孫 鑫，王海東，路麗剛

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601)

水力割縫技術(shù)是治理高突煤層掘進(jìn)巷道瓦斯突出，提高礦井生產(chǎn)安全性的有效手段之一[1，2]，即使用高壓水射流有效地將鉆孔附近煤進(jìn)行切割，增加了煤體的裸露面積并改善了氣流條件，從而提高瓦斯抽放的效果[3-5]。分析影響割縫半徑的因素對(duì)于完善割縫技術(shù)至關(guān)重要。近年來(lái)，關(guān)于水力割縫技術(shù)的研究較多，胡杰[6]等通過(guò)布置多組試驗(yàn)鉆孔，分別對(duì)水力沖孔措施前后鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁窟M(jìn)行綜合考察，得到了水力沖孔對(duì)煤層透氣性系數(shù)和煤層瓦斯抽采率有一個(gè)較大的提升；夏彬偉等[7]提出了水力壓裂裂縫導(dǎo)向技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)向孔能夠控制裂縫的延伸；張?jiān)隽恋萚8]發(fā)現(xiàn)水力割縫作為卸壓增透利器之一，卸壓增透措施相比常規(guī)措施效果顯著；李德玉等[9]分析了噴嘴內(nèi)液固兩相的加速過(guò)程，得出了出口直徑為1.6mm的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)(圓柱段長(zhǎng)度、收縮角)對(duì)磨料加速效果的影響；梁銀權(quán)等[10]分析了深鉆孔超高壓水力割縫卸壓增透機(jī)理，運(yùn)用深鉆孔與高壓水力割縫相結(jié)合增透技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)工作面抽采效率增大效果；李志強(qiáng)等[10]提出了多過(guò)程耦合滲流的科學(xué)問(wèn)題，建立了瓦斯抽采、注氣、注水的三過(guò)程耦合滲流力學(xué)方程。綜上所述，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)，特別是噴嘴轉(zhuǎn)速對(duì)射流割縫半徑的影響鮮有研究，現(xiàn)場(chǎng)施工存在盲目性，制約了水力割縫技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化推行。

本文擬通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，分析半徑與轉(zhuǎn)速、時(shí)間之間的關(guān)系，建立高壓水射流煤層割縫模型，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，最后在平寶煤業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制前后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，揭示煤層水力割縫轉(zhuǎn)速對(duì)切割半徑影響規(guī)律。

1 煤層割縫相似模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)常用參數(shù)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)泵壓25MPa，割縫噴嘴直徑2.5mm，采用單噴嘴徑向布置方式。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)采用水射流煤層割縫相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。由于煤巖裂隙發(fā)育，很難在現(xiàn)場(chǎng)取到大塊原煤進(jìn)行割縫實(shí)驗(yàn)，根據(jù)Crow切割巖石理論[11]，射流切割深度僅與待切割靶體強(qiáng)度有關(guān)，與孔隙度等參數(shù)無(wú)關(guān)，因此選用與原煤強(qiáng)度相同的相似材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。相似材料是按照1∶0.5∶1的比例將煤炭顆粒、水泥以及水等進(jìn)行混合后制造出來(lái)的[12]，混合后將其混合物放置在2m的正方試件箱中進(jìn)行壓實(shí)處理，并讓其在放置29d的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自然風(fēng)干，保證風(fēng)干處理后堅(jiān)固性系數(shù)f能夠達(dá)到0.23，抗拉強(qiáng)度約為0.23MPa。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置連接示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，控制泵壓25MPa，調(diào)節(jié)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速分別為30r/min、40r/min、50r/min、60r/min、70r/min，利用上述鉆速狀態(tài)下的鉆機(jī)對(duì)煤靶進(jìn)行切割，制造出旋轉(zhuǎn)裂縫，在切割過(guò)程中以30s為間隔來(lái)實(shí)施關(guān)泵，并對(duì)割縫的深度等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)量，整個(gè)割縫過(guò)程要持續(xù)20min左右。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同割縫轉(zhuǎn)速下切割形成的縫槽如圖2所示，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，割縫半徑與時(shí)間成冪指數(shù)關(guān)系，且轉(zhuǎn)速越小，割縫半徑增加的趨勢(shì)越明顯，即冪指數(shù)與轉(zhuǎn)速成反比。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可得到，割縫半徑與噴嘴轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

h=6.14n1.08t-0.4591ln (n)+2.0301

(1)

