钻割一体化防突设备原理与应用.pdf

3 4 煤矿安全 T o t a l4 0 8 钻割一体化防突设备原理与应用 陆海龙，张连军，张海宾，张志雨 中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要煤与瓦斯突出是制约煤矿安全生产的重要因素之一。钻割一体化设备是将高压磨料射 流技术与钻孔施工技术相结合的治理煤矿煤与瓦斯突出的新型装备。文章详细说明了该设备的 结构组成，工作原理以及防治煤与瓦斯突出的机理；并且通过对现场的应用分析，证明了该设备 对煤体增透卸压，扩大瓦斯排放有效影响范围，提高瓦斯抽放效果有着积极作用。 关键词钻割一体化；煤与瓦斯突出；高压磨料射流；卸压增透 中图分类号T D 7 1 3文献标识码B文章编号1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 8 1 1 一0 0 3 4 一0 4 高瓦斯煤层的开采往往伴随着高瓦斯涌出，特 别是随着煤炭生产的高效集约化和开采深度的增 加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯爆炸和瓦斯突出危险 的威胁越来越严重，瓦斯灾害巳成为制约高效集约 化开采技术发展和安全生产的最重要因素。因此， 如何高效率、有效地解决高瓦斯煤层开采过程中的 瓦斯涌出问题，对煤矿安全生产具有十分重要的意 义。 。 目前，解决高瓦斯煤层开采过程中的瓦斯涌出 问题的主要措施是瓦斯抽放。但是，由于我国许多 高瓦斯煤层属于低透气性煤层，常规的瓦斯抽放方 法难以发挥作用，主要存在的问题是钻孔有效影响 范围小，工作面钻孔施工工作量大，抽放效率低，需 要采取卸压增透的方法，扩大钻孔有效影响范围，提 高瓦斯抽放效果。 钻割一体化设备将高压磨料射流技术与钻孔施 工技术相结合，实现钻割一体，使钻孔内煤体卸压增 透，扩大瓦斯排放有效影响范围，提高钻孔瓦斯抽放 效果，提高矿井生产的安全性。 1 钻割一体化设备结构组成及工作原理 1 ．1 设备结构组成 高压磨料射流钻割一体化割缝防突设备是一种 在打钻完成后，利用钻机直接进行割缝的新型一体 化设备。如图l 所示，该设备组成包括高压泵站I ； 磨料发生装置I I ；钻机、高强度钻杆、钻割一体实现 装置Ⅲ。本设备从高压泵站出来的高压水分成3 路， 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 5 3 4 0 9 0 。5 0 5 7 4 0 9 3 ；国家 重点基础研究发展计划资助项目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 6 【一 1 一水箱；2 一过滤器；3 一高压泵；4 一溢流阀；5 一单向阀； 6 一压力表；7 一截止阀；8 一过滤筛网；9 一高压磨料罐； 1 0 一混合腔；1 1 一磨料浓度调节阀； 1 2 一钻机；1 3 一支架 图1 高压磨料射流钻割一体化割缝防突设备结构示意图 分别为第一路高压水到达磨料发生器的顶部，迫使 磨料往下运动；第二路高压水经过单向阀到达磨料 发生器底部的混合腔，依靠水的流动将磨料罐中流 下来的磨料携带走；第三路高压水称为旁通水路，高 压泵出来的高压水经过旁通水路直接送到磨料罐的 下游，引射出混合腔里磨料浆，第二、三路的流体混 合均匀后，经钻杆进人前端钻头处的喷嘴。从喷嘴 射流处的高压混合流体起到切割的作用，进而增加 低渗透性煤层的透气性，使煤岩卸压增渗，提高瓦斯 的抽放率。该设备是一套防治瓦斯突出，保障煤矿 安全生产的有效装备。 1 ．2 设备工作原理 设备作业流程如下在钻机钻进过程中，由钻机 配合钻杆内送人的风或者低压水进行排粉，与钻机 共同完成钻进作业。钻进结束后，钻机停止转动，只 进行退钻作业，高压泵站加压，水压达到预定压力值 万方数据 煤矿安全 2 0 0 8 1 1 3 5 后，清水与高压磨料发生装置产生的磨料粒子相混 合，与此同时钻头压控装置完成射流直向钻孔到侧 向割缝的切换，进行割缝作业。