煤層水力沖孔卸壓增透技術(shù)

1、集團(tuán)有限公司研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)書(shū)研發(fā)項(xiàng)目名稱(chēng):煤層水力沖孔卸壓增透技術(shù)1=1申請(qǐng)承擔(dān)單位: 對(duì)外合作單位: 領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)人:項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：研究起止時(shí)間：集團(tuán)有限公司制集團(tuán)有限公司研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)書(shū)研發(fā)項(xiàng)目名稱(chēng)煤礦水力沖孔卸壓增透技術(shù)一、立項(xiàng)依據(jù)（一）、項(xiàng)目背景、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)煤礦生產(chǎn)規(guī)模為60萬(wàn)t/a，礦井可采煤層4層，即4、5、9、13號(hào)煤層，其中僅9號(hào)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(hào)煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告和貴州省能源局文件（黔能源發(fā)【2012】498號(hào)）關(guān)于畢節(jié)市工業(yè)與能源委員會(huì)關(guān) 于請(qǐng)求審批畢節(jié)市2012年度礦井瓦斯等級(jí)鑒定報(bào)告的批復(fù)結(jié)論為：礦井

2、絕對(duì)瓦斯涌出量為2.95m3/min，瓦斯放散初速度 P=31；堅(jiān)固性系 數(shù)f=0.33；瓦斯壓力P=0.80MPa； 9號(hào)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(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性， 為突出煤層，礦井按有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)進(jìn)行管理。隨著礦井的開(kāi)采，礦井石門(mén)揭煤工作面及煤巷掘進(jìn)工作面面臨煤層突出危險(xiǎn)性威脅及瓦斯涌出量增加對(duì)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(shí)間，達(dá)到提高抽采量、減少措施工程量、縮短措施時(shí)間和實(shí)現(xiàn)安全快速消除工作面突出危險(xiǎn)目的，防治突出和治理 瓦斯超限問(wèn)題，礦井將進(jìn)行煤層水力沖孔增透技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者很早以前就開(kāi)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(shí)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?chē)后w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(dòng)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(guò)裂隙運(yùn)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(rùn)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(guò)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(gè)安全區(qū)域內(nèi)，破壞了突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件，進(jìn)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(gè)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(mén)揭煤前未揭開(kāi)煤層，煤層沒(méi)有卸壓，透氣性低，需要耗費(fèi)大量時(shí)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(shí)現(xiàn)安 全快速區(qū)域消突。（二）項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)對(duì)本企業(yè)、行業(yè)的推動(dòng)（帶動(dòng)）作用穿層鉆孔預(yù)抽煤

5、層瓦斯是突出礦井無(wú)保護(hù)層開(kāi)采時(shí)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(jìn)過(guò)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(kuò)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(kuò)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(jī)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(jī)的符合也驟然增大，給鉆孔施工帶來(lái)一定的難度。穿層鉆孔的穿煤段長(zhǎng)度占整個(gè)鉆孔長(zhǎng)度的比例較小，一

6、 般為幾十分之一，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面綜合考慮完全沒(méi)有必要整個(gè)鉆孔都采用大直徑鉆孔施工的方法。對(duì)掘進(jìn)巷道所在煤層進(jìn)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(shí)可實(shí) 現(xiàn)消突措施與掘進(jìn)施工的時(shí)間和空間分離，兩者的平行作業(yè)使得快速掘進(jìn)成為現(xiàn)實(shí)，有效的緩解了礦井接替緊張的局面。（三）現(xiàn)有研究開(kāi)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(jìn)一步消除煤層突出危險(xiǎn)性。礦井一采區(qū)9號(hào)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(lèi)型為IV類(lèi)，堅(jiān)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(hào)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(fèi)大量時(shí)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(shí)間，防止突出和治理瓦斯超限問(wèn)題，實(shí)施煤層水力沖孔 增透技術(shù)可行。二、研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容和目標(biāo)（一）項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)本

8、項(xiàng)目主要采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)水力沖孔基礎(chǔ)理論及 技術(shù)進(jìn)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(cè)定測(cè)定試驗(yàn)地點(diǎn)預(yù)抽煤層的瓦斯壓力（含量）、突出指標(biāo)值、一定時(shí)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(píng)價(jià)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(jī)理和破煤機(jī)理的研究根據(jù)沖擊破壞模型流動(dòng)特性的分析對(duì)水里沖孔的卸壓增透機(jī)理進(jìn)行研究，擬采用邊界層 理論結(jié)合應(yīng)力波理論定量計(jì)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(shí)際中所取煤樣計(jì)算出沖孔破煤水壓值，并對(duì)管路壓降進(jìn)行合理的計(jì)算得到 優(yōu)化后的泵壓。從三個(gè)方面探討水

