1、鉆割一體化設備本煤層割縫防突應用研究陸海龍，吳海進，張海賓，張志雨，李文霞（中國礦業大學 安全工程學院 ，江蘇 徐州 221008）摘要：鉆割一體化防突設備是將高壓磨料射流割縫技術與鉆孔施工技術相結合的，實現打鉆、孔內割縫一體的治理煤礦煤與瓦斯突出的新型裝備。本文詳細介紹了該設備的一次現場本煤層割縫消突應用過程，分析了現場應用效果，證明了鉆割一體化防突設備在對高瓦斯低滲透性煤層有著良好的卸壓增透作用。該設備將成為煤礦防治煤與瓦斯突出的一項行之有效的新措施，新裝備。關鍵詞：鉆割一體化；煤與瓦斯突出；高壓磨料射流；本煤層割縫；卸壓增透中圖分類號：TD7 文獻標識碼：AResearch on Int

2、egration of Drilling -cutting Equipment Cutting Coal-seam to Prevent Coal and Gas OutburstLu-Hailong; Wu-Haijin; Zhang-Haibin; Zhang-Zhiyu；Li-Wenxia(School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China)Abstract: Drilling-cutting integration equipment

3、 is a-new equipment that combine high-pressure abrasive jet technology and drilling technology, achieved drilling and slotting integrated, which manage coal and gas outburst in coal mines. This paper described an application process of equipment cutting coal-seam to prevent coal and gas outburst, al

4、so analyzed the effect of the application process, proved that the equipment played a positive role on pressure relief and permeability increasing in high-gas and low-permeability coal-seam. The equipment will be an effective new initiatives and equipment to prevent coal and gas outburst.Key Words:

5、Integration of Drilling-cutting; Coal and gas outburst;High-pressure abrasive water jet; Cut coal-seam; Pressure relief and permeability increasing 基金資助：國家自然科學基金資助項目（50534090，50574093）國家重點基礎研究發展計劃（2005CB221506）煤與瓦斯突出是制約煤礦安全生產的重要影響因素之一，隨著煤炭生產的高效集約化和開采深度的增加，瓦斯涌出量越來越大，瓦斯突出的危險性越來越嚴重。因此，高效率、有效地解決高瓦斯低滲透煤層

6、開采過程中的瓦斯突出問題，對煤礦安全生產具有十分重要的意義。鉆割一體防突設備將高壓磨料射流技術與鉆孔施工技術相結合，實現鉆孔，孔內煤層割縫一體化，使鉆孔內煤體卸壓增透，擴大瓦斯排放有效影響范圍，提高鉆孔瓦斯抽放效果，有效的提高了礦井生產的安全性。1.工作面地質概況本次現場施工地點為平寶煤業（集團）公司首山一礦己15-12010采面，采面走向長度（可采）1114m，采長210m，采高3.5m，可采儲量107.3萬噸。該采面風巷標高為：-580m-620m；機巷標高為：-600m-680m。己15-12010采面煤層結構單一，厚度一般在2.914.71 m，平均3.50 m，與己16-17煤層間距

7、為26 m。煤層傾角變化較大，在白石山背斜軸部坡度平緩，幾乎在0°左右，在機巷里段坡度較大，一般為11°左右。煤層直接頂板大部為中厚厚層狀泥巖、砂質泥巖,局部為中厚層狀細粒砂巖,厚度0.629.60m，一般36m，因該采面緊鄰白石山背斜軸，斷層裂隙發育，頂板巖石破碎，巖體完整性差，大部為類,局部為類。直接底板大部為泥巖、砂質泥巖，厚度一般0.504.0m，平均3.43m，局部為細粒砂巖，厚度07.00m，平均厚4.63m，底板飽和抗壓強度平均為20.7MPa，屬松軟類底板。煤層底板灰巖巖溶裂隙含水層一般由34層灰巖組成（L7L10），厚度13.9723.40m，平均17.4

8、8m，埋深多在-600m以下，富水性弱極弱。L10灰巖頂界至煤層底板間距4.7010.19m，平均6.37m，巖性以泥巖、砂質泥巖為主，其次為粉細砂巖，自然狀態下為隔水層。煤層頂板砂巖孔隙裂隙承壓含水層由24層細中粗粒砂巖組成，厚15.1949.72m，平均32.29m，富水性弱極弱。采面內DXF21斷層控制程度較差，可能斷至寒武系灰巖而具有較強導水性；DF18和F13逆斷層控制程度可靠，F13逆斷層斷裂帶本身富水性弱或不富水。DXF21斷層、F13高溝逆斷層可能具有較強的導水性。2.鉆割一體化設備防突現場應用2.1掘進巷道割縫鉆孔布置2.1.1割縫孔角度根據防突細則規定，超前鉆孔的控制范圍應

