定方位、傾角→直徑133 mm鉆頭開孔→退鉆→使用直徑133 mm鉆頭鉆進至第一道割縫位置→連接高壓管路→開啟高壓泵→鉆機旋轉鉆頭切割→關閉高壓泵→卸壓→加鉆桿→連接低壓管路→鉆進至下一個割縫位置→連接高壓管路→開啟高壓泵→鉆機旋轉鉆頭切割→關閉高壓泵→重復進鉆割縫至終孔→徹底沖渣→退鉆。

3.2 操作要領

1) 穩固鉆機,調整角度進鉆到第一道割縫位置后停鉆,卸下低壓水變;連接高壓旋轉器與鉆桿,接頭處安裝O型圈,并用扳手緊固,防止緊固密封不牢而壓力泄漏。

2) 啟動鉆機,鉆桿鉆頭在孔內勻速旋轉。

3) 開啟高壓泵(先開小電機后開大電機),高壓泵加壓手柄按順時針方向緩慢均勻加至80 MPa,切割時間不少于5 min.

4) 切割結束后逆時針旋轉加壓手柄至壓力歸零,先關閉大電機開關,后關閉小電機開關。

5) 卸下高壓旋轉器,連接低壓水變,啟動鉆機進鉆,直至切割噴嘴達到下一個切割位置后停鉆,卸下低壓水變;連接高壓旋轉器和鉆桿,并用扳手緊固。

6) 重復2)、3)、4)、5)項工作。

7) 鉆孔施工結束后,關閉高壓泵,卸下高壓旋轉器,按照正常起鉆步驟起鉆。

8) 鉆孔施工到位后,要繼續供水10 min,進行徹底沖孔清渣,并臨時性封堵。施工下一個鉆孔仍遵循該措施規定程序進行。

9) 鉆孔施工完畢,在初期抽放期間不安裝單孔測壓裝置,待鉆孔無噴孔現象后再安裝單孔流量計。

4 封孔注漿

4.1 封孔工藝

封孔設備與材料包括:風動注漿泵、攪拌桶、抽排管、回漿管1根、PE管直接頭、透明膠帶、JD-WFN-1型快速囊袋封孔裝置、JDFK-1型速凝膨脹封孔劑。

采用“兩堵一壓”封孔工藝,兩端堵后,中間帶壓注入D8封孔劑漿液。封孔示意圖見圖2.

圖2 鉆孔封孔示意圖

4.2 封孔操作步驟

1) 鉆孔完工后要清掃鉆孔殘留鉆屑,使用壓風吹掃或打鉆退桿時注水沖洗;保證封孔前孔內無雜物。

2) 在下第一套管距管口2 m處綁扎囊袋及注漿管,在距囊袋0.5 m處綁扎透氣管,注漿管、透氣管隨套管下至孔口,距孔口1.0 m套管處綁扎外端囊袋。

3) 用注漿泵注漿封孔,當注漿泵壓力達到0.7 MPa時,套管底端回止閥自動打開,漿液將底端囊袋充填封堵,當注漿泵壓力達到0.85 MPa時漿液將孔口囊袋充填封堵,當注漿泵壓力達到1.0 MPa時漿液將爆破閥自動打開,漿液充填套管周壁,待透氣管返漿時停止注漿,將注漿管、透氣管孔口段彎折扎死,不漏漿為準。

4) 注漿前認真檢查注漿泵情況,鉆孔注漿完成后及時用清水清洗注漿泵。

5 施工注意事項

5.1 試機、穩鉆機環節

1) 以風水管為基準,利用坡度規確定鉆孔方位角,鉆機調整施工參數時注意風水管路、風筒及周邊設施,防止損壞。

2) 鉆機穩固好后,鉆機各部件和電纜、埋線管嚴禁緊貼抽采管路(距管路不得小于300 mm),將電纜和油管吊掛整齊,現場環境衛生清理徹底。

5.2 鉆機(高壓泵)搬家環節

1) 把電纜從電纜鉤放下,人工拉移,鉆機(高壓泵)司機操作時要慢速往前開,電纜必須富余2～3 m,防止將電纜抽脫。

2) 安排專人在鉆機(高壓泵)前后看好周圍的瓦斯抽采管及風水管,嚴禁鉆機搬家過程中撞壞抽采管及風水管。

在加的夫語法中，“讓”字的參與者角色主要有以下三種，即事物、性質和事件。其中，事物既可以是物，也可以是人。在例句（6）中，參與者角色之一是“學生”，即人。在例句（7）和例句（8）中，參與者角色既包括人也包括物，即人、教師、學生、教材、試卷和孩子們的身體等。此外，在例句（8）中，形容詞“懶惰”作為描述性質的詞語與加的夫語法中的性質詞組相對應，即描述“事物”或“情形”的性質。

5.3 打鉆環節

1) 人工卸鉆桿時,使用管鉗者、擰鉆桿者,都要在鉆桿方向兩側工作,延接鉆桿時,要先停機,戴手套操作,袖口扎緊以防發生意外。同時要檢查鉆桿磨損程度,如磨損嚴重,有滑絲,嚴禁使用。

2) 鉆頭送入孔內開始鉆進時,壓力不宜太大,要輕壓慢鉆,以免崩刃或打壞變速齒輪;待鉆頭下到孔底,工作平穩后,壓力再逐漸增大。

5.4 高壓設備管理環節

1) 高壓泵接電必須由專業電工進行。接電后矯正電機的旋轉方向必須和標識要求旋轉方向一致。高壓泵工作時必須水平放置。

2) 高壓泵第一次運轉30 h后必須更換潤滑油,以后每200 h更換一次。

3) 禁止在沒有卸壓的情況下,將鉆割一體鉆頭取出鉆孔或者直接換孔切割。

6 水力割縫效果

在采用水力割縫工藝之前,鉆孔的單孔抽采瓦斯濃度僅為27.5%;單孔平均抽采純量僅能達到0.08 m3/min. 采用水力割縫工藝后,鉆孔的單孔抽采瓦斯濃度達到了65.3%,提高到常規預抽鉆孔的2.42倍;單孔平均抽采純量達到0.16 m3/min,提高到常規預抽鉆孔的2.33倍;煤層殘余瓦斯含量抽采達標時間縮短了57%.

7 結 語

水力割縫工藝技術在西銘礦48712工作面的成功應用,使得煤層透氣性和瓦斯抽放效果明顯提高,解決了該礦8#煤層透氣性差、抽采效率低、抽采時間長等難題,完全達到了預期的效果。