煤矿井下高压水力割缝增透预抽瓦斯防突措施的研究与实施研究报告

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