高壓脈沖水射流快速石門揭煤技術(shù)及應(yīng)用研究2.ppt

1、高壓脈沖水射流快速石門揭煤技術(shù)及其應(yīng)用研究單位：重慶大學(xué)、鐘平能化集團(tuán)瓦斯研究所、記者：呂有昌，該技術(shù)旨在研究一種利用高壓脈沖水射流提高低滲透煤層滲透率、強(qiáng)化瓦斯分析的新方法，開發(fā)集鉆孔、切割、沖屑、水力壓裂于一體的快速石門揭煤關(guān)鍵技術(shù)及成套設(shè)備，并將其應(yīng)用于煤礦石門揭煤工程中，以提高鉆孔速度、提高瓦斯抽采效率、提高瓦斯抽采效率。報(bào)告內(nèi)容，第一，研究背景和意義，主要研究?jī)?nèi)容，第二，技術(shù)進(jìn)步和推廣效果，第三，第四，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，第五，工程應(yīng)用實(shí)例，中國(guó)是世界上煤與瓦斯突出最嚴(yán)重的國(guó)家之一。截至2009年，僅國(guó)有重點(diǎn)煤礦就有250多對(duì)突出礦井，發(fā)生突出事件3萬余起，石門揭煤突出頻率約占總數(shù)的6.

2、7%，原有的安全技術(shù)已難以適應(yīng)當(dāng)前煤礦安全高效生產(chǎn)的迫切需要。1.研究背景和意義，爆破工，煤與瓦斯突出案例。2009年5月30日，松藻通化煤礦揭煤發(fā)生特大突出，突出煤3000噸，瓦斯28.2萬立方米，死亡30人。2009年11月21日，鶴崗新興煤礦意外揭煤發(fā)生特大突出，煤與巖石突出3098噸，瓦斯166300立方米，造成瓦斯爆炸，108人死亡。1，瓦斯參數(shù)測(cè)量，突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，2，截割半徑調(diào)查，區(qū)域措施初步起草，3，高壓脈沖水射流石門揭煤方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案審查，4，區(qū)域防突措施制定，區(qū)域措施效果試驗(yàn)，區(qū)域措施效果驗(yàn)證，5，安全保護(hù)下的揭煤，石門揭煤安全評(píng)價(jià)，平頂山礦區(qū)是煤與瓦斯突出、沖擊地壓和

3、地溫高的重災(zāi)區(qū)。隨著開采的深入，瓦斯含量、瓦斯壓力和地溫逐年增加，突出危險(xiǎn)性不斷增加。有15對(duì)煤與瓦斯突出礦井和3對(duì)沖擊地壓礦井。自1984年礦區(qū)首次煤與瓦斯突出以來，共發(fā)生154次突出，平均突出量112.9t/次，平均突出量6864 m3/次，3次石門揭煤突出，占2.0%。2010年6月13日，十三礦通過煤閘門時(shí)發(fā)生煤與瓦斯突出事故，突出煤1133噸，瓦斯涌出27.2萬m3。石門揭煤中的煤與瓦斯突出是最有害的突出形式之一，突出量大，突出強(qiáng)度高。1.石門揭露的突出煤層嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全，開采深度變化時(shí)的瓦斯壓力和含量表具有以下特點(diǎn)：突出危險(xiǎn)性高(深部大于30m3/t)、開采深度大(部分礦井深

4、度超過千米)，煤層滲透系數(shù)為0.0001-0.0228 mD，屬于低滲透難抽煤層；2.平煤礦區(qū)煤層氣賦存特征：3鉆孔過程中，瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象明顯，巷道瓦斯超標(biāo)；排水濃度低，排水量少，排水時(shí)間長(zhǎng)；石門揭煤時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了采煤的正常接替。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，擴(kuò)大煤層卸壓范圍、增加煤層透氣性是預(yù)防煤與瓦斯突出、縮短石門揭煤周期的主要思路。主要措施有：振動(dòng)爆破和松動(dòng)爆破、水力沖孔、水力壓裂、酸化等。存在設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、效果不明顯等問題。關(guān)鍵的科學(xué)問題是如何誘發(fā)低滲透煤層的煤應(yīng)力場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化，促進(jìn)煤層裂隙的充分發(fā)育，提高煤層的滲透性和瓦斯分辨率。關(guān)鍵技術(shù)問題是如何提高瓦斯抽放半徑，5。要解決的

