煤層水力沖孔卸壓增透技術(shù)

1、集團有限公司研究開發(fā)項目立項書研發(fā)項目名稱:煤層水力沖孔卸壓增透技術(shù)1=1申請承擔(dān)單位: 對外合作單位: 領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)人:項目負(fù)責(zé)人：研究起止時間：集團有限公司制集團有限公司研究開發(fā)項目立項書研發(fā)項目名稱煤礦水力沖孔卸壓增透技術(shù)一、立項依據(jù)（一）、項目背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢煤礦生產(chǎn)規(guī)模為60萬t/a，礦井可采煤層4層，即4、5、9、13號煤層，其中僅9號煤層全區(qū)可采，屬穩(wěn)定、較穩(wěn)定煤層；根據(jù)貴州 省礦業(yè)有限公司9號煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定報告和貴州省能源局文件（黔能源發(fā)【2012】498號）關(guān)于畢節(jié)市工業(yè)與能源委員會關(guān) 于請求審批畢節(jié)市2012年度礦井瓦斯等級鑒定報告的批復(fù)結(jié)論為：礦井

2、絕對瓦斯涌出量為2.95m3/min，瓦斯放散初速度 P=31；堅固性系 數(shù)f=0.33；瓦斯壓力P=0.80MPa； 9號煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.97291煤層瓦斯屬于較難抽煤層；9號煤層具有煤與瓦斯突出危險性， 為突出煤層，礦井按有煤與瓦斯突出危險進行管理。隨著礦井的開采，礦井石門揭煤工作面及煤巷掘進工作面面臨煤層突出危險性威脅及瓦斯涌出量增加對生產(chǎn)的制約，為提高煤層瓦斯預(yù) 抽效果、縮短瓦斯預(yù)抽時間，達(dá)到提高抽采量、減少措施工程量、縮短措施時間和實現(xiàn)安全快速消除工作面突出危險目的，防治突出和治理 瓦斯超限問題，礦井將進行煤層水力沖孔增透技術(shù)的實驗。國內(nèi)外很多學(xué)者很早以前就開始了水力沖

3、孔技術(shù)理論和應(yīng)用的研究。水力沖孔是在有煤（巖）安全柱隔離的條件下利用高壓水射流破碎 煤體,在一定時間內(nèi)沖出大量煤體，形成較大直徑的孔洞，從而破壞煤體原應(yīng)力平衡狀態(tài)，孔洞周圍煤體向孔洞方向發(fā)生大幅度位移，促使應(yīng) 力狀態(tài)重新分布，集中應(yīng)力帶前移，有效應(yīng)力降低；其次煤層中新裂縫的產(chǎn)生和應(yīng)力水平的降低打破了瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡，使部分 吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂隙運移得以排放，大幅度地釋放了煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤層瓦斯透氣性 顯著提高；最后，高壓水潤濕了煤體，煤體的塑性增加，脆性減小，可降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度。水力沖孔過程沖出了大量瓦斯和一 定數(shù)量的煤炭，因此

4、在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域，在這個安全區(qū)域內(nèi)，破壞了突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件，進而達(dá)到消除煤與瓦斯突 出之目的。煤層水力沖孔增透技術(shù)適用范圍和優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）適用煤層特征：采深大、地應(yīng)力大、煤層松軟、透氣性低、瓦斯含量高、瓦斯壓力大。（2）瓦斯治理和消突困難：由于石門揭煤前未揭開煤層，煤層沒有卸壓，透氣性低，需要耗費大量時間和工程量抽放，消突效果不佳， 造成采掘接替緊張。（3）水力沖孔措施利用巖石巷道為安全屏障，采用水力作用沖出部分煤體和瓦斯，具有較好的卸壓增透效果，可提高抽放效率，實現(xiàn)安 全快速區(qū)域消突。（二）項目研究開發(fā)對本企業(yè)、行業(yè)的推動（帶動）作用穿層鉆孔預(yù)抽煤