通过阀门控制高压 磨料射流水的开、关，达到随时钻进随时割缝的要 求，从而实现钻割一体化。 2 钻割一体化设备防突原理 一般情况下，具有突出危险的煤层内部孔隙和 裂隙都很小。为了增大煤体的透气性系数，就要人 为地采取措施在煤层中造成孔隙，沟通及扩展煤层 内部的裂隙网。对于单一煤层而言，则只有在煤层 内部本身采取措施，张开原有煤层裂隙，造成新裂隙 及局部卸压条件，才能改善煤层内部瓦斯流动状况。 钻割一体化治理瓦斯突出的方法是在煤层中先 打一个钻孔，然后在钻孔内利用高压水射流对钻孔 二侧的煤体进行切割，在钻孔两侧形成一条具有一 定深度的扁平缝槽，利用水流或者风将切割下来的 煤体带出孔外。 2 ．1 煤层割缝防突原理 采用水力割缝措施后，首先增加了煤体暴露面 积，且扁平缝槽相当于局部范围内开采了一层极薄 的保护层，达到层内自我解放，给煤层内部卸压、瓦 斯释放和流动创造了良好的条件，其结果是造成了 缝槽上下煤体的一定范围的较充分卸压，增大了煤 层的透气性能；其次，割缝在煤体中形成的缝槽或空 间在地压的作用下，使缝槽周围的煤体向缝槽空间 移动，因而更扩大了缝槽卸压、排瓦斯范围。由于水 力割缝的切割、冲击作用，钻孔周围一部分煤体被高 压水击落冲走，形成扁平缝槽空间，这一缝槽可以使 周围煤体发生激烈的位移和膨胀，增加了煤体中的 裂隙，大大改善了煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排 放提供了有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙 状况，煤体和围岩中的应力紧张状态得到一定程度 缓和，达到突出潜能的大量释放，使煤岩变硬。这 样，既削弱或消除了突出的动力，又大大改变了突出 煤层的物理机械性能，增大煤层透气性和提高煤层 抽放瓦斯的能力。 2 ．2 煤层高压注水防突原理 由于煤物质具有可缩性和孔隙中气囊的可缩性 的特性，因此，采用不同的注水方式和参数，会导致 不同的作用效果。高压注水时，可能使煤中裂隙和 孔隙的容积以及煤的结构发生变化，甚至造成煤的 破裂和松动，起到水力疏松煤体的作用，使煤层近工 作面部分的卸压和排放瓦斯。 与此同时，煤体注水湿润，可使煤的力学性质发 生明显变化，煤的弹性和强度减小，塑性增大，从而 使巷道前方的应力分布发生根本变化，即高应力区 向煤体深部转移，应力集中系数减小。煤体湿润后， 还使透气性成百和上千倍的降低，水对瓦斯起到明 显的阻碍效应，煤中瓦斯涌出量和速度都有大幅度 的下降。上述的各种变化，都表明注水湿润煤体，可 以消除或降低煤层和近工作面处的突出危险。 3 钻割一体化设备现场应用 本次现场应用地点为重庆天弘矿业公司盐井一 矿回风井，井筒倾斜角度2 5 。，煤层节理比较发育， 透气性较差，煤层厚度l 一5m ；煤的坚固性系数为 0 ．5 ，煤层顶底岩石硬度较大，透气性较差，煤层瓦斯 含量大，瓦斯压力高，打钻有喷孔现象。钻场钻孔布 置如图2 所示。 图2 钻场钻孔布置图 3 ．1 安全技术措施 各设备进行连接完毕后，使用该设备前应当确 保各方面的安全，具体高压磨料射流割缝安全措施 如下 1 高压磨料射流割缝试验施工前要对所有参 与施工的人员进行安全技术培训及操作培训。钻机 司机要持证上岗。 2 高压磨料射流割缝装备运输要严格按照 煤矿安全规程规定运输，严禁带电移动。 3 水力割缝过程中，距顶板0 ．1 5 0 ．2m 范 围内要吊挂瓦斯便携仪，随时掌握钻场瓦斯情况，当 迎头瓦斯达到0 ．7 ％以上时，必须停止施工，只有当 瓦斯降到0 ．5 ％以下时方可继续施工。 万方数据 3 6 煤矿安全 T o t a l4 0 8 4 本产品在煤矿井下使用时，必须配用符合 防爆要求的高压胶管，接头、阀门等，高压胶管严禁 互相缠绕，以免管内压力升高高压管弹起造成人身 伤害和财产损失。 5 每次试验前必须检查高压磨料射流割缝机 具、高压胶管是否有鼓泡、破损、漏水等现象，若发现 应立即更换。井下每次施工完毕由跟班干部指定专 人负责整理，盘好放置在指定地点。 