5、關(guān)鍵科技問題。主要研究?jī)?nèi)容：快速石門揭煤關(guān)鍵技術(shù)及工藝研究，高壓脈沖水射流在煤層中的動(dòng)態(tài)效應(yīng)研究，高壓脈沖水射流的動(dòng)態(tài)特性研究，高速脈沖水射流的動(dòng)態(tài)特性研究，利用赫爾姆茲振蕩室內(nèi)高速水流的渦流特性和磨料的卷吸特性， (1)高壓脈沖水射流形成機(jī)理的研究，特征一：壓力脈沖特征，射流會(huì)產(chǎn)生高速脈沖，其振蕩頻率可達(dá)2001000赫茲，脈沖峰值壓力為平均壓力的2.5倍。 (2)高壓脈沖水射流的動(dòng)力學(xué)特性研究，高壓脈沖水射流中磨粒的運(yùn)動(dòng)方程，以及第二個(gè)特性：自激空化。在淹沒條件下，壓力振蕩會(huì)誘發(fā)空化，當(dāng)空化在很短時(shí)間內(nèi)崩潰時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓(100MPa)和空化聲振動(dòng)(120Bb)。建立了多相振蕩射流中氣

6、泡破裂過程的動(dòng)力學(xué)模型：第三個(gè)特征是切割和破碎煤和巖石的特征。高壓脈沖水射流主要對(duì)煤巖進(jìn)行脈沖動(dòng)態(tài)破碎。在極其堅(jiān)硬的巖石-花崗巖上進(jìn)行切割和破碎實(shí)驗(yàn)。用純水射流實(shí)現(xiàn)有效切割需要600兆帕，而用脈沖磨料射流實(shí)現(xiàn)同樣的效果只需要20兆帕。2.高壓脈沖水射流在煤層中的動(dòng)力效應(yīng)研究第一個(gè)動(dòng)力效應(yīng)是增加瓦斯涌出的自由面，促進(jìn)煤的卸壓，利用高壓脈沖水射流對(duì)低滲透煤層進(jìn)行脈沖沖擊鉆孔和深槽切割，增加瓦斯涌出的自由面，促進(jìn)煤的大規(guī)?？焖傩秹海岣呙簩拥臐B透性，促進(jìn)瓦斯的分解。高壓脈沖水射流作用下煤體中任意點(diǎn)的應(yīng)力，動(dòng)態(tài)效應(yīng)2:動(dòng)態(tài)開裂，激發(fā)裂縫連通性，高壓脈沖水射流的壓力脈動(dòng)沖擊在孔、槽周圍煤體中產(chǎn)生交變應(yīng)力

7、，促進(jìn)煤體動(dòng)態(tài)開裂，激發(fā)裂縫連通性，進(jìn)一步增強(qiáng)煤層滲透性和瓦斯分析。在高壓脈沖水射流的作用下，煤的斷裂長(zhǎng)度(l)可以用以下公式表示，動(dòng)力效應(yīng)3:利用多相振蕩射流產(chǎn)生的應(yīng)力波和聲振波，增強(qiáng)氣體的吸附，減弱氣體的吸附力，為氣體解吸提供能量。當(dāng)氣體獲得的能量達(dá)到分析臨界值時(shí)，將沿裂縫大量分析，多相振蕩射流作用下氣體分析的數(shù)學(xué)模型為3360，氣體吸附量將減少30%左右。動(dòng)態(tài)效果下的效果?？焖偈T揭煤關(guān)鍵技術(shù)及工藝研究：(1)鉆孔-切屑-沖洗多功能鉆機(jī)，多功能鉆機(jī)鉆孔時(shí)，軸向自激振蕩噴嘴產(chǎn)生的脈沖射流切割碎煤，冷卻鉆機(jī)的截齒。鉆頭的截齒由直接截碎煤改為磨渣擴(kuò)孔，使煤渣非常細(xì)，回水時(shí)能快速平穩(wěn)排出。煤層高