式中，h為割縫半徑，mm；n為噴嘴轉(zhuǎn)速，r/min；t為割縫時(shí)間，min。

圖2 割縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)割縫半徑的影響

從圖3和式(1)可以看出，在恒定轉(zhuǎn)速下，隨著時(shí)間的增加割縫深度會(huì)隨之變大；在低速時(shí)，切縫半徑逐漸增加；在高速度時(shí)，切縫半徑迅速達(dá)到最大值，并且不再增加。分析原因：速度越慢，煤體的單次切割時(shí)間越長(zhǎng)，“水墊”阻塞效果越大。因此，在切割開(kāi)始時(shí)，切割迭代次數(shù)對(duì)切割深度的影響大于單個(gè)沖擊。增加時(shí)間和旋轉(zhuǎn)速度有助于增加割縫的深度。但是，速度的增加應(yīng)該受到限制，并且并不總是那么好。在當(dāng)前鉆機(jī)的速度不足以影響射流發(fā)散程度的情況下，速度不斷增加，就會(huì)使得割縫過(guò)程時(shí)間消耗越短。就能夠達(dá)到較高的割口效率，但是在整個(gè)過(guò)程中深度閾值呈現(xiàn)出先增加后降低的現(xiàn)象。這表明相對(duì)于狹縫深度的單個(gè)沖擊時(shí)間的沖擊系數(shù)大于在狹縫中稍后重復(fù)的狹縫的數(shù)量，并且煤體主要受到水射流的準(zhǔn)靜態(tài)壓力的破壞。因此，為了實(shí)現(xiàn)破煤效率的有效提升，并最大程度擴(kuò)大割縫的半徑，針對(duì)不同的時(shí)段要合理的設(shè)置相應(yīng)的鉆速，以實(shí)際割縫作業(yè)來(lái)看，針對(duì)0～5min的時(shí)間段可以選擇鉆速設(shè)置為60r/min，這樣能達(dá)到最佳的割縫效率；針對(duì)5～10min的時(shí)間段可以選擇鉆速設(shè)置為50r/min，這樣能達(dá)到最佳的割縫效率；針對(duì)10～15min的時(shí)間段可以選擇鉆速設(shè)置為40r/min，這樣能達(dá)到最佳的割縫效率；15～20min時(shí)，30r/min的割縫效率最高。

因此，有必要在不同的時(shí)間使用不同的鉆桿速度，以提高煤的破碎效率，并使半徑盡可能增大，特別是在0～5min時(shí)，鉆速60r/min效率最高；在5～10min時(shí)，鉆速50r/min具有最高的割縫效率；在10～15min時(shí)，鉆速40r/min具有最高的割縫效率；而在15～20min時(shí)，鉆速30r/min具有最高的切縫效率。

2 割逢半徑現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

由實(shí)驗(yàn)室煤層割縫相似模擬實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為30r/min、割縫20min時(shí)，割縫半徑已接近1m。根據(jù)式(1)分析，采用轉(zhuǎn)速控制后，割縫半徑將增加到1.5m左右，超出了實(shí)驗(yàn)試件箱尺寸范圍，無(wú)法得到具體的割縫半徑，因此本文在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行割縫，并設(shè)置考察孔對(duì)割縫半徑進(jìn)行驗(yàn)證[12]。

2.1 考察過(guò)程

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在平寶煤業(yè)己15-12050風(fēng)巷上幫，標(biāo)高-672.3m，埋深780m。對(duì)于煤層來(lái)說(shuō)，其堅(jiān)固系統(tǒng)通常情況下都會(huì)處在0.13～0.5之間，而其反抗拉強(qiáng)度通常會(huì)處在0.2～0.3MPa之間，另外，會(huì)將設(shè)計(jì)工作壓力設(shè)置在35MPa，由式(1)可得，采用轉(zhuǎn)速控制的射流割縫半徑可達(dá)1.5m，鉆孔布置如圖4所示，考察孔孔徑為42mm，措施孔孔徑為75mm。圖中鉆孔共布置兩組，第一組實(shí)施控制轉(zhuǎn)速的水力割縫，第二組進(jìn)行傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變的割縫。

