煤矿井下高压水力割缝增透预抽瓦斯防突措施的研究报告与实施研究报告.docx
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煤矿井下高压水力割缝增透预抽瓦斯防突措施的研究报告与实施研究报告
煤矿井下高压水力割缝增透技术研究与应用
研究报告
**股份**
2017年10月18日
研究报告
一、概况
**位于平顶山市区东部，66年动工，81年2月投产，设计生产能力300万吨/年，89年**被鉴定为煤与瓦斯突出矿井，97年经重庆煤科院鉴定为严重煤与瓦斯突出矿井。
矿井东西走向长12.5Km，南北倾斜宽3.36Km,面积42Km2,可采煤层自上而下共有三组四层,即丁5.6煤层、戊9.10煤层：
己15煤层、己16.17煤层；其中戊9.10煤层和己15煤层为突出煤层,自1984年10月发生第一次突出以来，到目前为止，累计突出40次；**安全生产形势非常严峻，尤其是矿井煤与瓦斯突出事故，一直是威胁矿井安全生产最严重的自然灾害之一，已经成为**安全的“第一杀手”，引起集团公司的高度重视。
为了对煤与瓦斯突出进行有效的防治，我矿进行了高压水力割缝增透技术在煤矿突出煤层中的研究与应用这一课题。
对防治煤与瓦斯突出、保障煤矿安全生产具有重要现实意义。
二、突出煤层区域性消除突出的意义
瓦斯事故是制约煤矿安全生产的最主要因素。
瓦斯事故对矿井安全的威胁主要有瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息等三种形式，其中瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出给煤炭矿山企业带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全，并迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。
结合国家煤矿安全生产监察局提出的“先抽后采，监测监控，以风定产”的十二字安全生产方针，集团公司致力于建立防范瓦斯长期有效机制，因此，不把瓦斯事故控制住，就不能实现安全生产状况的稳定好转，也无法保障矿井的持续健康发展,而防治煤与瓦斯突出最根本的技术措施就是矿井瓦斯抽放。
**目前的矿井抽放率较低，其中一个主要原因是开采的煤层属于低透气性煤层,再加上随着进入煤层深层开采，瓦斯的抽放难度大。
长期以来，如何提高煤层的瓦斯抽放率，从而消除煤与瓦斯突出危险性一直是瓦斯抽放工作中亟待解决的技术难题。
因此，必须研究出一种能有效地一次性使开采煤层形成贯通裂隙网，进行一次性瓦斯抽放的技术方法。
近些年来，由于水力割缝、水力压裂、松动爆破等技术措施在煤矿井下的不断尝试和应用，特别是水力割缝增透技术的不断发展和完善，使该技术措施在防治煤与瓦斯突出、瓦斯抽放等方面得到了广泛应用，并取得了良好效果。
**随着产量增加和水平延伸，煤层瓦斯含量，突出危险程度增大，常规的瓦斯预抽技术，抽放率低，不能满足矿井部署和高效建设的需要，出现预抽超前距和超前时间不够，掘进和回采时瓦斯超限和防突测试超标时有发生，制约了生产的连续性，威胁了矿井安全。
为了缩短抽放时间，提高抽放率，消除瓦斯超限和突出威胁，加快矿井高产高效建设步伐，特此提出在突出煤层穿层水力割缝区域性消除工作面突出危险性的研究与应用。
三、高压水力割缝技术在突出煤层中的研究与应用
1、研究的主导思想
**煤与瓦斯突出煤层普遍存在瓦斯含量高、透气性低、钻孔深度浅、抽采效果不理想的问题，掘进及回采期间瓦斯大量涌出制约了安全生产。
目前部分工作面不具备开采保护层的条件，则预抽煤层瓦斯即成为目前无保护层开采矿井首要的区域治理措施，另外中远保护层开采期间被保护层瓦斯抽采也是必须大力开展的重要工程。