8、壓脈沖水射流切割半徑可達(dá)1.5-2.0m，提高了瓦斯抽采半徑。(2)實(shí)驗(yàn)研究和參數(shù)確定：對(duì)高壓泵切割的煤樣進(jìn)行煤巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)試；確定高壓脈沖水射流破煤的壓力和流量以及高壓脈沖水射流的參數(shù)；高壓脈沖水射流沖擊煤巖時(shí)，影響高壓脈沖水射流對(duì)煤巖沖擊力的兩個(gè)主要參數(shù)是壓力和流量。(4)研究快速石門揭煤系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備，開發(fā)集鉆孔、開槽、沖屑、水力壓裂于一體的快速石門揭煤關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)裝置。1-水箱；2-乳化泵；3.高壓水管；4腳開關(guān)；5-高壓密封水輸送機(jī)；6-鉆機(jī)；7-高壓鉆桿；8-自動(dòng)切換式縱切機(jī)；9-自激振蕩鉆頭，鉆孔和開槽現(xiàn)有設(shè)備：腳踏開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，改變水流方向；研發(fā)設(shè)備；50毫米高壓密封鉆桿

9、不漏35兆帕高壓水；高壓密封輸水器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的高壓輸水；自激振蕩鉆頭鉆氣體預(yù)抽孔；自動(dòng)切換式切縫機(jī)在25兆帕?xí)r完成輔助鉆孔的切縫工作，在5兆帕?xí)r完成切縫工作；設(shè)備的規(guī)格和型號(hào)。(5)高壓脈沖水射流鉆孔割縫系統(tǒng)石門揭煤技術(shù)；(3)工程應(yīng)用實(shí)例。目前，該技術(shù)已在重慶、貴州、四川、河南等32個(gè)煤礦的石門揭煤工程中得到應(yīng)用。三會(huì)一礦、大同一礦、磨心坡礦、榆陽煤礦、馮春煤礦、松藻煤礦、石昊煤礦、三會(huì)三礦、玉天寶煤礦、南通煤礦、平煤四礦、平煤四礦、1。平煤四礦，(1)位置：三水平副井15號(hào)專用回風(fēng)巷，平煤四礦與重慶，實(shí)施石門揭煤：石門揭煤吉16、吉15煤層。對(duì)比石門：(2)鉆孔布置，冀17煤層石門揭煤，鉆孔

10、93個(gè)，揭煤66個(gè)；(3)施工過程中，冀16、冀15煤層石門揭煤，共63個(gè)鉆孔，33個(gè)揭煤，分別有33個(gè)和15個(gè)切眼。每個(gè)孔的截割時(shí)間為2040分鐘，壓力為2832兆帕，截割煤量一般為0.10.3噸。排水完成后，10月18日，h2和q分別測(cè)試為40Pa和0.20升/分鐘。10月26日，揭煤工作完成。2009年10月31日鉆鑿?fù)咚钩榉趴祝?1月9日施工完畢。每個(gè)孔的截割時(shí)間一般為1232分鐘，截割煤量一般為0.10.3噸。排水完成后，11月13日，h2和q分別測(cè)試為48Pa和0.22L/min。11月20日，15號(hào)煤層揭煤工作完成。(4)對(duì)比瓦斯預(yù)抽孔數(shù)，采用高壓脈沖水射流割縫技術(shù)后，冀16、冀