5、層瓦斯是突出礦井無保護層開采時防治煤與瓦斯突出主要技術(shù)措施，也是解決高瓦斯、低透氣性煤層煤巷掘進過程中瓦 斯超限的一種常用方法。研究表明，鉆孔直徑是影響穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯效果的主要因素。所以，如何增大預(yù)抽鉆孔的直徑，擴大鉆孔的有效 影響范圍，提高鉆孔的預(yù)抽效果就顯得尤為重要。鉆孔直徑的增大一方面擴大了煤壁的暴露面積，使得瓦斯的排放通道增加；另一方面也增 大了煤體的卸壓范圍使煤層的透氣性增大，有效的提高鉆孔的抽采效果。但是使用礦用鉆機直接施工大直徑鉆孔存在容易塌孔、難以排除煤 渣以及成孔率低的弊端。另外鉆機的符合也驟然增大，給鉆孔施工帶來一定的難度。穿層鉆孔的穿煤段長度占整個鉆孔長度的比例較小，一

6、 般為幾十分之一，從技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面綜合考慮完全沒有必要整個鉆孔都采用大直徑鉆孔施工的方法。對掘進巷道所在煤層進行穿層鉆孔水力沖孔卸壓增透技術(shù)，不僅可以消除煤與瓦斯突出發(fā)生的誘發(fā)因素，而且消突范圍較大，-同時可實 現(xiàn)消突措施與掘進施工的時間和空間分離，兩者的平行作業(yè)使得快速掘進成為現(xiàn)實，有效的緩解了礦井接替緊張的局面。（三）現(xiàn)有研究開發(fā)基礎(chǔ)根據(jù)煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)（AQ1026-2006） 4.1條和公司相關(guān)規(guī)定：突出煤層工作面采掘作業(yè)前必須將控制范圍內(nèi)煤層的瓦斯含量 降到煤層始突深度的瓦斯含量以下或?qū)⑼咚箟毫档矫簩邮纪簧疃鹊拿簩油咚箟毫σ韵?，必須將瓦斯含量降?m3/t以下，或?qū)⑼咚箟毫?/p>

7、降 到0.7MPa以下。在此基礎(chǔ)上，具備采取水力沖孔消突技術(shù)措施條件的，盡量采取水力沖孔技術(shù)措施，進一步消除煤層突出危險性。礦井一采區(qū)9號煤層鉆孔流量衰減系數(shù)0.9914d-，平均鉆孔流量衰減系數(shù)為0.9729d-1，煤的破壞類型為IV類，堅固性系數(shù)為0.33，瓦 斯壓力為0.80 MPa，瓦斯含量為12.79m3/t。礦井一采區(qū)9號煤層瓦斯含量、瓦斯壓力較高，煤層透氣性低，屬于較難抽采煤層。礦井揭煤 期間需要耗費大量時間和工程量抽采，為了提高煤層瓦斯預(yù)抽效果、縮短瓦斯預(yù)抽時間，防止突出和治理瓦斯超限問題，實施煤層水力沖孔 增透技術(shù)可行。二、研究開發(fā)內(nèi)容和目標(biāo)（一）項目主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)本

8、項目主要采用理論分析、實驗室試驗和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法對水力沖孔基礎(chǔ)理論及 技術(shù)進行研究，研究的主要內(nèi)容如下：1、煤層原始瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的測定測定試驗地點預(yù)抽煤層的瓦斯壓力（含量）、突出指標(biāo)值、一定時間抽采半徑、透氣性 系數(shù)等煤層原始瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)，作為評價預(yù)抽效果和水力沖孔效果的依據(jù)。2、水力沖孔煤層卸壓增透機理和破煤機理的研究根據(jù)沖擊破壞模型流動特性的分析對水里沖孔的卸壓增透機理進行研究，擬采用邊界層 理論結(jié)合應(yīng)力波理論定量計算沖擊射流的最大流速以及沖擊深度，從理論上估算鉆沖影響的 范圍。結(jié)合生產(chǎn)實際中所取煤樣計算出沖孔破煤水壓值，并對管路壓降進行合理的計算得到 優(yōu)化后的泵壓。從三個方面探討水

