水力射流切割技术在高地应力突出矿井中的实践与应用

《水力射流切割技术在高地应力突出矿井中的实践与应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、水力射流切割技术在高地应力突出矿井中的实践与应用金双林，周访玉、黄永梁(徐州矿务集团有限公司张集煤矿，江苏徐州221147)[摘要]结合张集矿煤层瓦斯赋存特点，在北翼延深采区-1260m水平首次采用“钻割一体化”防突快速揭煤技术，通过工艺适用性和安全可靠性的探索与创新，完成了石门快速安全揭煤。为大埋深、高地应力、低透气性条件下的快速消突揭煤和深部煤炭资源的高效安全集约化开采作出示范引领作用。[关键词]水力射流；石门揭煤；瓦斯突出0引言煤与瓦斯突出的问题不仅严重制约，煤炭生产产能、效能的发挥，而且，成为制约矿井安全生产的“瓶颈”。防治煤与瓦斯突出一直是国内外煤矿安全的难题。开采进入深

2、部后，由于煤层及瓦斯赋存的地质条件复杂，煤层透气性或渗透性越来越差，瓦斯压力大、含量高、不易抽放，高地应力在瓦斯动力灾害中的作用越来越突出，尤其是在石门揭煤过程中采用单一的打钻瓦斯抽放卸压理论与技术虽经过长时间抽放，但抽放有效影响半径小、抽放率低、成本高，远不能满足安全生产的需要。张集煤矿通过防突抽放钻孔施工技术与引进高压水力射流切割技术相结合，实现了高地应力条件下打钻、孔内煤体切割一体化的防突快速揭煤工作，水力射流切割技术对江苏境内煤与瓦斯突出矿井具有很好的借鉴与指导意义。1.概况张集煤矿北翼延深采区在-1260m水平，将来主采煤层为山西组9煤，该煤层深部瓦斯含量不是很高，但瓦斯

3、压力超过了0.74MPa，在北翼盘区开拓期间9层煤的瓦斯测定参数为：瓦斯压力最大值p=1.20MPa，原始含量为4.023～10.23m3/t，煤层坚固性系数（最小）f=0.29，瓦斯放散初速度Δp=12.35。同时，由于受火成岩体侵蚀影响，深部地应力高。本次现场施工地点为北翼延深-1250m轨道大巷石门。巷道设计长度110m，前期68m为平巷、后期调整为上山掘进，倾角10-15°，巷道规格为：净宽4.5m，中高3.85m，半圆拱型。揭露9煤的标高在-1253m，煤层倾角5-8°7，沿走向近水平，煤厚1.5-2.0（0.6-0.7）0.8-1.1m，其中，9-2煤体坚固性系数大于0

4、.5,9-1煤顶板下软分层厚度为0.2-0.4m。9煤顶板为细砂岩，平均厚度为13.1m，底板为粉砂岩，平均厚度为4.4m。2.射流切割钻孔煤体防突技术的实施2.1技术原理利用高压水射流反复切割破碎煤体，当在高压应力作用下发生流变或蠕变的煤体出现塌孔憋孔现象时，高压水楔入钻孔周围煤层原有的裂隙中进行扩散、渗透和压裂煤体，使煤体空隙、裂隙不断扩张、贯通、膨胀变形和相向位移，逐渐形成一个较大尺寸的煤孔空洞，增大抽放孔的直径，大幅度地疏松、挤压、释放煤体中的瓦斯，人为可控地诱发钻孔内的煤与瓦斯突出，消除激发突出的应力和瓦斯压力，在围绕钻孔切割形成一个塑性变形区和卸压圈，增大了煤体抑制突出

5、的阻力，起到了综合防突的作用。2.2装备选用型号DRB200/31.5型煤矿用乳化液泵，高压管路选用内径分别为Φ25mm和Φ32mm，钻机钻具选用ZDY-1900S型液压钻机，钻杆Φ63.5mm，钻头Φ108mm，用于切割钻孔的施工，切割喷头选择1.8㎜，及溢流阀装置。射流切割系统布置如图1。图1射流切割系统布置示意图72.3钻孔设计根据煤与瓦斯的赋存特点，在工作面上山掘进至迎头法线距离9-1煤底板5m停止掘进。设计5排，共26个钻孔，所有钻孔终孔位置须穿过煤层进入煤层顶板不小于0.5m。超前钻孔的控制到巷道断面轮廓线外12m，割缝孔间距的确定应取决于割缝的有效影响半径。根据钻割一

6、体化防突设备的实验室实验测得，其有效影响半径最大可达4m。因此为保证防突效果，在布置的割缝孔孔距设计为5米。具体见图2。图2钻孔布置图2.4工艺流程施工顺序：安装钻机→接钻杆→定钻→打钻→判别煤层位置→进钻到指定位置→调试溢流阀→冲整个煤段→返水变清。2.5技术关键2.5.1先打钻进行“点”的渐进式消突，先施工巷道中间一排钻孔，打钻卸压。2.5.2在点与点形成面的消突基础上，合理选择水射流的水压进行扩孔，防止水压过高诱导突出。2.5.3合理选择射流切割的顺序，人为可控地进行单孔扩孔，或诱导孔内瓦斯喷出。72.5.4防喷孔、防瓦斯等安全防护装置的创新。3.射流切割钻孔煤体防突技术应用

7、过程中的问题及改进3.1存在问题3.1.1高压射流水压过高液压系统压力过高易出现系统连接部位水流泄漏，高压水射流伤人。特别是钻杆分水器（水辫）部位及钻杆连接处易出现刺密封圈水流泄漏现象。高压泄漏点的存在，给安全操作带来一定的风险。在处理钻头被堵，拆卸钻头过程中有时会出现钻杆内的高压水射流突然喷射现象。2.5.2卡钻断钻杆现象孔口钻屑排渣不畅，大量煤体颗粒不断聚集挤压在孔壁周围而将钻杆和钻头箍紧、抱紧，终使钻杆所受摩擦力大于钻机的扭矩力而发生钻头无法进退即卡钻事故甚至断