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1、快速消突技术研究 水力冲孔措施,淮南科技攻关项目阶段汇报,项目组织单位：淮南矿业(集团)有限责任公司 项目承担单位：河南理工大学 汇报人：刘彦伟 2012年10月,汇 报 内 容,一、目的、意义 二、水力冲孔防突机理 三、水射流破煤理论分析 四、冲孔工艺过程及技术参数 五、水力冲孔装备研究与选型 六、消突评价指标 七、主要结论 八、下一步研究计划,一、目的、意义,突出严重：2008年发生32起煤与瓦斯突出事故，死亡247人，同比增加2起、31人。淮南矿区13对矿井，11对突出矿井，压出为主。 适用煤层特征：采深大、地应力大、煤层松软、透气性低、瓦斯含量高、瓦斯压力大。 瓦斯治理和消突困难：针对
2、无解放层可采的煤层，特别像石门揭煤这种情况，由于未揭开煤层，煤层没有任何卸压，透气性更低，需要耗费大量时间和工程量抽放，消突效果不佳，造成采掘接替紧张。 水力冲孔：水力冲孔措施利用岩石巷道为安全屏障，采用水力作用冲出部分煤体和瓦斯，具有较好的卸压增透效果，可有效提高抽放效果，实现安全快速区域消突。,二、水力冲孔措施防突机理,1、现场试验效果,潘一矿东二轨道下山水力冲孔期间T2监测瓦斯浓度变化曲线,08年5月份来，在潘二矿、谢桥矿等5个矿水力冲孔试验表明，能冲出0.5t/m1.0t/m煤量，甚至达到2.85t/m，吨煤瓦斯涌出量达原煤瓦斯含量数倍，甚至数十倍，经理论计算，相当于形成了直径为0.3
3、641.35m的孔洞，但采掘时，一般看不到孔洞存在。,（1）冲出煤量和瓦斯量,二、水力冲孔措施防突机理,1、现场试验效果,冲孔后的抽采浓度和抽放瓦斯纯流量分别为没有采取冲孔措施的2.7和2.84倍。 冲孔后的瓦斯浓度和抽放瓦斯纯量的衰减系数明显减小，分别为没有采取冲孔措施的四分之一和三分之一。,（2）提高瓦斯浓度和抽放量,二、水力冲孔措施防突机理,1、现场试验效果,煤层透气性系数增加了4.7倍和1.7倍。 钻孔瓦斯流量衰减系数减小了3.54倍和6.24倍。,（3）增透效果效果,图5 水力冲孔后钻孔百米煤孔瓦斯流量衰减趋势曲线图,2、数值模拟研究,冲孔前,冲孔后,应变,应力,二、水力冲孔措施防突
4、机理,2、数值模拟研究,二、水力冲孔措施防突机理,不同孔径下煤体应力和位移变化图,不同孔径下煤体瓦斯流量变化图,3、消突机理,冲出大量煤体，为煤体膨胀变形提供了充分的空间，周围煤体在地应力作用下发生了膨胀变形，使地应力向四周移动，即起到局部卸压作用； 不但冲孔期间排放大量瓦斯，而且由于煤体的膨胀变形，增加了煤层的透气性，扩大了排放瓦斯影响范围，提高了抽排效率，有效地降低煤层瓦斯含量； 湿润煤体，使煤体减少脆性，增加了煤体塑性，降低煤体弹性势能，另外，湿润煤体后，可降低煤体中残存瓦斯的解吸速度，减小瓦斯膨胀能。,二、水力冲孔措施防突机理,三、破煤理论分析,（1）裂缝的产生：在水射流脉动的动压力和
5、总冲击力的作用下形成密实核,2、水力冲孔措施中的破煤机理,（2）水契作用：水流冲进裂缝，在裂缝面上形成作用力很大的水楔，进一步扩张和延伸裂缝，最终导致煤体裂成碎块。,（3）表面冲刷,三、破煤理论分析,（1）水力冲孔的水射流属中高压淹没水射流； （2）水射流存在有效长度，即核心段和过渡段的一部分，一般为喷嘴直径的函数，根据试验研究，小直径水射流的有效长度为（400600）d0。,3、水射流打击力分析,图2-1 淹没水射流几何结构,另外，与喷嘴的结构和煤层的硬度、裂隙发育情况有关。,三、破煤理论分析,（1）射流与作用面垂直时所产生的冲击力最大转动钻杆，保持喷嘴与作用面垂直，冲孔效果更佳。 （2）射