9、控制到巷道斷面輪廓線外24m，（包括巷道斷面內的煤層），因此超前鉆孔應與巷道走向有一定的夾角。由此，磨料割縫時割縫孔的有效控制范圍也應控制到巷道斷面輪廓先外24m。2.1.2鉆孔間距割縫孔間距的確定應取決于割縫的有效影響半徑。根據鉆割一體化防突設備的實驗室實驗測得，其有效影響半徑最大可達4m。因此為保證防突效果，在己15-12010采面布置的割縫孔孔距設計為2米。2.1.3割縫深度應用鉆割一體化設備進行割縫，考慮到設備的能力和掘進速度，設計割縫孔深15m。綜上所述，如下圖1、2所示布置割縫鉆孔。 圖1 割縫鉆孔開孔位置圖（單位：cm） 圖2 鉆割一體化割縫鉆孔布置平面圖Fig.1 The lo

10、cation of the slotted bores Fig.2 The layout of the slotted bores2.2安全技術措施各設備進行連接完畢后，使用該設備前應當確保各方面的安全，具體高壓磨料射流割縫安全措施如下：（1）高壓磨料射流割縫試驗施工前要對所有參與施工的人員進行安全技術培訓及操作培訓。鉆機司機要持證上崗。（2）高壓磨料射流割縫裝備運輸要嚴格按照煤礦安全規程規定運輸，嚴禁帶電移動。（3）水力割縫過程中，距頂板0.150.2m范圍內要吊掛瓦斯便攜儀，隨時掌握鉆場瓦斯情況，當迎頭瓦斯達到0.7%以上時，必須停止施工，只有當瓦斯降到0.5%以下時方可繼續施工。（4）本

11、產品在煤礦井下使用時，必須配用符合防爆要求的高壓膠管，接頭、閥門等，高壓膠管嚴禁互相纏繞，以免管內壓力升高高壓管彈起造成人身傷害和財產損失。（5）每次試驗前必須檢查高壓磨料射流割縫機具、高壓膠管是否有鼓泡、破損、漏水等現象，若發現應立即更換。井下每次施工完畢由跟班干部指定專人負責整理，盤好放置在指定地點。（6）高壓泵開啟前開泵司機要詳細檢查高壓泵的潤滑情況，水箱的水位。（7）使用前及使用中請密切注意各接口的情況，如有異常，請立即停止操作，待故障排除后方可繼續使用。（8）割縫過程中，試驗人員要站到安全位置，防突隊要設專人觀察，發現瓦斯、頂板異常、片幫或動力現象時，要立即組織人員撤退。（9）水力割

12、縫時，由防突隊指派兩人負責操作水槍，其他人員全部站到鉆場外面，并由防突隊跟班干部負責觀看，發現異常（瓦斯、動力現象等）及時停止施工，采取措施。（10）水力割縫時，要有經過專門培訓的人員控制閥門，并密切注意割縫情況和水壓表讀數，當發現有動力現象或水壓超過30mpa時立即卸壓。（11）水力割縫開口位置距孔口不能小于5m，保持5m安全距離。（12）每次施工之前防突隊防爆電工要進行防失爆檢查，嚴禁電氣失爆。2.3掘進巷道施工過程及步驟根據事先設計鉆孔的參數，在打鉆過程中，先完成排放孔，然后在需要進行割縫的位置，進行鉆割一體割縫卸壓。（1）首先利用鉆機動力在掘進工作面進行打消突鉆孔，形成消突措施的第一步

13、“點”消突；（2）當鉆孔深度達到預定要求位置時，開啟磨料系統，進行高壓磨料射流割縫消突，同時利用鉆機動力進行退鉆，割出三個卸壓面，形成消突措施的第二步“面”消突；（3）根據設計在工作面整體布置鉆孔割縫，實現整體割縫卸壓，實現消突措施的第三步“體”消突。校檢后再根據敏感指標的大小決定掘進進尺，以確保達到安全快速掘進的目的。3.效果檢驗3.1現場煤體位移量測試實施高壓磨料射流割縫措施中及完成后，煤體承受的三向平衡應力受到破壞，應力重新分布，集中應力帶向煤體深部及兩幫推移，導致工作面附近煤體和頂板分別在水平方向與垂直方向均發生了一定的位移。本次試驗采用位移量測定儀進行測定。儀器測試原理是：在采取高壓

