Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｉｓｉｏｎ 科技视界 科技・探索・争鸣 煤层水力割缝技术的研究与应用 张鹏伟 （重庆松藻煤电有限责任公司石壕煤矿，中国重庆４０１４２０） 【摘要】为了提高低透气性煤层的瓦斯抽采效率，利用高压水射流对瓦斯抽采钻孔进行割缝。本文研究了高压水射流割缝提高瓦斯抽采 效率的作用机理，并进行了井下高压水射流割缝工业性试验。试验结果表明：高压水射流割缝改变了煤体的原始应力和裂隙状况．改善了煤层 中的瓦斯流动状态，提高了煤层瓦斯抽采量，从而提高了煤层瓦斯抽采效率。 【关键词】水力割缝：瓦斯抽采：透气性 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｍｅｔｈａｎｅ ｐｕｍｐｉｎｇ，ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｓｌｏｔｔｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｊｅｔ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｊｅｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｇａｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｊｅｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｉｅｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｄ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏａｌ， ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｓｔａｔｅ ｉｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｅａｎｌ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｕｔｔｉｎｇ；Ｓｅａｍ ｇａｓ；Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ 石壕煤矿隶属重庆松藻煤电有限责任公司．是渝黔地区主要的无 Ｎ１６３２机巷沿６ 煤层掘进．在掘进过程瓦斯涌出量较大．经常造 烟煤生产基地．瓦斯等级鉴定为煤与瓦斯突出矿井 瓦斯治理一直是 成瓦斯超限，且有突出危险性，依据《防治煤与瓦斯突出规定》要求， 矿井生产的重点工作。加强对高瓦斯突出煤层的区域预抽工作是解决 结合现场实际惰况，在煤层下方平行工作面机巷，与机巷平距为７ｍ、 井瓦斯问题的重要指导方向。瓦斯治理工作一直采取区域预抽为先． 与煤层下界垂距５７ｍ．布置底板抽采巷．实施底板穿层预抽煤巷条带 局部治理为辅的治理方针 施工穿层钻孔预抽煤层瓦斯一直是该矿治 瓦斯措施（如图３所示） 高压水力割缝实施地点选择Ｎ１６３２机巷条 理瓦斯问题的重要手段 目前穿层钻孔预抽受到煤层透气性差的影响 带对应北三区５ 瓦斯巷内的条带预抽钻孔．每个钻场选择距离 预抽效果不理想．而且预抽时间较长．严重影响了矿井保护层工作面 Ｎ１６３２机巷最近的两个钻孔（交错布置）进行水力割缝．控制Ｎ１６３２上 的正常接替。因此提高穿层钻孔透气性及瓦斯抽采率成了解决该项问 工作面机巷。