11、15煤層石門揭煤孔數(shù)減少33個(gè)，孔數(shù)減少35.5%。(5)揭煤時(shí)間對(duì)比分析表明，鉆孔時(shí)間分別縮短了41%和58%。石門揭煤時(shí)間分別縮短35%和40%。1)單個(gè)橫斷面上的孔數(shù)從93個(gè)減少到現(xiàn)在的63個(gè)，平均孔數(shù)減少了35.5個(gè)；2)鉆孔時(shí)間縮短4158；3)石門揭煤時(shí)間縮短3540。(6)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到，2。松藻煤礦，(1)位置：石門，175N2#，煤層瓦斯賦存條件：埋深：548.2米煤層平均厚度1.3米煤層堅(jiān)固性系數(shù)f0.38瓦斯含量19.96立方米/噸瓦斯壓力1.12兆帕K1max0.85mL毫升/米1/2原始滲透系數(shù)0.038473平方米。Mpa-2.d-1，(2)鉆孔布置，175N2#石門

12、孔布置剖面7月1日-9月9日：經(jīng)過81天的瓦斯抽放，瓦斯抽放各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到石門揭煤要求。9月10日-10月9日：K1煤層被揭開，揭開了K1煤層的5米、3米和1.5米的巖柱，穿過煤閘門，穿過煤閘門，歷時(shí)30天。(4)排水?dāng)?shù)據(jù)、單孔瓦斯?jié)舛?、單孔瓦斯?jié)舛?、單孔瓦斯?jié)舛缺葐慰淄咚節(jié)舛忍岣吡?5.8倍。1)單孔氣體濃度、2)單孔氣體流量、開縫孔單孔氣體流量，開縫孔平均單孔氣體流量是未開縫孔的10倍以上。3)氣體泵送能力，泵送氣體純量為34329.6m3，評(píng)價(jià)差后為25747.2m3，氣體預(yù)抽率為45.42；預(yù)抽面積擴(kuò)大到1456.35m2；K1煤層瓦斯流動(dòng)衰減系數(shù)為0.0072d-1。4)瓦斯分析指標(biāo)

13、，175N2#石門孔K1值，(5)揭煤防突工程量及揭煤時(shí)間，(1)鉆孔數(shù)量：與同類石門相比減少32個(gè)，減少53.2%；2)鉆進(jìn)進(jìn)尺：434.6米，比同類石門低33.7%；3)揭煤時(shí)間；與30天內(nèi)的同類橫切相比，減少了44.8%。該技術(shù)已在松藻煤礦7個(gè)石門揭煤中得到應(yīng)用，取得的技術(shù)指標(biāo)如下：1)瓦斯抽放孔由80100個(gè)減少到3035個(gè)；2)預(yù)抽瓦斯時(shí)，瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采量為(6)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)；(4)技術(shù)進(jìn)步和推廣效果。該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)高壓脈沖水射流的脈沖峰值壓力是平均壓力的2.5倍，穿透煤巖的能力提高了72。(2)產(chǎn)生的煤渣很細(xì)，可隨回水快速平穩(wěn)排出，減少了鉆孔和噴孔的可能性，大大增加了切割槽的深度和寬度，有效降低了所需的推力和扭矩。(3)高壓脈沖水射流在低滲透高瓦斯煤層中的沖擊、振動(dòng)、空化和聲沖擊等動(dòng)力效應(yīng)，可誘發(fā)煤層應(yīng)力場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化，促進(jìn)吸附氣體的解吸，提高煤層的破裂速率和滲透性。高壓脈沖水射流快速石門揭煤技術(shù)與原技術(shù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比：推廣效果：目前，高壓脈沖水射流快速石門揭煤技術(shù)已在河南、重慶、貴州、四川等32個(gè)煤礦的石門揭煤工程中得到應(yīng)用，有效提高了煤層透氣性，提高了瓦斯抽采率，縮短了石門揭煤時(shí)間，解決了突出礦井“采”與“掘”的