6 高压泵开启前开泵司机要详细检查高压泵 的润滑情况，水箱的水位。 7 使用前及使用中请密切注意各接口的情 况，如有异常，请立即停止操作，待故障排除后方可 继续使用。 8 割缝过程中，试验人员要站到安全位置，防 突队要设专人观察，发现瓦斯、顶板异常、片帮或动 力现象时，要立即组织人员撤退。 9 水力割缝时，由防突队指派两人负责操作 水枪，其他人员全部站到钻场外面，并由防突队跟班 干部负责观看，发现异常 瓦斯、动力现象等 及时 停止施工，采取措施。 1 0 水力割缝时，要有经过专门培训的人员控 制阀门，并密切注意割缝情况和水压表读数，当发现 有动力现象或水压超过3 0M P a 时立即卸压。 1 1 水力割缝开口位置距孔口不能 5m ，保 持5m 安全距离。 1 2 每次施工之前防突队防爆电工要进行防 失爆检查，严禁电气失爆。 3 ．2 实验结果分析 1 在3 0M P a 情况下高压磨料射流割缝时平 均每个孔里冲出的煤量约5 1 ．3k g ，煤孔里冲出这么 多煤对煤体卸压和瓦斯排放起到重要作用。 2 在钻割一体化设备钻进割缝过程中煤体发 生变形呈现显著卸压作用、瓦斯涌出量大幅度提高 等变化。开始割缝前，应力集中带的煤体因受应力 集中的影响，煤层裂隙闭合，煤体透气性差，煤层封 存大量的吸附瓦斯。在高压磨料射流的冲击下快速 改变煤体应力集中的的状态，促使应力向煤体深部 和两帮转移，煤层卸压，闭合裂隙张开，煤层透气性 增加，导致大量吸附状态的瓦斯迅速解吸，随着割缝 深入到孔底时瓦斯涌出量上升到顶峰，瓦斯排放速 度到一定时候呈现衰减趋势。割缝过程瓦斯浓度变 化在割缝过程中巷道瓦斯浓度最大为0 ．6 5 ％，比 没有割缝前的瓦斯浓度增加了2 倍，如图3 所示。 3 钻孔参数及割缝前后掘进面瓦斯浓度变化 割缝时间／r a i n 图3 割缝时间与工作面瓦斯浓度关系图 见表1 ，由表1 可得图4 。从图4 、表1 可以明显看 出，通过钻割一体化设备对煤层的钻进割缝之后，掘 进工作面瓦斯浓度有了明显的提高。说明钻割一体 化设备使钻孔内煤体卸压、增透，扩大了瓦斯排放有 效影响范围，提高钻孔瓦斯抽放效果。 表1 钻孔参数表 l 0 ．8 冰 髓0 ．6 鬟o t 4 旧 0 ．2 ． 0 孔号 图4 割缝前后掘进面瓦斯浓度比较 4 结论 1 钻割一体化防突设备是将高压磨料射流技 术与钻孔施工技术相结合，实现打钻和钻孔内割缝 一体化的新型煤矿防治瓦斯突出的设备。 ． 2 通过对该设备的理论分析和现场应用，可 以看出钻割一体化防突设备对钻孔内煤体卸压、增 透；扩大瓦斯排放有效影响范围；提高钻孔瓦斯抽放 效果，进而达到防治瓦斯突出的目的，保障煤矿的安 全生产。 参考文献 [ 1 ] 周世宁，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论[ M ] ．北 京煤炭工业出版社，1 9 9 6 ． r．．．。．．。，．．．．．．．．．．．．．．．．L．．．．。。．．．．。．．，．．．．．．．．．．．L．．．．．．L 万方数据 煤矿安全 2 0 0 8 1 1 3 7 工作状态下多瓦斯抽放 系统性能测试 杨宏伟1 ’2 ，富向2 ，张晋京3 ，李江涛2 ，张劲松2 1 ．北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．煤炭科学研究总院沈阳研究院辽宁沈阳1 1 0 0 1 6 ； 3 ．平顶山煤业集团天安十矿，河南平顶山4 6 7 0 0 0 摘要主要解决了煤矿井下动态运行中的瓦斯抽放系统缺乏实测参数和测试手段问题，弥补了 完全依靠瓦斯抽放手册度日的不足，针对天安十矿瓦斯抽放网络运行过程中出现的动态参数缺 乏问题，提出解决实际问题的方法，为抽放网络的安全可靠运行提供科学依据。 关键词抽放网络；工况区间；特性曲线 中图分类号T D 7 1 2 ．