试验地点位于底板茅口灰岩，距煤系Ｍ６煤层底板５７ 题的重点和难点 米垂距．地表高程为＋６４３～＋６７３ｍ．Ｎ１６３２上工作面机巷巷道高程 １水力割缝技术简介 为＋２１７～＋３７６ｍ ｙ其控制Ｍ６煤层平均高程在＋２９６ｍ．平均埋深３６１．７米。 １．１水力割缝系统 Ｈ６ 该系统由三部分组成：①高压泵站，其作用是提供高压水射流，提 供具有割缝能力的水射流的能量；②钻机，其作用是实现打钻和退钻 功能；③配套割缝钻头钻杆等，主要作用是输送高压水并形成煤体的 切割作用。系统如图１所示。 ＼｜ 图３ Ｎ１ ６３２机巷条带预抽钻孔布置图 图１水力割缝系统连接图 ２．２试验方案 １．２水力割缝增透技术 割缝设备的选择：钻孔施工采用ＺＹＧ一７５０Ｃ型钻机。高压水力割 煤层中瓦斯分力游离瓦斯和吸耐瓦斯．其中吸附瓦斯含量占总含 缝采用专用的密封钻杆、钻头、切割头、水变头、脚踏式高压阀（可用高 量的８Ｏ％一９０％ 而瓦斯的这两种状态在一定的条件下又是可以相互 压三通和截止阀替代），使用ＸＱＢ２Ｂ ｆＡ）３５０／８０乳化泵对钻机用水加 转化的。瓦斯抽采工作是抽采煤层中的游离瓦斯，因此要想提高抽放 压．乳化泵对供水压力控制在２０—２５ＭＰａ之间。 效果，不仅在抽采工艺、封孔质量上有所改进．更重要的是创造条件 钻孔施工：首先采用ＺＹＧ一７５０Ｃ型钻机施工钻孔至设计层位，记 让煤层中的吸附瓦斯转变成游离瓦斯 录好见煤位置。然后退钻杆．重新采用水力割缝专用钻杆和切缝器，对 针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯预抽采难的现状．以及前人研究的 ６ 煤层进行切割（如图４）。在钻孔内运用高压水射流对钻孔二侧的煤 瓦斯解吸机理。通过高压水射流切割作用 可以实现人为增大煤体暴 体进行切割．在钻孔二侧形成一条具有一定深度的扁平缝槽．利用水 露面积。再造煤层中裂隙及微裂隙。疏通瓦斯流动通道。提高瓦斯解 流将切割下来的煤块带出孔外，由于增加了煤体暴露面积，且扁平缝 吸、释放速度，达到实现较高的瓦斯抽采率的目的。高压水力割缝增 槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层．因此使得钻孔附近煤 透原理如图２所示 体得到了局部卸压．改善了瓦斯流动条件。 图２水力割缝增透原理图 ２水力割缝技术的现场试验 图４高压水流煤层钻孔割缝示意图 ２．１试验地点概况 在Ｎ三区５ 瓦斯巷条带孔选择１３＃钻场～２Ｃ钻场进行水力割缝 Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃ 山 ｉ。ｎ科 界 科技・探索・争ｌ毫 Ｓｃ科ｉｅｎｃｅ＆Ｔｅ技ｃｈ视ｎｏｌｏｇｙ界 Ｖｉｓｉｏｎ 试验。每个钻场选择靠近Ｎ１６３２机巷两个钻孔进行水力割缝钻孔施 表３所示。 工情况见表１。 表３施工钻场割缝前回风瓦斯浓度考察记录 表１ 部分割缝孔施工情况统计表 钻场编号 ２ ２３＃ ２４ ２５ 施工钻场 钻孔号 钻孔深度（ｍ） 割缝层位 水压（ＭＰａ） 冲出煤量（ｔ） １３ １３ １４ １４ １５ ｌ８ １８ ９ １０ １０ ｌ１ １０ １０ １１ ６０ ６０ ６０ ６１ ６０ ６２ ５８ ６ ６ ６ ６ ６ ６ ６ ２３ ２４ ２５ ２３ ２２ ２３ ２４ １．５ ２ Ｏ．６ ０．７ Ｏ．２ １．０ ０－３ ２６＂ ０．２０％ 割缝前回风瓦斯浓度 Ｏ．２２％ ０．２３％ ０．１５％ ０．１８％ 割缝后回风瓦斯浓度 ０．４８％ ０．４１％ Ｏ－３５％ ０．４４％ ０．４２％ 从上表可以看出割缝后钻场回风侧风流中的瓦斯浓度提高了 ０．