1、自激振蕩脈沖水射流割縫新技術在逢春煤礦石門揭煤中的應用研究盧義玉，葛兆龍，李曉紅，左偉芹，劉勇，王曉川，陸朝暉重慶大學 西南資源開發及環境災害控制工程教育部重點實驗室， 重慶，400044;摘要：針對西南地區煤礦石門揭煤周期長，嚴重制約了煤礦安全生產和采掘工作面接替等問題，提出了利用自激振蕩脈沖水射流在煤層中割縫，增加煤層透氣性，提高瓦斯解吸率，縮短石門揭煤時間的新思路。研究了高壓脈沖水射流自激振蕩的形成機理及其特性；研究了高壓脈沖水射流的自激振蕩特性對煤體裂隙率和瓦斯解吸率的影響規律；結合西南地區石門揭煤的特殊性，設計出了一套自激振蕩脈沖水射流鉆孔割縫裝置；通過實驗室試驗研究供水壓力、流量等

2、因素與切槽深度、寬度及瓦斯解吸率的關系，優化了自激振蕩噴嘴結構及高壓脈沖水射流的水力參數。通過在重慶逢春煤礦+523S4機軌巷揭M8煤層應用表明，使用自激振蕩脈沖水射流割縫在煤層中的影響范圍可達1.5m以上，增大了煤層瓦斯解吸能力，瓦斯釋放量提高了4.4倍，鉆孔數量減少了60%，縮短了工期達70天以上，提高了工效。關鍵詞：自激振蕩水射流；割縫；瓦斯抽放；石門揭煤 Application investigation into uncovering rock cross-cut coal by self-excited oscillation pulsed water jet slotting i

3、n Feng-Chun coal mine LU Yi-yu, GE Zhaolong, LI Xiaohong, ZUO Weiqin, LIU Yong, WANG Xiaochuan, LU Zhaohui(Education Ministrys Key Lab for the Exploitation of Southwestern Resources & Environmental Disaster Control Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400044,China)Abstract: The long per

4、iod of rock cross-cut coal uncovering seriously impairs the safety of coal mining production and restricts driving face supersedure in mine of southwest China. To solve the problem, a new idea using self-excited oscillation pulsed water jet slotting is proposed to improve the permeability of seam, i

5、ncrease the gas desorption rate, and shortens the cycle of rock cross-cut coal uncovering. Forming mechanism and characteristics of self-excited oscillation pulsed water jet, the effecting properties on cracked ratio of coal mine and the gas desorption rate are studied. Based on the particularity of

6、 rock cross-cut coal uncovering in southwest China, the device for drilling and slotting with self-excited oscillation pulsed water jet is designed. The hydraulic parameters of self-excited oscillation pulsed water jet and the self-excited oscillation nozzle structure are optimized by studying the p

7、ump pressure, flow rate, and their relationship with the depth and width of cutting and the gas desorption rate. Through application on Feng-Chun coal mine, the results show that the influent scale range of self-excited oscillation pulsed water jet reaches to 1.5m or more in coal seam, and the amoun

8、t of gas adsorption increases by 4.4 times. The efficiency of coal mining production is increased by reducing amount of drilling holes by 60%, and shortening construction period by more than 70 days.Key words: self-excited oscillation pulsed water jet; slotting; gas drainage; rock cross-cut coal unc

9、overing 基金項目：國家自然科學基金委專項創新研究群體基金項目(50621403)； 重慶市科委自然科學基金(CSTC,2006BA4011)作者簡介：盧義玉(1972-)，男，湖北京山人，重慶大學教授，博士生導師。Tel：02365106640，Email: luyiyu引言石門揭煤是一項危險性大、技術難度高的工作，往往成為制約礦井合理采掘部署的瓶頸問題。根據統計資料，重慶地區在國內是大中型煤礦煤與瓦斯突出最為嚴重的地區，礦井最大突出強度（上千噸的特大型煤與瓦斯突出）多數發生在石門揭煤工作面。南桐礦務局發生特大型煤與瓦斯突出8次，其中石門揭煤工作面發生6次，占特大型煤與瓦斯突出的75%

10、，最大突出強度8750t/次，瓦斯涌出量140萬m3。石門揭煤突出危險性比掘進工作面、回采工作面要嚴重得多。它的突出強度大、瓦斯涌出量多、突出瓦斯波及范圍廣，危害嚴重的特點給礦井職工的生命安全帶來極大的威脅，而且給國家財產造成巨大的損失。多年來， 重慶地區針對不同地質條件的煤田、不同煤層、不同突出危險性的石門揭煤工作面已形成水力沖孔、排放鉆孔、預抽瓦斯 、漸近法防突技術、金屬骨架 、直眼深孔全斷面爆破技術、直接采用振動爆破等石門揭煤防突技術措施。起到了一定的防突作用，但這些措施工藝復雜，揭煤工期過長(一般超過六個月)，嚴重影響礦井安全生產和正常接替。因此，迫切需要研究嚴重突出煤層石門快速揭煤新