圖4 割縫半徑考察鉆孔布置

在實(shí)際施工過(guò)程中獲取鉆孔割縫半徑最常用的方法是直接觀察法[13，14]，也就是說(shuō)，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中首先要針對(duì)各個(gè)觀察孔是否存在反水現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)格觀察，整個(gè)測(cè)量過(guò)程要按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

1)首先要針對(duì)在己15-12050風(fēng)巷上幫，設(shè)置2組鉆孔，而且每一組做鉆孔要包括6個(gè)觀察孔，還要保證觀察孔之間處在平行狀態(tài)，觀察孔的直徑和長(zhǎng)度分別設(shè)置為42mm、15m。

2)在與觀察孔處在平行位置的方向上按照?qǐng)D4所顯示的位置來(lái)進(jìn)行措施孔施工，其直徑和深度分別設(shè)置為75mm、15m，完成施工之后，在其深度為14m的位置上來(lái)具體實(shí)施割縫施工。針對(duì)其第1組施工參數(shù)設(shè)置如下：p=25MPa，t=0～5min時(shí)，n=60r/min；t=5～10min時(shí)，n=50r/min；t=10～15min時(shí)，n=40r/min；t=15～20min時(shí)，n=30r/min。第2組則保持轉(zhuǎn)速n=40r/min不變，割縫20min。

2.2 結(jié)果分析

在具體完成措施控的割縫施工之后，要針對(duì)孔內(nèi)的返水情況進(jìn)行嚴(yán)格觀察，在次基礎(chǔ)上來(lái)確定出實(shí)際施工過(guò)程中射流割縫的最佳半徑。在第一組中，1#—3#檢查孔中有回水，而4#—6#檢查孔中沒(méi)有回水。這表明噴水口縫隙半徑實(shí)際上在1.5m以上且在1.5～2m之間。第兩組檢查孔1#—2#有回水，孔3#—6#沒(méi)有回水。這表明水射流的切割半徑超過(guò)1.0m，并且是1.0～1.5m。檢查結(jié)果基于理論計(jì)算，與恒定速度相比，速度控制的縫隙半徑增加了約50%。

3 轉(zhuǎn)速控制前后對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在轉(zhuǎn)速控制驗(yàn)證施工現(xiàn)場(chǎng)之后，必須要針對(duì)鉆孔的布置方式以及具體施工方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在平寶煤業(yè)石門(mén)揭煤工作面具體實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)施工，并與采用傳統(tǒng)割縫方法的鄰近石門(mén)揭煤工作面進(jìn)行對(duì)比。

3.1 施工點(diǎn)概況

施工地點(diǎn)選在平寶煤業(yè)己15-12050機(jī)巷石門(mén)揭煤工作面上。該工作面標(biāo)高處在-621.3～-644.7m之間，地面標(biāo)高處在+115.5～+145.0m，煤層實(shí)際的埋藏深度處在736.8～789.7m，煤層賦存情況如前所述。

在施工現(xiàn)場(chǎng)主要是通過(guò)割縫器、高壓密封鉆桿、高壓密封輸水器以及相關(guān)的輔助管控設(shè)備來(lái)共同構(gòu)成水力割縫系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 11018工作面割縫施工示意圖