9、力沖孔對煤與瓦斯突出因素的影響，定性定量分析沖孔的 效果。3、水力沖孔工藝及技術(shù)參數(shù)研究，包括：1）、水力沖孔裝備選型。主要是對礦用高壓水泵、沖孔鉆機等設(shè)備進行選型，以增強沖 孔的效果。2）、水力沖孔技術(shù)參數(shù)的研究。研究水力沖孔有效影響范圍、水壓與水量、沖孔速度與 長度、沖孔時間、沖孔煤量等。4、水力沖孔消突效果的考察。測定瓦斯解析指標(biāo)k1或Ah2值、最大鉆屑量S值等；考 察煤體殘存瓦斯壓力和殘存瓦斯含量。5、水力沖孔增透效果的考察。卸壓增透效果主要是對比考察實施措施前后瓦斯抽采量、 抽采率、煤層透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)等參數(shù)。（二）主要研究技術(shù)目標(biāo)或經(jīng)濟指標(biāo)對掘進巷道所在煤層進行穿層

10、鉆孔水力沖孔卸壓增透技術(shù)，不僅可以消除煤與瓦斯突出 發(fā)生的誘發(fā)因素，而且消突范圍較大，-同時可實現(xiàn)消突措施與掘進施工的時間和空間分離， 兩者的平行作業(yè)使得快速掘進成為現(xiàn)實，有效的緩解了礦井接替緊張的局面。三、研究開發(fā)方法及技術(shù)路線首先利用高壓水射流破碎煤體，在一定時間內(nèi)沖出大量煤體，形成較大直徑的孔洞，從而破壞煤 體原應(yīng)力平衡狀態(tài)，孔洞周圍煤體向孔洞方向發(fā)生大幅度位移，促使應(yīng)力狀態(tài)重新分布，集中應(yīng)力帶 前移，有效應(yīng)力降低；其次煤層中新裂縫的產(chǎn)生和應(yīng)力水平的降低打破了瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡， 使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂隙運移得以排放，大幅度地釋放了煤體及圍巖 中的彈性潛能

11、和瓦斯膨脹能，煤層瓦斯透氣性顯著提高；最后，高壓水潤濕了煤體，煤體的塑性增加， 脆性減小，可降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度。水力沖孔過程沖出了大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，因 此在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域，在這個安全區(qū)域內(nèi)，破壞了突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件，起到 了有效防治突出的效果。石門揭煤采用水力沖孔后并進行抽放瓦斯，達(dá)到了卸除壓力、抽排瓦斯作用，為待揭煤層消除突 出危險性，消突卸壓增透效果明顯，實現(xiàn)安全揭開煤層。四、計劃工作進度2016年3月-4月：計劃設(shè)計準(zhǔn)備煤層水力沖孔技術(shù)資料；2016年5月：籌集購置設(shè)備資金和設(shè)備選型；2016年6-7月：采購相關(guān)設(shè)備并驗收；2016年8-9月：開始實

12、施煤層水力沖孔技術(shù)和實施效果評價。五、研究開發(fā)項目組人員名單姓名性別出生年月工作單位專業(yè)職稱在本項目中承擔(dān)工作六、費用預(yù)算情況分項支出主要名稱和數(shù)量預(yù)算1、研發(fā)活動購置設(shè)備費用ZYWL-4000型履帶式鉆機2臺 BRW80/31.5 型號 1 臺120萬元2、研發(fā)活動直接消耗的材料費用6萬元3、研發(fā)活動直接消耗的燃料和動 力費用2萬元4、專門用于研發(fā)活動的有關(guān)儀 器、設(shè)備折舊費用萬元5、專門用于研發(fā)活動的有關(guān)儀 器、設(shè)備租賃費用萬元6、專門用于研發(fā)活動的有關(guān)軟 件、專利權(quán)、非專利技術(shù)等無形 資產(chǎn)攤銷費用萬元7、專門用于中間試驗和產(chǎn)品試制 的模具、工藝裝備開發(fā)及制造費 用萬元8、直接從事研發(fā)活動的本企業(yè)在 職人員費用（含工資、津補貼、 獎金等）5萬元9、與研發(fā)活動直接相關(guān)的其它費 用（含新產(chǎn)品設(shè)計費、新工藝規(guī) 程制定費、技術(shù)圖書資料費、資 料翻譯費等）1萬元10、研發(fā)成果論證、鑒定、評審、 驗收等費用3萬元11、其他費用（含差旅費、會議 費、專家咨詢費等）2萬元12、對外合作費用5萬元合計144萬元本項目研究開發(fā)經(jīng)費為144萬兀，其中研究費用16萬兀，工