14、磨料射流割縫后，煤體主要是沿垂直于縫槽平面方向移動，通過測量割縫前后鉆孔測點A與深基點O鋼絲長度的相對變化L，通過幾何關系算出煤體A點的位移S。如圖3所示。圖3 煤體位移量測試示意圖Fig.3 The sketch map of the coal displacement test依照方案在工作面前方煤體進行了3次位移量測試，工作面距開口423米，煤的堅固性系數f是0.3，測試結果如下，見圖4。圖4 鉆孔各測點沿垂直于縫槽平面方向位移量的變化曲線Fig.4 The curves of the coal displacement 3.2 高壓磨料割縫前后效檢指標的變化情況圖5 Q值隨掘進日期的變

15、化Fig.5 The Q value change of the date of excavation圖6 S值隨掘進日期的變化Fig.6 The S value change of the date of excavation由以上兩個圖可以看出從開始實驗后工作面危險性檢驗預測超標的比例大大降低，對嚴重噴孔、夾鉆等動力現象起到了明顯地控制作用。3.3 鉆割一體化設備割縫期間的巷道瓦斯濃度變化情況在割縫過程中煤體發生變形呈現顯著卸壓作用、瓦斯涌出量大幅度提高等變化。開始割縫前，應力集中帶的煤體因受應力集中的影響，煤層裂隙閉合，煤體透氣性差，煤層封存大量的吸附瓦斯。在高壓磨料射流的沖擊下快速改變

16、煤體應力集中的狀態，促使應力向煤體深部和兩幫轉移，煤層卸壓，閉合裂隙張開，煤層透氣性增加，導致大量吸附狀態的瓦斯迅速解吸，隨著割縫深入到孔底時瓦斯涌出量上升到頂峰，瓦斯排放速度到一定時候呈現衰減趨勢。割縫過程瓦斯濃度變化：在割縫過程中巷道瓦斯濃度最大為0.65%,比沒有割縫前的瓦斯濃度增加了2倍，如圖7所示。圖7 割縫過程中巷道瓦斯濃度變化曲線Fig.7 The curves of the concentration of the gas in the laneway3.4措施有效半徑考察（1）鉆孔瓦斯流量法的測試原理：鉆孔瓦斯涌出量（涌出初速度）是一項表征煤層突出危險性的重要參數和預測指標。

17、它的大小及變化規律，決定了煤體的物理力學性質、煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力和煤層應力應變狀態。實施高壓磨料射流割縫過程中，隨著工作面前方縫槽的形成，縫槽周圍煤體瓦斯賦存的平衡狀態遭到破壞，煤體閉合裂隙張開，吸附瓦斯解吸，并沿裂隙相互溝通運動，必將影響該范圍內煤體的鉆孔瓦斯涌出，煤體的鉆孔瓦斯涌出量在割縫前后有較大變化，通過測試鉆孔瓦斯涌出量的變化，可判斷水力割縫措施的有效影響半徑。（2）措施有效半徑考察布置方法在抽放鉆場布置考察鉆孔，孔徑42mm，孔深89m,測試考察孔距巷道中心線的距離。利用聚氨酯化學封孔材料鉆孔進行封孔，封孔室不小于1m。鉆孔密封后,立即測定并記錄鉆孔的瓦斯流量，之后每隔10

18、min測定一次。割縫中測量鉆孔中瓦斯流量隨時間的變化。如果連續三次測定測量孔內的瓦斯流量都比措施前提高10%以上，即認為該測量孔處于割縫措施的有效影響范圍內。符合本項中的上述測量孔距縫槽的邊緣的最遠距離即為割縫措施的有效半徑。（3）措施有效半徑考察結果如下：圖8 措施有效半徑考察圖 Fig.8 The inspection of the effective radius of the measure從上圖可以看出，距縫槽邊緣4m范圍內瓦斯涌出量明顯增大，根據判別指標，認為割縫影響范圍在45m。4.結論(1) 實施鉆割一體化割縫過程中, 在高壓磨料水射流的沖擊下,快速改變了煤體應力集中的狀態,促使應力向煤體深部和兩幫轉移,煤層卸壓,煤層透氣性增加,