3.2 鉆孔布置及施工優(yōu)化

為了能夠在充分保證安全施工的前提下有效的提升割縫施工實(shí)際效果，在具體進(jìn)行鉆孔作業(yè)過(guò)程中，將鉆孔終孔間距按割縫有效影響半徑(2倍割縫半徑，即3m)進(jìn)行布置，將其間距設(shè)置為6m，鉆孔總共設(shè)置了13排，7列，鉆孔總數(shù)達(dá)到了91個(gè)，第1排鉆孔在控制巷道的外輪廓線以及輪廓線的正前方15m位置，過(guò)煤層底板0.5m方向上，實(shí)際鉆孔深度達(dá)到72m，而且兩列鉆孔之間的間距達(dá)到0.35m，距幫實(shí)際為0.15m，在工作面迎頭方向上設(shè)置了第1～4排鉆孔，將其鉆孔間距設(shè)置在0.4m，工作面與底板的交接位置具體設(shè)置了第5排鉆孔，而在巷道底板位置設(shè)置了第6～8排鉆孔，兩排鉆孔之間的間距設(shè)置為0.5m，而且應(yīng)充分保證所有的鉆孔穿過(guò)煤層底板的深度要達(dá)到0.5m，實(shí)際的鉆孔布置狀況如圖6所示。

圖6 鉆孔布置俯視圖

整個(gè)施工過(guò)程主要分為以下兩個(gè)步驟：首先需要進(jìn)行鉆孔漸進(jìn)施工，要嚴(yán)格遵循自上而下、自左而右的施工順序，完成鉆孔施工作業(yè)后；然后需要對(duì)高壓水霧進(jìn)行切換，在周圍的煤體中具體實(shí)施旋轉(zhuǎn)割縫作業(yè)，施工過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：p=25MPa，t=0～5min時(shí)，n=60r/min；t=5～10min時(shí)，n=50r/min；t=10～15min時(shí)，n=40r/min；t=15～20min時(shí)，n=30r/min。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

82d后，通過(guò)實(shí)際的精確測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，工作面的預(yù)抽在區(qū)域瓦斯殘余壓力達(dá)到了0.25MPa，實(shí)際含量達(dá)到3.0432m3/t，這與我國(guó)煤炭行業(yè)關(guān)于瓦斯突出的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求完全符合，充分表示該區(qū)域所采取的措施是有效的[15]。

在具有相同地質(zhì)條件及瓦斯賦存情況的己15-12050機(jī)巷石門(mén)揭煤時(shí)，按傳統(tǒng)水力割縫施工方法，割縫半徑1m，共布置鉆孔18(排)×9(列)=162個(gè)，預(yù)抽瓦斯達(dá)標(biāo)時(shí)間為113d，揭煤效果對(duì)比見(jiàn)表1，相比于傳統(tǒng)割縫施工方法，進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制后，鉆孔數(shù)量減少43.8%，揭煤所花時(shí)間縮短27.4%。

表1 揭煤效果對(duì)比

可見(jiàn)煤層水力割縫轉(zhuǎn)速控制提高射流切割半徑效果明顯，進(jìn)一步增加了煤層卸壓范圍，提高瓦斯抽放效率，從而減少了鉆孔施工量及預(yù)抽時(shí)間，總體上縮短了石門(mén)揭煤時(shí)間。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)割縫半徑與鉆桿轉(zhuǎn)速和割縫時(shí)間呈現(xiàn)出非常近似于冪指數(shù)關(guān)系。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析、計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，針對(duì)松軟煤層實(shí)施高壓水射流割縫的過(guò)程中，鉆桿轉(zhuǎn)速各項(xiàng)參數(shù)最佳狀況為：割縫時(shí)間t=0～5min時(shí)，鉆桿轉(zhuǎn)速n=60r/min；t=5～10min時(shí)，n=50r/min；t=10～15min時(shí)，n=40r/min；t=15～20min時(shí)，n=30r/min。

2)針對(duì)平寶煤業(yè)己15-12050風(fēng)巷進(jìn)行嚴(yán)格考察后發(fā)現(xiàn)，針對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行嚴(yán)格控制后實(shí)際的割縫半徑能夠達(dá)到1.5m，其結(jié)果與理論計(jì)算非常相似。

3)通過(guò)優(yōu)化鉆孔布置及施鉆方案，在平寶煤業(yè)己15-12050機(jī)巷石門(mén)揭煤工作面具體實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)施工。針對(duì)施工結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，煤層割縫轉(zhuǎn)速控制技術(shù)較傳統(tǒng)割縫，鉆孔數(shù)量減少了43.8%，揭煤時(shí)間縮短了27.4%。