[01282987]严重突出煤层水力冲孔卸压增透技术研究及应用

1、任务来源 本项目来源于平顶山天安煤业股份有限公司2011年度下达的重点委托项目《水力冲孔技术在突出煤层底板掩护掘进中的研究和应用（项目总经费为55万元）》及河南煤业化工集团鹤煤公司八矿2011年度下达的重点委托项目《底板岩巷瓦斯抽放实现区域防突技术研究（项目总经费为72万元）》。 2、应用领域和技术原理 应用领域：煤矿瓦斯灾害防治 技术原理：本项目采用理论分析、数值模拟、现场测试与考察、和实验室测试等技术手段,一方面考察适合试验矿井煤层赋存特点的水力冲孔工艺及技术参数,优化冲孔钻孔布置方式,在减少措施工程量和缩短施工时间的情况下,尽可能多冲出煤,多排放瓦斯,通过水力冲孔卸压增透技术,提高抽放量,缩短抽放时间;另一方面通过冲孔前后抽放量、残余瓦斯含量、残余瓦斯压力等指标评价分析工作面的增透及消突效果,完善水力冲孔技术参数、评价指标体系。 本项目的成果主要应用在具有掩护岩巷的突出煤层巷道掘进中,形成突出煤层底板掩护巷水力冲孔卸压增透及防突技术体系,从而能提高区域瓦斯预抽的效果,缩短区域抽放时间,提供区域防突效率,进而节省瓦斯抽采及防突等方面工程费用。 3、性能指标 （1）通过对喷嘴结构的研究分析,选取圆锥带圆柱段出口型喷嘴作为水力冲孔喷嘴,并选取喷嘴较优参数,即圆锥段收缩角为13°,圆柱段长度 为喷嘴出口直径 的2.5-3倍较合适,确定Cr12MoV模具钢作为喷嘴的制造材料;结合首山一矿、鹤煤八矿的实际情况,分别选用了1φ1.8+2φ4.0、1φ2.0+2φ3.0型号的喷嘴,同时将喷嘴上的喷头之间选用一定的角度。 （2）通过对喷头外部流场区域的数值模拟分析,得出喷头体前端喷嘴起到主要破碎煤体作用,破碎的过程首先是前端喷嘴射流破碎煤体,两侧的喷嘴射流起到辅助破碎煤体的作用,模拟计算结果显示水力冲孔前端喷嘴射流的靶距为600mm。 （3）通过现场试验,确定首山一矿、鹤煤八矿在水力冲孔期间所选用的设备及其型号、冲孔系统和冲孔工艺流程。 （4）通过改变冲孔水压、喷嘴型号等冲孔设备,利用流量法考察出水力冲孔出煤量在1t/m左右时,首山一矿有效影响半径为6～10m、鹤煤八矿有效影响半径为6.4～8.0m。 （5）分别采用多物理场耦合软件COMSOL-Multiphysics、ABAQUS数值模拟软件模拟模拟了首山一矿和鹤煤八矿冲孔孔洞半径对煤层卸压范围和煤体位移的影响,分析了不同孔径下卸压范围和煤体位移的变化以及两个孔洞之间的卸压范围。 （6）对水力冲孔设计方案进行现场实施,采用不同方法对水力冲孔的消突效果进行考察、验证、分析、研究,结果表明：抽采量提高的效果显著,抽采总量一般能提高1.5-2.0倍,抽采时间大大缩短;掘进速度明显提高。 （7）根据现场考察结果,制定了严重突出煤层水力冲孔技术在突出煤层底板掩护掘进中技术规范。 4、与国内外同类技术比较 水力冲孔是以保护岩柱或煤柱作为安全屏障,向有自喷能力的突出危险煤层钻孔,并向孔内注入承受一定压力的水,利用喷嘴切割和高压水射流的冲击,破坏钻孔周围煤体中应力和瓦斯的平衡,使其处于不稳定状态,在人为地有控制的条件下释放突出能量的局部防突措施。大量煤体和瓦斯的排出会在钻孔周围形成一定的卸压区,使得钻孔周围煤体得以充分卸压,煤层透气性系数大幅度增高,促进瓦斯解吸和排放,煤层和围岩中的弹性潜能和瓦斯膨胀能得以大幅度地释放,煤的塑性和湿度得以提高,其防止煤和瓦斯突出的能力得到大幅度的增强,从而起到综合防突的作用。 5、成果的创造性、先进性 （1）研发了具有知识产权的水力冲孔喷嘴、安全阀组件、新型水力冲孔防喷装置三相分离器等装置,不但能够提高严重突出煤层水力冲孔的出煤效果,而且能够确保水力冲孔期间的安全。 （2）通过理论研究、数值模拟、现场考察等手段,确定出适合首山一矿、鹤煤八矿水力冲孔系统和冲孔工艺流程,为河南省同类矿井严重突出煤层采用水力冲孔措施提供重要参考依据。 （3）将水力冲孔工艺和冲孔后的瓦斯抽放相结合,探讨在不同冲孔工艺条件下如何能保证既均匀出煤,避免憋孔和瓦斯超限现象,又能最大程度的减少冲孔后的煤体垮塌,相对较长时间保持冲孔后形成的大直径孔洞形状的冲孔工艺,以提高冲孔后的抽放浓度和抽放流量,缩短抽放时间。