高壓脈沖水射流定向卸壓增透技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

高壓脈沖水射流定向卸壓增透技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

隨著開采的深入，平陽礦區(qū)頂板和磚瓦材料的磚瓦壓力和數(shù)量逐漸增加，突出的風險也在增加。隨著煤層從非突然變化，逐漸突出的是煤層，而開采的是磚瓦開采的?；谄巾斏降V區(qū)煤層透氣性極差,煤質(zhì)松軟,瓦斯治理手段除保護層開采效果得到普遍公認外,主要靠鉆孔來抽采釋放瓦斯,但鉆孔抽采影響范圍小,要達到抽采效果就需要加密鉆孔以消除抽采空白帶。這就大大增加了消突工作量,延長了消突達標時間,給安全和生產(chǎn)造成極大的影響。為增加煤層透氣性,增大鉆孔抽采影響范圍,特開展高壓脈沖水射流鉆割卸壓增透技術(shù)應(yīng)用研究。1鉆床、研磨、壓力損失填充技術(shù)原理1.1沖擊式水射流自適應(yīng)高壓脈沖水射流是利用水射流的不穩(wěn)定流動特性,通過調(diào)整連續(xù)水射流的流動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù),對水射流的渦量擾動進行閉環(huán)反饋和放大,將連續(xù)水射流改變?yōu)閴毫γ}動的沖擊式水射流,水射流作用在靶體材料上的力改變?yōu)榘匆欢l率周期性變化的高頻沖擊載荷。試驗和現(xiàn)場應(yīng)用證明,這種沖擊力是連續(xù)水射流滯止壓力的1.5~2.5倍,大大提高了對靶體材料的沖蝕破壞作用。1.2應(yīng)力波影響瓦斯?jié)B流的機制在高壓脈沖水射流沿煤層割縫過程中,由于高壓脈沖水射流的沖擊、振蕩和物理作用,一方面使煤巖骨架應(yīng)力變化,導(dǎo)致煤體特性變化,從而影響割縫煤體內(nèi)瓦斯的流動和壓力分布;另一方面瓦斯運移狀態(tài)的變化又引起煤體骨架應(yīng)力狀態(tài)的變化。高壓脈沖水射流沖擊產(chǎn)生應(yīng)力波,被沖擊區(qū)在強大應(yīng)力波作用下處于絕對受壓狀態(tài),當射流沖擊煤體的壓縮波傳播到煤體的自由表面時,煤體所受到的應(yīng)力從入射時的壓縮應(yīng)力變成全反射時的拉伸應(yīng)力,當拉伸應(yīng)力超過部分低強度煤體的拉伸強度時,就致使煤體發(fā)生拉伸破裂,形成裂隙。這種應(yīng)力波對瓦斯?jié)B流有以下影響:(1)導(dǎo)致煤體原始應(yīng)力分布狀態(tài)完全改變,應(yīng)力變化引起煤體裂隙發(fā)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。(2)裂隙率變化會引起瓦斯?jié)B透系數(shù)的變化。沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波以地震波形式傳播,引起煤體變形的震動效應(yīng),使得裂隙內(nèi)瓦斯原有的等溫、等壓平衡狀態(tài)被打破,造成裂隙內(nèi)瓦斯的波動,波動會引起溫度升高———即熱效應(yīng),這將加劇瓦斯的解吸。(3)瓦斯的波動將引起裂隙局部的振動,波動引起的熱效應(yīng)和振動隨應(yīng)力波的強弱變化。煤層實施割縫后,不僅增大了瓦斯溢出的自由面,且由于煤體的破裂,在切割縫的周圍形成較大范圍的高滲透裂隙區(qū),從而更大幅度地增加了瓦斯的運移通道,使得在瓦斯抽采初期具有較大的瓦斯抽采速度。1.3切割條件影響因素分析影響高壓脈沖水射流割縫效果的因素有很多,主要包括射流壓力、射流流量、射流速度及噴嘴轉(zhuǎn)速。對于噴嘴流道為圓管形結(jié)構(gòu)的水射流,射流流量q、流速v與射流壓力p、噴嘴直徑d之間的關(guān)系為:v=44.7槡p,q=2.1d2槡p。由此可以看出,當射流壓力與噴嘴直徑確定時,射流流量和流速保持不變。因此,僅考慮切割條件對水射流割縫效果的影響,即射流壓力、噴嘴直徑及轉(zhuǎn)速3個因素。(1)射流壓力。射流噴射壓力反映了水射流的速度,是影響水射流切割能力的重要參數(shù)。試驗表明,當壓力大于20MPa時,射流能有效破壞各種硬度煤體,割縫半徑為1~2m。(2)噴嘴直徑。在保持射流壓力不變的情況下,加大噴嘴直徑可增大水射流的能量,煤體更容易破壞,切割深度也將增加。試驗表明,壓力恒定時,噴嘴直徑越大,切割深度越大。但考慮到直徑越大,所需流量也急劇增加,一般將噴嘴直徑設(shè)計為2.5~3.5mm,此時普通礦用乳化泵(80~125L/min)即可滿足流量供給需求,便于推廣應(yīng)用。