11、技術，在保障礦井安全生產的基礎上，縮短揭煤時間，緩解礦井接替緊張局面1- 4。本文擬研究自激振蕩脈沖水射流及其破煤的壓力效應和動力效應；通過實驗室試驗探討水力壓力、切槽深度及寬度等與松軟煤層裂隙率之間的相互關系，優化水力參數；并應用于重慶市松藻煤電有限公司逢春煤礦。1自激振蕩脈沖水射流應用原理1.1 自激振蕩脈沖水射流原理自激振蕩脈沖水射流是利用水射流的不穩定流動特性，通過調整連續水射流的流動參數和結構參數，對水射流的渦量擾動進行閉環反饋和放大，將連續水射流改變為壓力脈動的沖擊式水射流，水射流作用在靶體材料上的力為按一定頻率周期性變化的高頻沖擊載荷。試驗和現場應用證明，這種沖擊力是連續水射流滯

12、止壓力的1.52.5倍，大大地提高了對靶體材料的沖蝕破壞作用5- 6。1.2自激振蕩脈沖水射流的割縫原理在自激振蕩脈沖水射流沿煤層割縫過程中，由于自激振蕩脈沖水射流的沖擊作用、振蕩作用、準靜壓作用和物理作用，一方面使煤巖骨架應力變化，導致煤體特性（如彈性模量、強度和滲透率等）變化，從而影響割縫煤體內瓦斯的流動和壓力分布；另一方面瓦斯運移狀態的變化又引起煤體骨架應力狀態的變化。自激振蕩脈沖水射流沖擊產生應力波，被沖擊區在強大應力波作用下處于絕對受壓狀態，當射流沖擊煤體的壓縮波傳播到煤體的自由表面時，煤體所受到的應力從入射時的壓縮應力變成全反射時的拉伸應力，當拉伸應力超過部分低強度煤體的拉伸強度時

13、，就促使煤體發生拉伸破裂，形成裂隙。這種應力波對瓦斯滲流有兩方面影響：一是導致煤體原始應力分布狀態完全改變，應力變化引起煤體裂隙發生變化，同時當瓦斯解析時，煤炭顆粒的表面張力增加，煤體就會收縮，其體積變小，增大了裂隙、孔隙的尺寸；另一方面，裂隙率變化會引起瓦斯滲透系數的變化。沖擊產生的應力波以地震波形式傳播，引起煤體變形的震動效應，使得裂隙內瓦斯原有的等溫、等壓平衡狀態被打破，造成裂隙內瓦斯的波動，波動會引起溫度升高即熱效應，這將加劇瓦斯的解吸；同時瓦斯的波動將引起裂隙局部的振動，波動引起的熱效應和振動隨應力波的強弱變化。煤層實施割縫后，不僅增大了瓦斯溢出的自由面，且由于煤體的破裂，在切割縫的

14、周圍形成較大范圍的高滲透裂隙區，從而更大幅度的增加了瓦斯的運移通道，使得在瓦斯抽采初期具有較大的瓦斯抽采速度。2實驗室試驗優化水力參數實驗室切割煤樣是從重慶松藻煤電公司逢春煤礦現場采集的，將采集的煤塊放入木箱內，然后用水泥進行包裹以防止其碎裂。煤塊的堅固性系數為0.35，自激振蕩噴嘴以10mm/s的速度移動。在試驗中采取調節靶距和泵壓來研究切割效果。 從試驗結果可以看出，隨著靶距的增加，沖蝕體積率逐漸增加，靶距增加到10d1時，沖蝕體積率達到最大值，后隨著靶距的增加，沖蝕體積率開始下滑，因此，本次試驗確定10d1為最優靶距。另一方面，如圖3所示，當水壓提高到20MPa以上時，切割深度便達到1.

15、5m以上，能夠保證提高煤層透氣性。3在逢春煤礦石門揭煤中的應用研究3.1 逢春煤礦試驗 3.1.1試驗設備及連接實驗裝置布置示意圖如圖1所示。圖1 裝置連接示意圖Fig1. Sketch map of device connection3.1.2實驗地點水文地質條件逢春煤礦實驗選在+523S4機軌巷M8煤層底板2m垂距處進行。該區域煤層平均傾角50°，平均傾向297°，M6-3煤層厚0.75m 、M8煤層厚1.61m、 M7-2煤層厚1.07m。地面標高9901052m， M8、M7-2煤層揭煤點埋深467m。M9煤層與M8煤層層間距變化較大，M8煤層厚度變化較大（變薄），