１８％～０．２６％．这是由于水力割缝作用在煤体中形成了大量的人为裂 隙．因形成裂隙而增加煤体暴露面积使瓦斯流动通道顺畅、瓦斯压力 降低。解吸速度就会加快，并经钻孔进入施工巷道内．造成瓦斯巷内风 流中瓦斯浓度升高。说明采取水力割缝措施后 降低煤层瓦斯流动的 阻力．使煤层内的瓦斯得到释放 ３．４瓦斯抽采效果对比 ３．４．１抽采浓度对比 ２２ ２２ ２２ ｌ１ １ｌ １０ ６２ ６２ ６４ ６ ６ ６ ２６ ２２ ２３ ０．４ ０．５ １．１ 在同一巷道内．分别选择１０个未采取高压水力割缝措施的钻孔 和ｌＯ个采取了高压水力割缝措施的钻孔对其抽采浓度进行测定．并 进行对比分析，试验测定结果如表４所示。 表４割缝和未割缝钻孔抽采浓度对比表 组别 钻孔 浓度 编号 （％） １０—９ ３５ ２３ ２３ ２４ ２４ ２５ ２５ ２６ ９ １０ １０ ｌ１ ９ １０ １０ ６１ ６０ ６ｌ ５４ ６２ ６２ ６０ ● ６ ６ ６ ７ ６ ６ ６ ２４ ２５ ２３ ２５ ２６ ２２ ２３ １．０ ０＿８ ０．６ ０．７ １．１ １．２ １．４ 钻孔 编号 ｌ０—１０ 浓度 （％） ６７ 钻孔 编号 １０－１ｌ 浓度 （％） ２８ 钻孔 编号 １０—１２ 浓度 （％） ５ｌ 未割缝 钻孔 ｌ１－８ １１—７ １３—９ ４０ ２７ ６０ １１－９ ｌ１－１２ １３—１０ ３５ ｌ１ ６４ １１—１Ｏ ２５ １ｌ一１１ ５１．９ １４—１１ ｌ８ 平均浓度 １４－１０ ３９ ４５ ２６ １１ ５９ ６ ２５ ０，６ 割缝钻 孔 ｌ５－９ ６６ １５－１０ ４５ １６—１０ ３５ ｌ６一ｌ１ １４ １６—９ ８８ ｌ６—１０ ６３ 平均浓度 ３３．７ ３应用效果分析 通过对比可以看出害４缝前单孔浓度最高为６７％．最低为１１％．平 均浓度为３３．７％：采取高压水力割缝措施后．孔内瓦斯抽采浓度大幅 为了考察出水力割缝的割缝半径．先采用直径ｄ￣７５ｍｍ金刚石钻 度提高，其中单孔浓度最高为８８％，最低为１４％，平均浓度为５１．９％， 头在Ｎ１６３１机巷溜煤眼以西巷道南邦施工１个孔深为１ｍ的钻孔．然 与未采取水力割缝措施的钻孔相比．平均单孔浓度提高１８％．抽采效 后再采用专用水力割缝钻杆、高压水力割缝钻头对钻孔进行割缝。然 果增加比较明显 后采用人工沿钻孔挖掘煤层观察其割缝效果．并测定割缝的具体尺 ３．４．２抽采纯量对比 寸，根据测定结果得出．通过高压水流在煤层内切割出一个直径０．８ｍ 分别选择１个水力割缝钻孔和未水力割缝钻孔．采用瓦斯流量表 的裂缝 计量。水力割缝钻孔平均流量为０．００７４５７ｍ３／ｍｉｎ．未水力割缝钻孔平 ３．１割缝半径 ３．２割缝影响范围 均流量为０．００５２５７ｍ３／ｍｉｎ．由此可以看出．经过水力割缝钻孔比未割 为了考察出采取了水力割缝措施的钻孔的割缝影响范围．选取其 缝钻孔瓦斯抽采流量平均提高４４％．绘制出钻孔抽采瞬时流量对比图 中５个钻场。对整个钻场的所有钻孔的抽采浓度进行了测定．测定结 （详见表５及图５）。 果详见表２ 表５割缝钻孔与未割缝钻孔抽采流量统计表 表２ 割缝钻场抽采浓度考察统计表 钻场号 孔 ８＊孔 孔 １ 孔 １１ 孔 １Ｔ孔 ｌＹ孔 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 ４０ ２６ ５５ ５５ ６０ ６５ ５４ ５８ ３４ ３５ ４１ ２５ 备注 测定时间 ６月１日 割缝孔抽采流量 未割缝孔抽采流量 抽采负￣（（ｍｍｔｌｇ） ｍ３／ｍｉｎ） ０．０ｏ８８ （ｍ３／ｍｉｎ） ０．００６５５ ６８ １８＇钻场 ２ｌ ２ 钻场 ２５ ６月２日 Ｏ．