(3)射流轉(zhuǎn)速。射流轉(zhuǎn)速對切割深度影響的本質(zhì)為噴嘴橫移速度與重復(fù)切割次數(shù)2個因素對切割深度的綜合影響,實質(zhì)是反映水射流對煤體的沖擊時間。綜上所述,為保證高壓脈沖水射流有足夠的破煤能力,射流壓力應(yīng)大于20MPa;噴嘴直徑選用2.5~3.5mm。2現(xiàn)場應(yīng)用2.1固瓦斯含量及巷道位置平煤五礦己15-32020膠帶運輸巷沿己15煤層頂板施工,炮掘。煤層埋深925~1044m。掘進斷面14m2,支護方式為錨網(wǎng)支護,間排距600mm。己15煤層堅固性系數(shù)為0.7,厚度為1.2~2.0m,原始瓦斯壓力1.3MPa,瓦斯含量12.4m3/t,為突出煤層。下部己16,17煤層也為突出煤層,己15煤層與己16,17煤層層間距為3.3~17.0m,施工巷道高度為3.2m,試驗段巷道己15煤層距己16,17煤層一般在9~10m,比較穩(wěn)定。巷道施工時,直接在己15煤層執(zhí)行區(qū)域防突措施,并加強下探己16,17煤層工作,以防誤揭己16,17煤層造成事故。2.2壓脈沖水射流割縫己15煤的堅固性系數(shù)為0.7,根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果,己15煤層高壓脈沖水射流割縫ue07e75mm,鉆孔割縫影響半徑達3.2m;綜合考慮己15-32020膠帶運輸巷煤層透氣性、瓦斯含量、瓦斯壓力等因素,高壓脈沖水射流割縫鉆孔按影響半徑3.0m進行設(shè)計。2.3鉆孔控制及參數(shù)根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求,并結(jié)合己15-32020膠帶運輸巷的巷道設(shè)計情況以及己15煤層瓦斯含量、煤層賦存條件、煤的堅固性系數(shù)和破壞類型等實際情況,確定控制范圍為:沿己15-32020膠帶運輸巷巷道掘進方向鉆進60m,預(yù)留超前距20m,上下幫各控制15m。鉆孔布置如圖1所示,鉆孔參數(shù)見表1?？紤]到設(shè)計鉆孔徑向距離較近,為防止鉆孔割縫過程中穿孔及重復(fù)割縫,同時減少割縫時間,鉆孔割縫時交錯相間,割縫參數(shù)見表2。2.4巷道殘余瓦斯含量測定根據(jù)設(shè)計方案,在現(xiàn)場進行了近7個月的試驗,共計13個作業(yè)循環(huán),掘進長度達520m。鉆孔割縫工作分為2部分:首先采用風壓輔助鉆桿實施鉆孔,待達到設(shè)計孔深再后退鉆桿進行高壓脈沖水射流割縫。鉆孔割縫時間為每道縫15~20min,割縫壓力為20~24MPa。每循環(huán)措施孔施工、抽放結(jié)束,即測定殘余瓦斯含量W,結(jié)果表明:取樣深度20m位置處瓦斯含量W值在3.6397~4.4626m3/t;取樣深度40m位置處W值在3.3421~6.1320m3/t;取樣深度60m位置處W值在4.5421~6.6120m3/t,均小于臨界值8m3/t,措施有效。巷道掘進期間執(zhí)行了防突指標測試(復(fù)合指標法),q=1.5~3.1L/min,S=2.2~4.5kg/m,均小于臨界值(5L/min和6kg/m),無超標現(xiàn)象。煤巷掘進期間瓦斯?jié)舛?.02%~0.29%,未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。3應(yīng)用效果3.1防突措施布置五礦己15-32020膠帶運輸巷掘進面原有防突措施共布置鉆孔1(排)×15(列)=15個;采用高壓脈沖水射流定向卸壓增透技術(shù)后共布置鉆孔9個,鉆孔數(shù)量減少40%。3.2措施孔執(zhí)行時間五礦己15-32020膠帶運輸巷原執(zhí)行措施施工15個措施孔,執(zhí)行時間平均17個生產(chǎn)班。采用高壓脈沖水射流割縫執(zhí)行9個措施孔,執(zhí)行時間平均11個生產(chǎn)班,比原措施執(zhí)行時間縮短35.3%。3.3未割縫孔單孔濃度和流量測定殘余瓦斯含量W,分別在鉆孔20,40,60m位置處取樣測得瓦斯含量值在3.3421~6.6120m3/t,較煤層原始瓦斯含量12.4m3/t大幅下降,且均小于臨界值指標。選取執(zhí)行原措施和割縫措施時對應(yīng)的未割縫的8#、7#、6#孔和割縫的5#、4#、3#孔進行數(shù)據(jù)跟蹤,單孔濃度、流量對比(表3)。由表3可以看出:割縫孔單孔抽放濃度在50%~79%,抽放流量為0.55~0.78m3/min;未割縫孔抽放濃度最高為40%,抽放流量最大為0.15%。割縫孔濃度、流量均有大幅提升。4孔多、施工難度大、抽放時間長將高壓脈沖水射流技