6、流对曲面的冲击力比对平面的冲击力要大：当曲面出口与入口方向正相反时，其冲击力比平面冲击力要增加一倍。先打钻孔，然后冲孔效果好。,3、射流打击力分析,四、冲孔工艺与技术参数,1 冲孔工艺,装备选型水力冲孔系统安装泵压调定设计冲孔布置方式施工钻孔水力冲孔煤量、瓦斯量计量冲孔效果评价。,四、冲孔工艺与技术参数,2 出煤量与水压的关系,潘二矿冲出煤量与水压的关系,出煤量与压力并不完全正相关，最佳出煤量出现在一定压力值范围内。 谢桥矿压力破煤临界压力为68MPa，破煤有效压力为912MPa;潘二矿破煤临界压力为4.04.5MPa，有效压力为4.58MPa。,谢桥矿冲孔水压与出煤量的关系,3 淮南临界压力
7、、有效压力,破煤临界水压P临破国内外一般用水射流冲击煤壁，煤体开始破碎时，冲击点上射流的动压力。破煤有效压力P效达到临界水压后，随水压增加，破煤效率会急剧增加，水压增加到一定值，破煤效率趋于一稳定值，该压力值即为破煤有效压力。2个压力值决定于煤层的机械性能（煤层的硬度系数f、透水性和脆性等）、裂隙（层理、节理和构造裂隙）和结构（软硬分层、厚度和分布）特征，P=Cf，式中C通过试验确定。 根据谢桥矿、潘二矿、潘一矿、潘三矿和顾北矿，试验确定C为1015，有效破煤压力的C值为1220。,四、冲孔工艺与技术参数,出煤速度总体上与水压呈正比关系，出煤速度不宜过高，容易堵塞，造成憋孔、埋钻。,4 出煤速
8、度与水压的关系,四、冲孔工艺与技术参数,（1）破煤有效压力：P=1220f（按裂隙发育程度） （2）沿程压力损失的计算 ： （针对高压软管） （3）局部损失：取沿程损失的5%,5 泵站工作压力的确定方法,表1 常用管路压力损失与内径的关系,四、冲孔工艺与技术参数,（1）乳化液泵的流量基本为常量，主要取决于喷嘴的直径和有效压力及排渣的要求。 （2）由于水力冲孔期间多用光钻杆操作方便，水力排渣成为水力冲孔措施的主要排渣方式，因此，破煤速度越快，需流量越大。淮南矿区水力冲孔开展试验时，乳化液泵额定流量取值可根据在f值选取： f0.5时，可取125L/min；f0.5，可取200L/min，以缓解憋孔
9、现象。,6 额定流量,四、冲孔工艺与技术参数,水力冲孔措施破煤机理为裂缝的产生、水楔作用、表面冲刷三个过程，上述作用连续、交替发生，形成水射流落煤过程。因此，从单个破坏循环和整个冲孔过程看，均随时间延长，出煤量增加。,7 冲出煤量与冲孔时间的关系,四、冲孔工艺与技术参数,出煤量与钻孔倾角的正负有关，钻孔内的剩余煤粉会起到煤垫作用，减小水射流的割煤范围；正角度的大小影响不大。,8 出煤量与钻孔角度的关系,四、冲孔工艺与技术参数,目前考察了4个矿的水力冲孔半径，变化比较大，在3.5m9.0m之间，与水力冲孔效果关系紧密。,9 水力冲孔半径考察,图4-6 谢桥矿1161（3）水力冲孔影响半径考察施工
10、图,图4-7 9m孔冲孔前后瓦斯流量的变化,四、冲孔工艺与技术参数,潘一矿水力冲孔后65个小时内，又降低到0.65Mpa，影响半径已达到3.5m。,7 水力冲孔半径考察,3.5m处瓦斯压力与冲孔时间变化曲线,顾北矿 考察了-648m北一(6-2)回风石门的水力冲孔影响半径，考察结果表明，水力冲孔影响半径达到了3.73m。,四、冲孔工艺与技术参数,潘二矿平均每米煤段出煤量为1.2吨，相当于把孔径113mm孔洞扩为直径为1.06m的孔洞，有效影响半径达5.5m。,7 水力冲孔半径考察,四、冲孔工艺与技术参数,泵站选择（往复式柱塞泵），五柱塞泵效果更好（流量脉动小），以压力和流量作为主要技术参数选型