要从根本上解决突出煤层瓦斯问题，必须对突出煤层实施层内卸压增透来解决透气性低的问题，而层内卸压增透是无保护层措施下采取的主要措施。
在目前钻孔技术还没有较大突破的条件下，采取人为的增加煤层裂隙将大大提高煤层的透气性。
但已采取的超前钻孔、深孔注水、力水力压裂、深孔松动爆破和深孔控制爆破、回采工作面顺层钻孔抽放等防突技术措施，普遍存在着整体卸压不够充分、抽放空白带较大、施工工序复杂等问题，并且有一定的局限性。
煤矿井下钻孔高压水力割缝技术是以水作为动力，在煤层中形成人工的空腔、槽缝和裂隙或扩大已有的裂缝以及使煤体发生位移。
经割缝后的煤层，其内部能出现较大的空洞，在瓦斯压力、地应力和煤自重的作用下，煤会不断的向空洞内填充，使得在抽气时钻孔周围出现大面积的压力下降，煤层受降压影响解析出来的气体能够通过压裂形成的裂隙运移至钻孔中，保证了瓦斯能迅速并相对持久地泄放，抽出量较压裂前可增加数十倍，从而起到卸压和排放瓦斯的作用，最终达到防治突出的效果。
2、高压水力割缝技术方案
（1）、高压水力割缝设备
注水系统由乳化液泵、水箱、压力表、高压密封水辫、专用冲孔钻杆及钻头等组成（见图1）。
乳化液泵选用额定压力为31.5Mpa、额定流量为400L的BRW400/31.5型煤矿用乳化液泵。
为便于操作和控制，乳化液泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件，水箱容积3m3。
压力表采用YHY60（B）矿用本安型数字压力计和FCH32/0.2矿用本安型手持采集器。
高压管路选用1寸高压胶管。
采用快速接头与钻杆和高压胶管相连接。
高压密封钻杆。
高压密封水辫保证其在30MPa下完全密封，其密封能力目前已经达到50MPa。
高压射流喷嘴
水力割缝煤岩钻头分为岩石钻头、煤层钻头、岩石煤层通用类型，所有钻头内部装有压控阀门，实现4~10MPa下稳定的开启与关闭，保证钻割一体。
（2）、高压水力割缝原理
原理：
工作原理：
穿岩石层对目的煤层进行割缝措施实施，对目的煤层卸压增透→提高单孔有效影响半径→实现区域性整体卸压增透→提高抽放效果及抽放率。
施工方式：
在底板巷对上方煤巷条带煤层进行穿层钻进并割缝。
特点：
预抽瓦斯率高，消突效果好，另外减少钻孔施工量。
（3）、技术方案
穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯区域防突措施示意图
穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施示意图
水力割缝技术在穿层钻孔预抽煤巷瓦斯中应用示意图
根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求对煤巷条带沿层面两帮各控制15m距离的要求，因此选择进行高压水力割缝措施。
钻孔布置为：
沿巷道走向布置数组钻孔，每组钻孔数量为5~8个，其终孔位置控制到煤层顶板0.5米，并控制到煤巷条带沿层面两帮各15m。
每组钻孔内的5个钻孔全部进行煤层段的高压水力割缝，割缝后封孔并通过地面瓦斯抽放泵站进行预抽瓦斯，预抽时间不少于7天，超前工作面局部防突打钻距离不小于100m，预抽瓦斯钻孔封堵必须严密。
穿层钻孔的封孔段长度不小于5m，应做好每个钻孔施工参数的记录及抽采参数的测定。
钻孔孔口抽采负压不小于13kPa。
预抽瓦斯浓度低于30%时，应当采取改进封孔的措施，以提高封孔质量。
（3）、高压水力割缝压力及时间
1、水力割缝压力
每一根钻杆割缝时间为1min，第一根钻杆割缝时压力应不大于5MPa，保证煤顺利的从钻孔流出来以后，第二根钻杆压力可调节到10MPa，第三根压力调节到15MPa，以后压力控制在20~25MPa之间。