ｏｏ８１ ０．００９２ ０．００８５ ０．００５８５ ０．ｏｏ５９５ Ｏ．０Ｏ６２５ ６７ ６８ ６８ ２２＃钻场 ３０ ２４＃钻场 ２４ ４１ ２０ ８１ ６ｌ ６９ ６７ ６６ ６４ ７０ ５４ ２４ １７ １ 、１１＃孔为 水力割缝孔 ６月３日 ６月４日 ２６＃钻场 ３４ ３ｌ ７５ ８４ ８０ ８５ ３３ ６月５日 ６月６日 Ｏ．００８ ０．００７７ ０．ｏｏ８１ ０．０ｏ８３ ０．ＯＯ６３５ ０．００５９５ ０．００５８５ ０．００５４５ ６７ ６７ ６７ ６８ 从表中数据看出．每个钻场的钻孔浓度存在中间高．两边低的规 律．特别是靠近割缝钻孔的那个孔。浓度较高，说明该孔在水力割缝效 果影响范围内．由于钻孔间距为７ｍ，从而可以判断水力割缝影响半径 大于钻孔间距．即水力害４缝影响半径大于７米。然而相邻的第二个孔 钻孔浓度普遍偏低．说明钻孔水力割缝影响半径小于两倍钻孔间距． 水力割缝影响半径小于１４米．从考察出水力割缝影响半径在７至１４ 米之间。 ３＿３瓦斯排放效果对比 现场施工中．为了更好的对比高压水力割缝措施的效果，在同一 条巷道里选择了不同的钻场位置进行分别施工考察 试验了２组没有 采取高压水力割缝措施的钻孔．与采用了高压水力割缝措施的钻孔进 行对比 在施工钻场回风侧安装了一台瓦斯检测探头．用于考察施工 钻场高压水力割缝前后孔内瓦斯自然排放量的对比．试验考察数据如 ６月７日 ６月８日 ６月９日 ６月１０日 ６月１１日 Ｏ．０Ｏ７２５ ０．０ｏ７６ Ｏ．ｏｏ６３ ０．００５２５ １６９ ６８ ６８ Ｏ．Ｏ０４８５ Ｏ．ＯＯ４３５ ６月１２日 ６月１３日 ０．ｏｏ６２ Ｏ．ｏ（）６ ０．０Ｏ４２５ ０．００３９５ ６８ ６８ ６月１４日 ６月ｌ５日 Ｏ．ｏｏ６ Ｏ．ｏｏ５８ ０．ＯＯ４０５ ０．００３９５ ６７ ６８ 平均流量 ０．００７４５７ ０．００５２５７ ’６６ １科技视界ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎ。 。ｇｙ Ｖｉｓｉ。ｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｉｓｉｏｎ 科技视界 Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ０ ｎ 科技・探索・争鸣 埘 嘲 瞄 星｝吼ｏ Ｎ１６３１下工作面南中部穿层上山抽采至达标则需要１２．５个月，因此， 采用水力割缝之后，对有利于缩短煤层瓦斯抽采周期，节约抽采成本。 ４结论 通过对高压水力割缝技术在底板穿层预抽煤层钻孔试验．得出以 下结论： ４．１高压水力割缝技术可以有效提高钻孔影响半径．当割缝压力为 ２５ＭＰａ左右时．能对切割出一个直径Ｏ．８ｍ裂缝．使煤岩应力发生变 化，产生更多的裂缝，形成卸压瓦斯通道。从而提高钻孔有效抽采半径 ７￣１４ｍ。 没有采取水力割缝钻孔在刚开始抽采几天内．浓度先是稳定在一 定范围内，然后逐渐降低．流量基本稳定。这是因为没有采取水力割缝 措施．钻孔在刚形成的一段时问内，瓦斯较客易释放。但是随着时问推 ４．２高压水力割缝技术的应用增大了单孔瓦斯抽采量４４％．提高了 单孔瓦斯抽采浓度１８％。尤其针对高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采治 理工作具有非常重要的意义 ４．３鉴于高压水力割缝技术在强化瓦斯抽采方面的较好效果．将其 移，浓度越来越低，说明钻孔有效影响半径有限。采取水力割缝钻孔由 应用在石门消突揭煤方面，有效缩地短了揭煤抽采周期２￣３个月。 