11、，泵站额定压力应比工作压力大40%。另外，乳化液泵的尺寸不宜太大，应方便放置、操作和维护。,1、泵站选型及主要参数确定,五、冲孔装备研究与选型,（1）选用耐高压软管，耐压应不小于泵的额定压力。（2）应优先选择32mm和25mm内径的高压软管，以减少压力损失。,2、管路选型,3、喷嘴研制,五、冲孔装备研究与选型,喷嘴是射流装置关键部件之一，其作用是将流体的压力能转变为动能，利用从喷嘴射出的高能量密度射流进行切割和破碎。,针对不锈钢喷嘴的材料和型号，从理论上计算了各种尺寸喷嘴，水量为200L/min时所建立的压力。部分与现场试验喷头所建立的压力做了对比，结果基本吻合。,4、喷嘴选型,表2 喷嘴型号
12、与射流压力的关系（不锈钢）,五、冲孔装备研究与选型,5、防瓦斯超限装置,6、其它设备,煤渣过滤需采用深池过滤或多级过滤。 乳化液箱和进水管应与乳化液泵匹配。,钻杆若煤体较硬（f0.5），选用麻花钻杆； 若煤体较软（f0.5），可选用光钻杆。,五、冲孔装备研究与选型,防瓦斯超限装置示意图,六、卸压增透评价指标,1 评价指标的筛选,单孔出煤量占控制煤体的比例,防突机理与解放层相似：煤体膨胀变形、卸压增透的效果； 实践表明，孔洞基本被周围煤体充填； 单孔出煤量既反映了水力冲孔措施的均匀性和总体性效果； 单孔出煤量间接反映了瓦斯排放量和煤层膨胀变形量； 单孔出煤量方便考察，便于现场推广。,六、消突评价
13、指标,2 临界值的确定,谢桥矿、潘二矿上向孔水力冲孔实践表明，单孔出煤量占控制范围内煤体基本能达到10，掘进验证达到消突效果； 顾北矿水力冲孔下向孔实践表明，单孔出煤量占控制范围内煤体没不到10，也达到消突效果。,（1）倾角在0及以上达到10； （2）倾角在0以下的有效冲孔时间应控制在2030min/m且单孔冲出煤量不小于单孔平均控制煤体煤量的3。 依据如下：,七、主要结论,（1）水力冲孔措施有较好的卸压排放瓦斯和增透效果。 （2）从理论上分析了破煤机理，主要包括：裂缝的产生；水契作用；表面冲刷。 （3）由水射流打击力理论分析得知，水力冲孔时，先打钻，冲孔时，缓慢转动钻杆，效果更好。 （4）典
14、型矿井试验表明，淮南矿区破煤临界压力为10f左右，破煤有效压力为1220f左右，压力不宜过高，提出了泵站工作压力的确定方法。 （5）每米煤段，有效冲孔时间不低于20分钟。,七、主要结论,（6）水力冲孔有效影响半径在3.5m9m之间，与出煤量直接相关。 （7）协助瓦斯院制定了水力冲孔工艺过程和要求。 （8）对水力冲孔系统装备作了选型。 （9）建立了水力冲孔消突效果评价指标，包括总体评价指标和均匀性评价值，并初步确定了临界值。,八、下步研究计划,（1）通过现场考察、实验室物理模拟和数值模拟试验，进一步完善水力冲孔技术参数和工艺过程。 （2）潘一矿（6煤石门揭煤）、谢桥（1161（3）和潘二矿（西四回风巷）等水力冲孔区域进入煤层后，验证评价指标的有效性和合理性，完善水力冲孔评价指标体系。 （3）进一步完善下向孔单孔出煤量占控制煤体比例的临界值； （4）申请水力冲孔喷头专利，准备验收。,谢 谢！,
