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水力扩孔技术在深井石门揭煤防突中的应用

文档作者：张鹏程丽周汝洪王艳华文档来源： 1．煤炭科学研究总院重庆研究院 2．淮南矿业集团公司		点击数：	更新时间： 2022年08月30日
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18 能源技术与管理 2011年第1期
doi：lO．3969~．issn 1672—9943．201 1 0t 007
水力扩孔技木在深并石门褐煤 突中的应用
张鹏 ，程丽 ，周汝洪 ，王艳华
(1．煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆400037；2．淮南矿业集团公司新庄孜煤矿，安徽淮南232001)
[摘要] 为了保证矿井顺利安全的揭开淮南矿业集团新庄孜矿B 煤层，根据矿井B 煤层赋
存及突出危险性情况，进行了水力扩孔试验。通过对水力扩孔后的钻孔瓦斯流量、
排出煤屑率、瓦斯抽排率钻孔等指标的考察以及揭煤过程中防突效果的验证，综合
分析认为：水力扩孔技术在石门揭煤过程中可以提高钻孔瓦斯抽排效果，减少防突
工程，加快石门揭煤速度。
[关键词] 水力扩孔；石门揭煤；防突
[中图分类号]TD713+．34[文献标识码]A [文章编号]1672-9943(201 1)01-001 8-03
1 试验区基本情况
淮南矿业集团公司新庄孜矿主采煤层A 、B 、
B 、B， 、B 较复杂，其它煤层均较简单。井田内普
遍发育相当数量的中、小型构造，以压扭性为主。
试验地点为一812 m北一暗副斜井井底车场揭B
煤层。该车场设计按NE方向以方位角58o向前
施工石门，至B 煤层顶板2 m结束。B 煤层的物
理性质为黑色，玻璃光泽，水平层理，参差状断口，
裂隙较发育，较硬，易碎，可选性高。煤岩结构简
单，中部夹0～0．4 m泥岩矸石。该段煤层的倾角为
22。～26。，煤层硬度0．3～0．5，煤层厚度2．8～3．6 m。
从该矿历史突出资料和瓦斯地质角度来看，
新庄孜矿B 煤层共突出6次，其中石门1次，煤
巷5次，采煤工作面1次，始突标高一301 m(深度
约325 ITI)。矿井进入一812 m水平开拓，石门揭穿
B 煤层垂深达830 1TI左右，突出危险性明显增
加。另外，揭煤施工钻孔均不同程度地发生夹钻、
顶钻的现象，且施工过程中多次发生严重喷孔的
情况，喷出大量的煤和瓦斯，单孑L喷煤量达3 t，因
此，揭煤区域内B 煤层突出危险性十分严重。
针对B 煤层埋深大、突出危险性大等特点，
为了保证顺利安全的揭开B 煤层，决定在此进行
水力扩孑L试验，加快瓦斯排放速度，提高揭煤安全
性和揭煤速度。
2 高压水射扩孔及消突原理[1-3
2．1 水力扩孔原理
基金项目：国家“十一五”科技攻关支撑项目(2007BAK28B01)
水力扩孔原理是：钻孔施工后，钻孑L周围煤体
一定范围内发生塑性破坏，原生裂隙和破坏裂隙
发育，同时瓦斯的解吸和释放，使的煤体强度明显
降低，这为水力扩孔创造了有利条件。然后在已施
工的穿层钻孑L中，利用可喷出水力，又能自行旋转
的扩孔射流器对钻孔周围的煤体进行旋转切割。
同时通过高压扩孔钻杆沿钻孔轴向方向运动形成
对整个钻孔的径向连续扩孔。通过切割排出更多
煤炭，达到扩大钻孔直径，增加煤层的暴露面积和
卸压范围，提高煤层的透气性，加大抽放或排放钻
孔的影响半径，提高钻孔的抽排瓦斯量和抽排效
果。
2．2 水力扩孑L消突原理