9、力沖孔對(duì)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(duì)礦用高壓水泵、沖孔鉆機(jī)等設(shè)備進(jìn)行選型，以增強(qiáng)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(zhǎng)度、沖孔時(shí)間、沖孔煤量等。4、水力沖孔消突效果的考察。測(cè)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(duì)比考察實(shí)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(jì)指標(biāo)對(duì)掘進(jìn)巷道所在煤層進(jìn)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(shí)可實(shí)現(xiàn)消突措施與掘進(jìn)施工的時(shí)間和空間分離， 兩者的平行作業(yè)使得快速掘進(jìn)成為現(xiàn)實(shí)，有效的緩解了礦井接替緊張的局面。三、研究開(kāi)發(fā)方法及技術(shù)路線(xiàn)首先利用高壓水射流破碎煤體，在一定時(shí)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?chē)后w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(dòng)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(guò)裂隙運(yùn)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(rùn)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(guò)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(gè)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(mén)揭煤采用水力沖孔后并進(jìn)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(xiǎn)性，消突卸壓增透效果明顯，實(shí)現(xiàn)安全揭開(kāi)煤層。四、計(jì)劃工作進(jìn)度2016年3月-4月：計(jì)劃設(shè)計(jì)準(zhǔn)備煤層水力沖孔技術(shù)資料；2016年5月：籌集購(gòu)置設(shè)備資金和設(shè)備選型；2016年6-7月：采購(gòu)相關(guān)設(shè)備并驗(yàn)收；2016年8-9月：開(kāi)始實(shí)

12、施煤層水力沖孔技術(shù)和實(shí)施效果評(píng)價(jià)。五、研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目組人員名單姓名性別出生年月工作單位專(zhuān)業(yè)職稱(chēng)在本項(xiàng)目中承擔(dān)工作六、費(fèi)用預(yù)算情況分項(xiàng)支出主要名稱(chēng)和數(shù)量預(yù)算1、研發(fā)活動(dòng)購(gòu)置設(shè)備費(fèi)用ZYWL-4000型履帶式鉆機(jī)2臺(tái) BRW80/31.5 型號(hào) 1 臺(tái)120萬(wàn)元2、研發(fā)活動(dòng)直接消耗的材料費(fèi)用6萬(wàn)元3、研發(fā)活動(dòng)直接消耗的燃料和動(dòng) 力費(fèi)用2萬(wàn)元4、專(zhuān)門(mén)用于研發(fā)活動(dòng)的有關(guān)儀 器、設(shè)備折舊費(fèi)用萬(wàn)元5、專(zhuān)門(mén)用于研發(fā)活動(dòng)的有關(guān)儀 器、設(shè)備租賃費(fèi)用萬(wàn)元6、專(zhuān)門(mén)用于研發(fā)活動(dòng)的有關(guān)軟 件、專(zhuān)利權(quán)、非專(zhuān)利技術(shù)等無(wú)形 資產(chǎn)攤銷(xiāo)費(fèi)用萬(wàn)元7、專(zhuān)門(mén)用于中間試驗(yàn)和產(chǎn)品試制 的模具、工藝裝備開(kāi)發(fā)及制造費(fèi) 用萬(wàn)元8、直接從事研發(fā)活動(dòng)的本企業(yè)在 職人員費(fèi)用（含工資、津補(bǔ)貼、 獎(jiǎng)金等）5萬(wàn)元9、與研發(fā)活動(dòng)直接相關(guān)的其它費(fèi) 用（含新產(chǎn)品設(shè)計(jì)費(fèi)、新工藝規(guī) 程制定費(fèi)、技術(shù)圖書(shū)資料費(fèi)、資 料翻譯費(fèi)等）1萬(wàn)元10、研發(fā)成果論證、鑒定、評(píng)審、 驗(yàn)收等費(fèi)用3萬(wàn)元11、其他費(fèi)用（含差旅費(fèi)、會(huì)議 費(fèi)、專(zhuān)家咨詢(xún)費(fèi)等）2萬(wàn)元12、對(duì)外合作費(fèi)用5萬(wàn)元合計(jì)144萬(wàn)元本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)為144萬(wàn)兀，其中研究費(fèi)用16萬(wàn)兀，工