于水力割缝作用在煤体中形成了大量的入为裂隙．因形成裂隙而增人 煤体暴露面积使瓦斯流动通道顺畅、瓦斯压力大大降低，解吸速度就 【参考文献】 会大大提高．从而保证抽采浓度和流量都保持较高。 ［１］林柏泉，崔恒信．矿井瓦斯防治理论与技术［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社 由于高压水力割缝技术在强化瓦斯抽采方面有比较明显的效果． １９９８． 实验小组在Ｎ１６３１下工作面机巷穿层上山揭煤抽放点实施了水力割 ［２］孙家骏．水射流技术［Ｍ）．徐州：中国矿业大学出版社，１９９２． 缝措施。通过Ｎ１６３１下工作面南中部穿层上山揭煤抽放点比较。 ［３］林青，李宝玉，林柏泉．高压磨料水力割缝防突技术［Ｊ］．煤矿安全，２００５． Ｎ１６３Ｉ下工作面机巷穿层上山抽采达标所需时间为１０个月．而 ［责任编辑：王静］ （上接第１ ６１页）连续重整装置部分工段设备部件的风险矩阵见 信息系统与ＲＢＩ未建立起有效的数据交互。从信息集成化的发展来 图２、图３所示。 看．笔者认为有必要在以下方面进一步开展相关工作。 ４．２风险排序 表２连续重整装置损伤机理 表１给出了连续重整装置中的高风险和中高风险但失效可能性 大于３的静设备风险排序。 损伤类别 腐蚀机理名称 表１连续重整装置高、中高风险设备排序（部分） 湿Ｈ２Ｓ腐蚀 Ｊ序号 设备位号 失效可能性等级 失效后果等级 风险等级 酸性水腐蚀 减薄 未知原因 ＩＣ一１０２ ３ Ｅ 高 ＨＣＬ腐蚀 ｌ２ Ｄ一２０１ ５ Ｄ 高 高温硫化氢，氢腐蚀 ３ Ｄ一１０２ ４ Ｃ 中高 高温氢腐蚀 高温氢致开裂 ４ Ｄ－１０３ ４ Ｄ 中高 氢致开裂／应力导向氢致开裂 应力腐蚀开裂 ５ Ｄ一２０２ ４ Ｃ 中高 碳酸盐开裂 ６ Ｄ一２Ｏ３ ４ Ｃ 中高 外部腐蚀 保温层下腐蚀 ７ Ｄ一２０５ ４ Ｃ 中高 ５．１在设备管理信息系统中添加ＲＢ１分析中可能用到的数据．一方 ８ Ｄ＿２１２ ４ Ｃ 中离 面可以提高工作效率，另一方面可以实现动态的ＲＢ１分析。 ９ Ｅ－１０１ ５ Ａ 中高 ５．２ ＲＢＩ的评价结果也要在设备管理信息系统中反映出来．以便于更 好地指导检维修工作。ｅ ４．３损伤机理的识别 软件分析给出装置中设备潜在的损伤类别和主导损伤机理见表 【参考文献】 ２。主要的损伤形式主要是酸性水腐蚀、湿硫化氢腐蚀、保温层下腐蚀、 ［１］左尚志，等．压力管道的风险评估原理、技术及发展［Ａ ２ｏｏ６年全国失效分 ＨＣＬ腐蚀等。 析与安全生产高级研讨会论文集［ｃ】．２００６． ’ ［２］刘蕊，等．基于风险的检验技术在连续重整装置的应用研究叨压力容器， ５结论与展望 ２０１１（增刊）． 在ＲＢ１分析中充分应用了设备信息化管理系统中已有数据．大大 提高了ＲＢ１分析的效率。在开展ＲＢ１分析过程中也认识到设备管理 ［责任编辑：周娜］ （上接第１３６页）神，有助于学生创造意识的培养。 乐，教师的教育观念也有了很大的变革，这正是我们研究的初衷。ｅ ５研究得出的结论 【参考文献】 通过实践先进音乐教育理念的研究．彻底打破了以教师为中心的 ［Ｉ］尹爱青．当代主要音乐教育体系及教学法［Ｍ］ｌ东北师范大学出版社． 传统教学模式，激发了学生学习的积极性和主动性，使音乐教学活动 ［２］刘沛．音乐教育的实践与理论研究【Ｍ］上海教育出版社． 突出了审美价值，更加注重情感体验，使学生学习音乐的过程更加快 ［责任编辑：王静］ ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎ。ｌ。ｇ）ｒ Ｖｉｓｉ。ｎ科技视界Ｉ １ ６７