16、分析M8煤層處受斷層影響嚴重。該區域煤層瓦斯含量：M8煤層為23.47 m3/t；M7-2煤層為18.31 m3/t；M9煤層為18.21 m3/t，均具有煤與瓦斯突出危險。實驗區域由茅口石灰巖向煤系掘進，巖性主要為石灰巖、砂質泥巖、泥巖、砂巖、泥灰巖及煤層，煤層頂底板以砂質泥巖、泥巖為主，煤巖石層位基本正常。3.1.3割縫鉆孔設計及試驗結果分析根據已經收集的逢春煤礦的水文地質資料和以往石門揭煤瓦斯抽采的相關數據，設計了現場試驗方案，共設計9個鉆孔。 傾斜煤層割縫示意圖如圖2所示。圖2 煤層割縫示意圖Fig 2. Sketch map of coal seam slotting（1）割縫時瓦斯

17、解析量我們將自激振蕩脈沖水射流割縫時的回風瓦斯情況進行了記錄，然后計算了割縫時的瓦斯解吸量，最后我們將其與未割縫前施工檢驗孔的瓦斯解吸量分別做了比較，詳見圖3、4。 圖3 割縫孔與檢驗孔分鐘瓦斯解吸量對比圖 圖4 割縫孔與檢驗孔平均瓦斯濃度對比圖 Fig 3. Comparison chart of gasses resolve quantity per Fig 4. Comparison chart of average gas concentration minute of slotted-holes and test-holes of slotted-holes and test-hol

18、es由圖3可以看出，煤層在自激振蕩脈沖水射流的作用下，瓦斯釋放通道增大，煤層暴露面積增加，瓦斯解吸量大幅度增加，比割縫前自然排放時提高了293%，瞬時平均瓦斯純量為0.6m3/min，由圖4可以看出割縫時瓦斯濃度比割縫前施工檢驗鉆孔時提高了220%，可見瓦斯解吸效果明顯提高。（2）割孔后瓦斯情況在完成自激振蕩脈沖水射流割縫后，回風瓦斯 0.180.35%，瓦斯排放量為362.9625 m3。圖5 割縫后瓦斯排放量曲線圖 圖6 割縫后平均瓦斯濃度變化圖Fig 5. Curve of methane emissions quantity after slotting Fig 6. Changes

19、of the average gas concentration after slotting由圖5，圖6可以看出，自激振蕩脈沖水射流割縫完成后，鉆孔自然排放，瓦斯排放量平均達0.342m3/min，而割縫前僅為0.128m3/min，瓦斯排放量提高170%，可見自激振蕩脈沖水射流割縫后采取自然排放，其瓦斯排放效果非常明顯。（3）突出危險性檢測情況自激振蕩脈沖水射流割縫完成兩天后，采用鉆屑瓦斯解吸特征指標法對割縫效果進行了檢驗，共施工5個檢驗鉆孔，在施工檢驗鉆孔過程中，有3個鉆孔無阻力，進入自激振蕩脈沖水射流割縫影響范圍內，另兩個鉆孔測得K1max=0.47，Smax=4.3Kg，詳見表1。表

20、1 檢驗結果情況表Table 1Test results in table孔號K1maxSmax（Kg）現象1空縫無鉆屑返出2空縫無鉆屑返出30.293.7無40.474.3輕微噴孔5空縫無鉆屑返出由表1可以看出，瓦斯解吸指標K1值、鉆屑量Smax均不超標，說明自激振蕩脈沖水射流割縫具有較好的消突效果，同時3個鉆孔打到空隙中，進一步證明了自激振蕩脈沖水射流割縫對煤層具有擴孔作用。（4）自激振蕩脈沖水射流割縫影響范圍根據檢驗鉆孔和割縫鉆孔的參數確定其相對位置，經計算檢驗鉆孔和自激振蕩脈沖水射流割縫鉆孔的距離見表2。表2 檢驗孔與割縫鉆孔終孔間距表Table.2 bottom space betw

21、een proof-test holes and slotted holes檢驗孔參數水力割縫鉆孔參數終孔間距（m）最小孔間距（m）孔號方向角（°）仰角（°）孔深（m）孔號方向角（°）仰角（°）孔深（m）113-13211#10-12200.74 0.745#8-719.63.08 211-919.76#4-4224.06 1.55#8-719.61.50 31-716.77#-2-923.16.21 6.218#-14-625.810.54 4-2-1234.53#-1-1224.69.01 7.974#-6-1224.77.97 55-13212#5-1221.50.56 0.563#-1-1224.64.31 通過表2可以看出，當檢驗孔與自激振蕩脈沖水射流割縫鉆孔間距小于1.5m時，檢驗孔無鉆屑返出，說明自激振蕩脈沖水射流割縫產生的裂隙范圍在1.5m以上，2#檢驗鉆孔進入了6#割縫鉆孔產生的裂隙中（前面通過鉆屑量計算擴孔后孔徑平均為644mm）。當孔間距達到7.97m以上時，檢驗孔出現輕微噴孔，說明該檢驗孔在自激振蕩脈沖水射流割縫的消突范圍外。4結論（1）將自激振蕩脈沖水射流防突技術應用于西南高瓦斯低透氣性煤層石門揭煤中，解決了使用常規方法打預抽放孔多，