徐 文 任青山 王春霞 彭 斌

（六盤水師范學院 礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004）

隨著開采深度的增加，煤炭的安全生產受到瓦斯災害越來越嚴重的威脅。煤與瓦斯突出嚴重制約著煤炭的安全生產，有效治理瓦斯成為礦井安全生產的首要任務。如何實現煤與瓦斯突出危險區(qū)域的快速安全掘進是治理瓦斯的重中之重，這些區(qū)域往往瓦斯含量大，壓力高，透氣性較差，煤體疏松，嚴重制約著煤體的安全產出。

對于嚴重突出煤層在不具備保護層開采條件，預抽又效果不好的情況下，強化抽放煤層瓦斯是煤炭工作者面臨的難題。底抽巷穿層鉆孔高壓磨料水力割縫技術是目前效果較為可靠的強化抽放瓦斯技術，該技術能有效的釋放高突區(qū)域瓦斯，掩護掘進工作面的安全施工，提高掘進速度，增加經濟效益[1]。

1 原理

底抽巷穿層鉆孔水力割縫技術首先在工作面進回風巷及開切眼的下方巖層中施工巖石巷道，在巖巷中打穿層鉆孔，退鉆時利用鉆頭將混有石英砂的高壓水向煤層中噴射造縫，并沖出大量的煤，強化泄壓并釋放瓦斯達到消突的目的。

底抽巷較高位巷有較明顯的優(yōu)勢，那就是煤層中的水可以有效的排出，高抽巷往往因為煤層中的水不能有效的排出而阻礙了瓦斯的解析，故而在有水的煤層高抽巷效果不佳。底抽巷在利用水力割縫時能較為方便的排出水和煤泥，為瓦斯解析提供空間。

高壓磨料水力割縫主要是利用攜帶石英砂的高壓水流沖擊煤體達到割縫的目的，水流在高達30Mpa的壓力下高速沖擊煤體，流體沖擊造成的彈性拉力波在煤體中沖撞、反射和干擾，破壞了材料的分子結構，造成了煤體的局部流變和裂縫的產生（如圖1），高硬度的石英沙提高了水流的造縫能力，加速了局部煤體的破壞過程[2]。

圖1 高壓水切割煤體示意圖

高壓磨料水能在煤體中形成很深的泄壓、排瓦斯通道，回流的高壓水能攜帶出大量的切割下來的煤體，裂縫空間導通了煤體中原有的裂隙，煤體膨脹的同時達到了泄壓的目的。裂隙的導通便于瓦斯的解析、流動與抽放；地應力和瓦斯壓力的釋放，消除了突出的危險。與水力沖孔相比，高壓磨料水力割縫能連通更多的裂隙，沖出更多的煤渣，形成更大的空間，使得瓦斯壓力和地應力釋放得更加均勻、充分。與深孔松動爆破相比，高壓磨料水力割縫產出的裂隙也更加均勻，且不會導致頂底板的斷裂，地應力釋放更加均勻[3]（圖2）。

圖2 水力割縫消除突出危險示意圖

底抽巷穿層鉆孔水力割縫技術能在高突危險區(qū)域作業(yè)，利用底抽巷在巖層中即可作業(yè)，有效的排放突出危險區(qū)域的瓦斯，掩護進、回風巷的掘進（圖3）。

圖3 高壓水射流煤層鉆孔切縫示意圖[4]

2 設備施工工藝簡介

高壓磨料水力割縫系統(tǒng)主要由高壓泵、水箱、高壓磨料發(fā)生裝置、鉆割一體化鉆機等組成，如圖4所示。在完成鉆進后，系統(tǒng)進行邊退邊割，可以進行邊退鉆邊旋轉的連續(xù)割縫，也可以間段式旋轉割縫[4-5]。

圖4 間斷式旋轉割縫示意圖

3 應用效果

3.1 工作面概況

某礦11031工作面為高突區(qū)域，該礦三次突出均發(fā)生在該區(qū)域及附近區(qū)域，突出強度大，煤層瓦斯含量為14.3m3/t，瓦斯壓力為1.57MPa，煤體結構較為松軟，破壞類型普遍為Ⅲ-Ⅴ類，屬于嚴重突出危險區(qū)域。工作面長度為2300米，煤厚約5米，以貧瘦煤為主，構造發(fā)育，小斷層密集。