2、割缝时间
割缝时间直至不再割出煤量为止。
四、突出煤层区域性消突技术方案
1、底抽巷技术实施方案
有下列情况之一的，不具备开采保护层的突出危险采掘工作面，必须先做高、低抽巷；
（1）埋藏深度大于700m以上的工作面；
（2）瓦斯含量在20m3/t以上，瓦斯压力在1.8MPa以上的工作面。
2、底抽巷布置方式：
底抽巷内错机巷25m，布置在己16.17煤层底板10m。
底抽巷施工超前机巷掘进工作面400m以上，采用高压水力射流割缝措施进行水力冲孔、预裂爆破及预抽瓦斯等措施确保安全掘进施工。
五、底抽巷穿层水力割缝钻设计方案
1、水力割缝设计
为了达到机巷掘进期间煤层瓦斯压力及地应力得到充分释放，产生足够厚的卸压带的目的，在底抽巷内向机巷施工范围内执行水力射流割缝增透措施，水力割缝措施达到预期的效果后，再施工穿层钻孔强力预抽己15-14140机巷区段瓦斯，设计穿层预抽孔深25m～39m，孔径75mm,穿层钻孔每3m一组，每组6个，孔径75mm，垂直于巷道布置，其中第3号钻孔为水力冲孔，孔径为94mm。
钻孔分别控制到机巷上、下帮巷道轮廓线以外各15m。
钻孔施工完毕后要进行联网抽放，封孔深度不低于10m。
底抽巷控制机巷钻孔布置如图所示。
2、水力割缝钻孔施工
（1）现场施工时，先利用岩石钻头进行钻孔打钻，当打透进煤层段时，退出钻杆换上水力割缝专用钻杆、钻头、高压密封水辫由顶板位置进行退钻水力割缝。
（2）当执行水力割缝措施时，采用退钻割缝方案。
每一根钻杆割缝时间为1min，第一根钻杆割缝时压力应不大于5MPa，保证煤顺利的从钻孔流出来以后，第二根钻杆压力可调节到10MPa，第三根以后逐步调压，直至找到最合适的压力为止。
（3）在升高压力对煤体割缝之前，应保证钻机旋转，以防止割缝产生的大量煤粉堵塞钻孔而造成抱钻。
（4）每割缝完成一根钻杆后，应先调节溢流阀将管路压力降到0MPa，并关闭进水辫管路上的球阀，确保管路中没有水流进过，才能进行拆卸钻杆作业。
拆下一根钻杆，连接好水辫后，才允许打开管路中球阀和调节溢流阀给管路升压，进行第二根钻杆的高压水力割缝作业。
严禁管路中有高压水时进行钻杆拆卸作业，严禁管路没有连接好之前给管路升压。
（5）每次水力割缝时，在钻进钻杆时，要保证钻杆清洗一遍，以保证钻杆密封完好及内部有颗粒状的煤体。
割缝后的钻杆码放整齐，便于下一个孔使用。
3）警戒线距离
为确保高压水力割缝时的防突安全，在底抽巷内实施高压水力割缝时，底抽巷人员撤至距冲孔点上、下100m处，并由专人负责警戒。
六、水力割缝增透技术实施后取得的效果
1、预抽效果分析
2017年1月14日，钻探队开始在己15－14140底抽巷向机巷施工预抽钻孔，截止到10月12日结束，共施工钻孔826个钻孔。
防突队铺设管路并于1月15日对钻孔实现预抽，由巡检工每天对钻孔单孔及干管抽放参数进行了测定。
经收集整理，从1到20号钻孔抽放情况如下：
1）单孔平均抽放浓度如下表
孔号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
浓度
（%）
20
9
22
34
35
15
33
22
20
12
29
孔号
12
13
14
15
16
17
18
19
20
浓度
（%）
25
35
28
12
14
16
16
27
39
2）干管抽放参数
浓度（%）
流量（mmH2O）
大气压（mmHg）
混合流量
（m³/min）
纯流量
（m³/min）
15
160
120
12.02
1.8
3）抽放量计算
1月15日开始预抽，截止10月12日，抽放量计算为：
每天抽放量：
1.8m³×60min×24h=2592m³/d；
总抽放量：
2592m³/d×88d=228096m³
4）瓦斯抽采率计算