6文献标识码B文章编号1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 8 1 l - 0 0 3 7 一0 3 目前，煤矿瓦斯抽放泵性能曲线基本都是在出 厂时通过模拟获得的，而在矿井特殊环境下，抽放泵 在工作状态中其性能曲线呈现出一定的特殊性，瓦 斯抽放管路铺设在井下变温、潮湿的巷道中，其阻力 系数等参数也会随环境而变化，整个抽放网络优化 过程中需要动态中的实测数据，而当前瓦斯矿井抽 放系统的选型、抽放网络的优化等完全依靠抽放手 册提供的具有共同特征的参数数据而没有针对性。 针对平机山煤业集团天安十矿在工作状态下的瓦斯 抽放泵以及抽放管路提出了测试方案，并根据实测 数据提出了优化方法，保证了整个矿井抽放网络的 正常运行。 1 测试地点和抽放系统概述 目前，天安公司十矿井下现有采区抽放泵站4 个，地面泵站2 个，共有8 台2 B E C 一4 2 型抽放泵，3 台2 B E C 一6 0 型抽放泵，整个抽放系统进行了管路 的连接，形成了庞大的瓦斯抽放管网，既有井上下抽 放泵的串联，又有采区之间的管路连接，能够根据实 际情况进行动态调试，以达到瓦斯抽放安全合理化。 测试地点，主要选在北翼中区泵站泵型为2 B E C 一 4 2 ，共有3 台，1 台抽放2 台备用，其抽放地点主要 为2 0 1 6 0 高位巷，此处的抽放情况和抽放泵型号以 及抽放管路等具有代表性。 2 抽放管路网和抽放泵的参数测试 2 ．1 管路网的参数测定 瓦斯抽放的效果主要反映在瓦斯抽放流量和负 压上，其次和抽放管路的沿程阻力和局部阻力决有 关，因此测试动态中的管路阻力对提高抽放系统的 性能大有益处。 2 ．1 ．1 测试手段 选择抽放系统中一段足够长、敷设平直的管路， 要求其流量、瓦斯浓度比较稳定，且管路气密性比较 好。管道内无积水，无弯头，无阀门等附属装置。 在相距一段距离的位置安设2 个测压嘴，在2 个测压嘴之间用胶管连接水柱压差计，因为在2 个 点之间存在一定的阻力损失，这种阻力损失通过水 柱计的压差体现出来。这时读出水柱压差计读数。 同时测定管内气体的流量、温度、浓度等其它参数 喝p 、9 p 毡p 、s p 吣p 、9 孛吣p 、9 喝、o 毡p 、9 吣p s p 崎p 、9 、p 吨，、o p 吣声咕p 、9 q p 、9 孛吣、 吨p 、9 p p q 产、p p p 崎，、≯ 日妒、9 p 吣P 、窜p q 产、9 q P 、9 p p q p 、≯ q 声 [ 2 ] 林柏泉，崔恒信．矿井瓦斯防治理论与技术[ M ] ．徐 州中国矿业大学出版社，1 9 9 8 ． [ 3 胡殿明，林柏泉．煤层瓦斯赋存规律及防治技术[ M ] ． 徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 6 ． [ 辱] 俞启香．矿井瓦斯防治[ M ] ．徐州中国矿业大学出版 社，1 9 9 2 ． [ 5 ] 煤炭工业部．防治煤与瓦斯突出细则[ s ．北京煤炭 工业出版社，1 9 9 5 ． 作者简介陆海龙 1 9 8 4 一 ，男，吉林吉林人，2 0 0 7 年本 科毕业于中国矿业大学，中国矿业大学安全工程学院安全技 术及工程在读硕士研究生，主要学习研究煤矿瓦斯防治技 术。 收稿日期2 0 0 8 0 3 1 8 ；责任编辑王福厚 万方数据 钻割一体化防突设备原理与应用钻割一体化防突设备原理与应用 作者陆海龙， 张连军， 张海宾， 张志雨 作者单位中国矿业大学安全工程学院,江苏,徐州,221008 刊名 煤矿安全 英文刊名SAFETY IN COAL MINES 年，卷期2008，3911 被引用次数0次 参考文献5条参考文献5条 1.周世宁.林柏泉 煤层瓦斯赋存与流动理论 1996 2.林柏泉.崔恒信 矿井瓦斯防治理论与技术 1998 3.胡殿明.林柏泉 煤层瓦斯赋存规律及防治技术 2006 4.俞启香 矿井瓦斯防治 1992 5.煤炭工业部 防治煤与瓦斯突出细则 1995 本文链接 授权使用黑龙江科技学院hljkjxy，授权号319642e0-9c8a-459e-99bb-9e0f00f55782 下载时间2010年10月14日