3.2 施工狀況

為了消除掘進工作面的突出危險，礦方首先采用了高抽巷水力壓裂技術來對工作面的瓦斯進行治理，由于煤層含水較多，高抽巷的抽放鉆孔積水嚴重，瓦斯很難從煤層解析出來，后該工作面采取低抽巷的水力割縫技術進行瓦斯治理。底抽巷在該礦13031工作面設計機巷和風巷的下方約10米處，在該工作面底抽巷下方施工的抽放鉆孔每8米施工一排5個鉆孔，扇形展布（圖5），穿過煤層進入頂板0.5米后停鉆，后退間斷式旋轉割縫。

圖5 低抽巷水力割縫消突示意圖

3.3 封孔工藝

該實驗采用保壓注漿封孔工藝，使用聚氨酯和膨脹水泥聯(lián)合封孔，膨脹水泥采用高強度微膨脹型材料PD材料，將抽放管花眼位置伸到煤層頂部，防止花眼被堵，前后兩段使用中國礦業(yè)大學研制的聚氨酯封孔袋，中間填充膨脹水泥封孔，膨脹水泥在巖石中封8米。該封孔工藝是在兩端用聚氨酯封堵后往封閉的空間再注入膨脹型水泥，注入壓力可以達到1.5MPa，通過高壓泵的壓力和材料自身的膨脹性能能有效的保證膨脹水泥向周圍的裂隙內運移填充（圖6），是目前國內較為先進的封孔工藝，該封孔工藝在我國的各大礦區(qū)得到了一致的肯定。

圖6 封孔材料與工藝示意圖

圖7 割縫效果與不割縫鉆孔的抽放流量比較

3.4 效果檢驗

高壓磨料水力割縫技術在某礦11031工作面低抽巷應用后效果顯著，抽放流量較未割縫前提高了6倍，如圖7所示，A組為割縫后的抽放鉆孔流量變化情況，B組為沒有割縫的抽放流量變化情況，抽放濃度較以往有了較大提高，割縫后抽放一個月進風巷開始掘進，掘進期間沒有發(fā)生過預測指標超標現象。

抽放濃度在臨近的13082機巷使用同樣的封孔工藝，瓦斯抽放鉆孔的濃度較低，且衰減較快，如下圖8中的A-1、A-2、A-3；而割縫后抽放鉆孔的瓦斯抽放濃度有了較大的提高，如下圖中的B-1、B-2、B-3,且衰減較慢。

圖8 割縫與不割縫鉆孔抽放濃度的比較

4 結語

（1）低抽巷高壓磨料水力割縫技術工藝能有效消除高突危險區(qū)域的煤體彈性潛能和高壓瓦斯內能，對降低瓦斯突出危險性效果較好。

（2）該技術能顯著增大煤體的透氣性，擴大鉆孔影響半徑，減少鉆孔施工量，經濟效益可觀。

（3）高壓磨料水力割縫技術應用后煤體含水量較以往略有增加，減少了掘進過程中空氣中的粉塵濃度。

（4）在應用該技術進行割縫操作時要注意檢查施工現場的瓦斯?jié)舛?，控制割縫速度防止瓦斯超限。

［1］ZHAO Y S，HU Y Q，The experimental approach to effective stress law of coal mass by effect methane[J].Transport in Porous Media，2003，53(3):235-244.

［2］張衛(wèi).穿層鉆孔水力割縫防突技術的應用[J].商品與質量，2012，(4):277-278.

［3］方前程，王兆豐，楊利平.利用水力割縫提高低透氣性煤層瓦斯抽放的試驗研究[J].實驗研究，2007，16(5):1-2.

［4］葉青，李寶玉，林柏泉.高壓磨料水力割縫防突技術[J].煤礦安全，2005，36(12):11-14.

［5］馮寶興，黃春明，張連軍.高壓水力割縫技術在底板穿層預抽煤層瓦斯中的應用[J].煤炭工程，2010（6）:35-37.

［6］周廷揚.高壓水力割縫提高瓦斯抽采鋁的技術研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(增刊):7-12.