抽放范围：
36m×169m×3.6m=21902.4m³
己15煤层的容重为1.31t/m³
抽放煤量为：
21902.4m³×1.31t/m³=28692.15t
己组煤原始瓦斯含量为：
22m³/t；
抽放范围内瓦斯含量为：
28692.15t×22m³/t≈631227.3m³
瓦斯抽采率为：
总抽放量/抽放范围内瓦斯含量
228096m³/631227.3m³×100%≈36.1%
5）、效果检验
在执行完区域预抽防突措施一段时间（最后一个预抽钻孔不低于30天）以后进行区域措施的效果检验，在己15－14140底抽巷每隔50米向己15－14140机巷外段位置布置一个检验测试点，具体有中平能化集团瓦斯研究所进行检测，检测指标采取煤层残余瓦斯压力P及煤层残余瓦斯含量来判定：
P<0.74MpaW<8m3/t无突出危险区
P≥0.74Mpa或W≥8m3/t突出危险区
若任何一个检验测点的指标测定值达到或超过了有突出危险的临界值，判定为预抽效果无效,则在此检验测试点周围半径100m内的预抽区域加密抽放钻孔或者延长抽放时间,直至效检达到规定要求为止。
若检验期间在煤层中进行钻孔作业时发现了喷孔、顶钻及其它明显突出预兆时，在发生明显突出预兆的位置周围半径100m内的预抽区域判定为措施无效，则在此检验测点周围半径100m内的预抽区域加密抽放钻孔或者延长抽放时间，直至效检达到规定要求。
2、残余瓦斯压力测定
截止2017年10月12日，己15-14140机巷还没有开始施工。
根据《防突规定》第五十三条：
在己15-14140底抽巷测定了己15-14140机巷揭煤点向前方50米范围内的残余瓦斯压力，测定结果如下表。
己15－14140机巷残余瓦斯压力测定结果
地点
测定时间
测定平均残余瓦斯压力（MPa）
测定最大残余瓦斯压力（MPa）
测定结果
巷道里程50米处
2017.8.20～8.30
0.38
0.45
0.44MPa
巷道里程100米处
2017.9.10～9.30
0.40
0.54
3、取得的效果
1）、对被掩护巷高压水力冲孔后，在打防突钻孔时工作面无喷孔、夹钻、顶钻、响煤炮等突出预兆。
2）、被掩护巷正常掘进期间，回风流瓦斯与冲孔前回风流瓦斯对比下降0.2%左右。
3）、冲孔前平均每月测试超标3次左右，冲孔后杜绝了测试超标现象。
4）、冲孔前工作面需执行3排36个措施孔来保障安全施工，每个执行措施循环要5～6个小班才能完成；冲孔后工作面只执行2排24个措施孔，只需1～2个小班就能完成，大大缩短了执行措施循环时间，为工作面进尺争取了时间。
七、水力割缝消突技术主要结论及创新点
提出了基于区域瓦斯治理的“钻、割、抽”三位一体的高瓦斯低透气性煤层钻孔内高压射流割缝卸压增透瓦斯抽采方法
开发了与水力射流割缝一体化技术相互配套的钻孔密封材料、技术及装备。
1、突出煤层必须实施底抽巷，其技术标准
底抽巷内错突出煤层机巷20～25m，布置在距突出煤层底板不小于8～10m。
底抽巷施工超前机巷掘进工作面500m以上，采用高压水力射流割缝增透、预抽瓦斯等措施确保安全掘进施工。
2、研究了水力割缝钻孔及抽放钻孔的技术标准；
1）底抽巷每3m施工一个水力割缝钻孔，待水力割缝钻孔实施割缝后，每隔1.5m再施工穿层抽放钻孔，终孔位置控制到被掩护巷道轮廓线上、下各15m位置。
2）割缝钻孔及抽放钻孔设计钻孔终孔位置要穿过被掩护煤层。
3）水力割缝孔布孔方式可根据煤层变化和压裂效果进行调整。
3、探索出水力割缝时的各项技术标准；
1）、割缝压力以25Mpa~30Mpa为宜；
2）、割缝时间一般要2～3小时为宜，直至不再割出煤量为止。
；
3）、割缝后1～3天封孔为宜。
高压水力割缝技术在突出煤层中的研究与应用
工业性试验报告
**股份**
2017年10月18日