煤层中发生煤与瓦斯突出的动力，是煤层和
围岩中的弹性潜能和瓦斯的膨胀能。因此只要能
足够释放引起煤和瓦斯突出的能量，就能达到预
防瓦斯突出的目的。水力措施就是依靠高压水的
冲击能力，使得受力煤体逐渐破碎，并向孔道方向
发生大幅度的移动，造成煤体的膨胀变形和位移，
促使孑L道周围一定范围内煤体应力得以释放。同
时，孔道周围得到充分卸压的煤体裂隙显著增加，
从而大幅度提高煤层透气性，促进瓦斯解吸和排
放，大大减少煤层中的瓦斯含量，并使煤的塑性增
高和湿度增加，达到既消除了突出的动力，又改变
了突出煤层的性质，从而起到在采掘作业时防止
煤与瓦斯突出的作用。另外，通过高压水的浸泡，
使得大面积煤体的硬度整体降低，弱化了煤层中
软硬分层的层理性质差异，调节了瓦斯压力分布，
降低了瓦斯压力梯度，进一步避免了突出危险的
发生。总的说，水力措施增加了煤的塑性，降低了
2011年第1期 张鹏，等水力扩孔技术在深井石门揭煤防突中的应用 19
煤体内部的应力集中，提高了煤层的透气性，促进
了瓦斯的释放，增加了防止煤和瓦斯突出的能力，
起到了综合防突的作用。
3 水力扩孔设备
水力扩孔的设备由水力扩孔器及其配套的高
压水泵组成。水力扩孔器包括扩孔射流器、过滤装
置、高压扩孔钻杆和高压水泵等主要部件。高压水
泵主要技术参数为-额定压力25 MPa，额定流量
50～75 L／min。当现场供水条件差时，还需增加一
个过滤储水箱。水力扩孔设备及工艺流程示意图
如图1、2所示。
图1 水力扩孔设备及工艺流程示意图
喷嘴 旋转喷嘴轴 保护套
4 水力扩孑L防突效果分析
图2 水力扩子L射流器及其结构示意图
4．1 钻子L瓦斯流量考察
试验过程中，对B 煤层考察钻孔的自然瓦斯
流量进行了对比分析。图3为考察钻孔瓦斯流量
衰减曲线图，其中：5 钻孔为自然排放钻孔，24 钻
孔为自然排放稳定后再进行水力扩孔。
l
| —·一5 一自然排放I
} 一24—一水力扩孔l
t
}
● — ● 一 ．
、 ＼ ＼
I
0 2 4 6 8 10 l2 14 16 】8
天数／d
图3 考察钻孑L百米煤孔瓦斯流量衰减曲线
由5 钻孔衰减曲线可知，钻孔自然瓦斯流量
变化随着时间的延长，基本呈现陡减至衰减稳定
的趋势，需要大约15 d的时间。另外钻孔前4 d时
间的瓦斯流量较大，但衰减较快，可见煤层原始透
气性较差，单纯利用排放钻孔来卸压及排放瓦斯，
时间长，效果差，短时问内难以达到较好的消突效
果。
24#钻孔为钻孔自然瓦斯流量衰减稳定后进
行水力扩孔，其自然瓦斯流量衰减稳定值为
5．6 L／rain。由图3中24 钻孑L经水力扩孔后的百米
煤孔瓦斯流量衰减曲线可知，水力扩孔后钻孔瓦
斯流量明显增大，百米煤孔瓦斯流量最大值达
1 10 Umin，比其自然瓦斯流量衰减稳定值增大近
20倍；水力扩孔后钻孔瓦斯流量变化随着时间的
延长，基本呈现先小幅度增大，然后稳定一段时间
后，再大幅度减小直至衰减稳定的这样一个过程。
显然，采用水力扩孔措施强化了钻孔周围煤体卸
能源技术与管理 201 1年第1期
压、提高了瓦斯排放效果，从而可以缩短揭煤工
期。
4．2 钻孔排出煤屑率考察
根据前期排放孔施工和水力扩孔过程中的煤
粉量统计，从施工排放孔开始，截至到2008年5
月7日，揭煤区域共出煤量约200 t。其中，措施孔
170 t，单孔1 t；水力扩孔30 t，单孔0．4 t。因此，单
孔出煤量，为排放钻孔体积煤量的25倍，水力扩
孔又新增煤屑量为钻孔体积煤量的l0倍。
根据揭煤控制区域内的煤量8 525 t，计算可
知整个石门揭煤措施钻孑L控制区域内的排出煤屑