工业性试验报告
根据集团公司的要求“不具备保护层开采条件的煤与瓦斯突出煤层，突出区域必须采用煤层顶（底）板巷道、穿层钻孔抽采等措施治理瓦斯”。
针对**瓦斯地质条件，采用高位预抽巷预裂卸压抽放技术解决突出煤层掘进期间的瓦斯问题，为此特制订突出水力压裂技术在突出煤层中的研究与应用。
该项目的目的就是为了解决以上问题，实现安全快速掘进，提高劳动生产率。
项目在**二水平己15-22040机巷进行实验应用，不仅解决了高位预抽巷预裂卸压抽放技术难题，同时也解决了突出煤层掘进期间的瓦斯问题，有效遏制了煤与瓦斯突出事故，确保了安全生产，保障作业人员的生命安全，实现安全快速掘进，提高劳动生产率。
项目立项研究到如今，已在**己15—14140机巷己突出危险工作面中进行试验应用，同时也得到各施工单位的大力支持与配合，形成了分工明确，操作合理、奖罚分明的工作机制，施工单位普遍反映该项目劳动时间和劳动效率得到提高。
通过实现区域性消突技术标准有效地控制了掩护巷煤与瓦斯突出事故的发生，从总体看，该项目试验性应用很成功，下面是实现区域性消突技术标准试验前后情况分析：
1）、对被掩护巷高压水力冲孔后，在打防突钻孔时工作面无喷孔、夹钻、顶钻、响煤炮等突出预兆。
2）、被掩护巷正常掘进期间，回风流瓦斯与冲孔前回风流瓦斯对比下降0.2%左右。
3）、冲孔前平均每月测试超标3次左右，冲孔后杜绝了测试超标现象。
4）、冲孔前工作面需执行3排36个措施孔来保障安全施工，每个执行措施循环要5～6个小班才能完成；冲孔后工作面只执行2排24个措施孔，只需1～2个小班就能完成，大大缩短了执行措施循环时间，为工作面进尺争取了时间。
煤矿井下高压水力割缝技术研究与应用
经济效益分析
**股份**
2017年10月18日
经济效益分析
突出煤层通过井下高压水力割缝措施施工后，可实现低透气性煤与瓦斯突出危险煤层的强化增透消突降尘，为高效采煤方法的采用提供条件，最终实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采。
1、直接经济效益分析
高压水力割缝在煤层里割缝宽度可达1.50米、高度0.35米，大大增加了瓦斯释放空间；抽放浓度有原来的平均20%提高到了34%，大大的节省了抽放时间和抽放设备的投入；
1）、钻孔有原来的2m一组改为3m一组，共少打钻孔500个，每个钻孔投入2059元，可节省103万元。
在巷道掘进中，掘进速度由原来的平均掘进速度50m/月提高到70m/月，最高速度达100米/月，掘进速度平均提高30%；可节省开支1089万元。
高压水力割缝在割缝过程中又能起到给煤体注水作用，巷道的粉尘浓度降低56%，改善工人作业环境。
通过应用本项目的研究成果，提高了矿井的掘进速度，节省了的瓦斯防治费用方面的支出，为企业带来显著的经济效益。
从2017年1月至2017年10月，累计新增产值1192万元，新增利税596万元。
2、社会经济效益分析
瓦斯是影响煤矿安全生产的最大危害之一，瓦斯治理是煤矿安全重中之中的工作，实践告诉我们：
“瓦斯不治，矿无宁日”，治理瓦斯就是解放生产力，治理好瓦斯就是发展生产力。
治理好瓦斯就是安全，就是效益，就是职工最大的福利。
我矿工程技术人员研究该项技术，就是为了根治瓦斯，进一步提高全矿干部职工的瓦斯治理意识和瓦斯综合治理技术水平，只有将瓦斯治理好了，矿井才会有安全，安全是矿井最大效益，是实现矿区安全生产和社会和谐稳定的基石。
实施高压水力割缝防突技术后，社会效益也非常明显，可提高执行措施的有效性，消除煤与瓦斯突出事故，提高了突出矿井生产的安全性能，为职工创造良好的工作环境，企业形象也能得到明显的改善。
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