率为2．35％。
由于措施钻孔较均匀地布置在石门揭煤控制
区域，钻孔排出煤屑率预计2．35％[4j。按照《防治
煤与瓦斯突出规定》第八十三条规定：石门全断面
冲 的总煤量(t)数值不得小于煤层厚度(m)乘以
20。经计算分析认为采取水力扩孑L措施后排出煤
屑率达到2．35％，说明扩孔后其卸压效果是显著
的。
4．3 瓦斯抽排量
通过在突出危险l生煤层揭煤防突措施中采用
水力扩孑L后，排放瓦斯量为0．5 m3／min，抽采瓦斯
量为0．4 m3／min，总抽排量达到13．3万m 。
4．4 残余瓦斯压力及含量
在石门迎头距B 煤层法距5．3 m处，进行残
余瓦斯压力测定，其最大值为0．2 MPa，根据《煤矿
瓦斯抽采基本指标》中的公式计算得B 煤层残余
瓦斯含量为4．2 m3／t。
4．5 钻孔预测指标效果检验
在距煤层法距2 ITI迎头位置，测得钻屑量预
测指标S～=2．0 kg／m， 钻屑解吸指标K ～=
0．14 mL／g·min ，所测预测指标最大值均小于B 煤
层预测指标临界值ESJSo=4．0kg／m，K1o=0．3 mug·min 。
4．6 防突效果综合分析
钻孔经水力扩孑L后钻孔平均直径均达到350 mm
以上，为扩孔前的4倍；最大直径达到652 mm，为
扩孔前的7．5倍。扩孔后钻孔的抽排效果明显提
高，抽放量达到扩孔前的2倍以上。钻孔扩孔后，
增大了钻孔煤层的露面积和卸压范围，降低了煤
体的应力，增加了煤体的力学强度，降低了煤层的
突出危险性；明显降低预测突出危险性指标，减少
了防突措施工作量，加快了石门揭煤速度。揭煤过
程未出现吸钻、夹钻、冒顶等动力现象，实现了安
全、顺利地揭开整个B 煤层。
采取水力扩孔技术后，石门揭煤区域B 煤层
煤与瓦斯突出危险性评价结果如表1所示。
表1 石门揭煤区域B 煤层煤与瓦斯突出危险性评价
项目 煤层残余参数判别指标突出危险性
以上分析说明，经过水力扩孔后，进行揭煤区
域瓦斯抽采后，消除了B 煤层的突出危险性，满
足矿井快速高效揭煤的要求。
5 结论
(1)采用水力扩孔技术能冲出大量的煤炭，
增加煤体的暴露面积，提高煤层的透气性，有利于
钻孔瓦斯的抽排，缩短了排放时间，减少钻孔数
量；同时扩大了钻孔卸压的范围，减小或削弱了突
出煤层的突出危险性。
(2)试验区B 煤层埋深大、突出危险性大，
采用水力扩孔技术后有效的消除煤层突出危险，
并加快了石门揭煤速度。
(3)水力扩孔技术在深井石门揭煤中的成功
应用，为矿井深部开采提供了安全技术保障。
[参考文献]
[1]于不凡．煤矿瓦斯灾害防治与利用手册[M]．北京：煤
炭工业出版社，2005
『2]梁运培，孙东玲，董钢锋．高压水射流扩孔技术的研究
[J]．煤炭科学技术，2001，29(10)
[3]淮南矿业(集团)有限责任公司，煤炭科学研究总院重
庆研究院．淮南矿区石门揭煤水力防突技术研究[R]．
2009
[4]淮南矿业(集团)有限责任公司，煤炭科学研究总院重
庆研究院．采掘工作面(包括石门揭煤)突出预测预报
敏感指标体系及其临界值的确定[R]，2009
f5 f国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．防
治煤与瓦斯突出规定『M1．jE京： 煤炭工业出版社，
2009
[作者简介]
张鹏f1982一)，男，2006年毕业于安徽理工大学，现工
作于煤炭科学研究总院重庆研究院。
[收稿日期：201o一09-25]

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