自激振荡脉冲水射流割缝新技术在逢春煤矿石门揭煤中的应用研究

自激振荡脉冲水射流割缝新技术在逢春煤矿石门揭煤中的应用研究卢义玉，葛兆龙，李晓红，左伟芹，刘勇，王晓川，陆朝晖重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆，400044;摘要：针对西南地区煤矿石门揭煤周期长，严重制约了煤矿安全生产和采掘工作面接替等问题，提出了利用自激振荡脉冲水射流在煤层中割缝，增加煤层透气性，提高瓦斯解吸率，缩短石门揭煤时间的新思路。研究了高压脉冲水射流自激振荡的形成机理及其特性；研究了高压脉冲水射流的自激振荡特性对煤体裂隙率和瓦斯解吸率的影响规律；结合西南地区石门揭煤的特殊性，设计出了一套自激振荡脉冲水射流钻孔割缝装置；通过实验室试验研究供水压力、流量等因素与切槽深度、宽度及瓦斯解吸率的关系，优化了自激振荡喷嘴结构及高压脉冲水射流的水力参数。通过在重庆逢春煤矿+523S4机轨巷揭M8煤层应用表明，使用自激振荡脉冲水射流割缝在煤层中的影响范围可达1.5m以上，增大了煤层瓦斯解吸能力，瓦斯释放量提高了4.4倍，钻孔数量减少了60%，缩短了工期达70天以上，提高了工效。关键词：自激振荡水射流；割缝；瓦斯抽放；石门揭煤Applicationinvestigationintouncoveringrockcross-cutcoalbyself-excitedoscillationpulsedwaterjetslottinginFeng-ChuncoalmineLUYi-yu,GEZhaolong,LIXiaohong,ZUOWeiqin,LIUYong,WANGXiaochuan,LUZhaohui(EducationMinistry’sKeyLabfortheExploitationofSouthwesternResources&EnvironmentalDisasterControlEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing,400044,China)Abstract:Thelongperiodofrockcross-cutcoaluncoveringseriouslyimpairsthesafetyofcoalminingproductionandrestrictsdrivingfacesupersedureinmineofsouthwestChina.Tosolvetheproblem,anewideausingself-excitedoscillationpulsedwaterjetslottingisproposedtoimprovethepermeabilityofseam,increasethegasdesorptionrate,andshortensthecycleofrockcross-cutcoaluncovering.Formingmechanismandcharacteristicsofself-excitedoscillationpulsedwaterjet,theeffectingpropertiesoncrackedratioofcoalmineandthegasdesorptionratearestudied.Basedontheparticularityofrockcross-cutcoaluncoveringinsouthwestChina,thedevicefordrillingandslottingwithself-excitedoscillationpulsedwaterjetisdesigned.Thehydraulicparametersofself-excitedoscillationpulsedwaterjetandtheself-excitedoscillationnozzlestructureareoptimizedbystudyingthepumppressure,flowrate,andtheirrelationshipwiththedepthandwidthofcuttingandthegasdesorptionrate.ThroughapplicationonFeng-Chuncoalmine,theresultsshowthattheinfluentscalerangeofself-excitedoscillationpulsedwaterjetreachesto1.5mormoreincoalseam,andtheamountofgasadsorptionincreasesby4.4times.Theefficiencyofcoalminingproductionisincreasedbyreducingamountofdrillingholesby60%,andshorteningconstructionperiodbymorethan70days.Keywords:self-excitedoscillationpulsedwaterjet;slotting;gasdrainage;rockcross-cutcoaluncovering引言石门揭煤是一项危险性大、技术难度高的工作，往往成为制约矿井合理采掘部署的瓶颈问题。根据统计资料，重庆地区在国内是大中型煤矿煤与瓦斯突出最为严重的地区，矿井最大突出强度（上千吨的特大型煤与瓦斯突出）多数发生在石门揭煤工作面。南桐矿务局发生特大型煤与瓦斯突出8次，其中石门揭煤工作面发生6次，占特大型煤与瓦斯突出的75%，最大突出强度8750t/次，瓦斯涌出量140万m3。石门揭煤突出危险性比掘进工作面、回采工作面要严重得多。它的突出强度大、瓦斯涌出量多、突出瓦斯波及范围广，危害严重的特点给矿井职工的生命安全带来极大的威胁，而且给国家财产造成巨大的损失。基金项目：国家自然科学基金委专项创新研究群体基金项目(50621403)；重庆市科委自然科学基金(CSTC,2006BA4011)作者简介：卢义玉(1972-)，男，湖北京山人，重庆大学教授，博士生导师。Tel：[phone]，Email:[e-mail]多年来，重庆地区针对不同地质条件的煤田、不同煤层、不同突出危险性的石门揭煤工作面已形成水力冲孔、排放钻孔、预抽瓦斯、渐近法防突技术、金属骨架、直眼深孔全断面爆破技术、直接采用振动爆破等石门揭煤防突技术措施。起到了一定的防突作用，但这些措施工艺复杂，揭煤工期过长(一般超过六个月)，严重影响矿井安全生产和正常接替。因此，迫切需要研究严重突出煤层石门快速揭煤新技术，在保障矿井安全生产的基础上，缩短揭煤时间，缓解矿井接替紧张局面[1]-[4]。本文拟研究自激振荡脉冲水射流及其破煤的压力效应和动力效应；通过实验室试验探讨水力压力、切槽深度及宽度等与松软煤层裂隙率之间的相互关系，优化水力参数；并应用于重庆市松藻煤电有限公司逢春煤矿。1．自激振荡脉冲水射流应用原理1.1自激振荡脉冲水射流原理自激振荡脉冲水射流是利用水射流的不稳定流动特性，通过调整连续水射流的流动参数和结构参数，对水射流的涡量扰动进行闭环反馈和放大，将连续水射流改变为压力脉动的冲击式水射流，水射流作用在靶体材料上的力为按一定频率周期性变化的高频冲击载荷。试验和现场应用证明，这种冲击力是连续水射流滞止压力的1.5~2.5倍，大大地提高了对靶体材料的冲蚀破坏作用[5]-[6]。1.2自激振荡脉冲水射流的割缝原理在自激振荡脉冲水射流沿煤层割缝过程中，由于自激振荡脉冲水射流的冲击作用、振荡作用、准静压作用和物理作用，一方面使煤岩骨架应力变化，导致煤体特性（如弹性模量、强度和渗透率等）变化，从而影响割缝煤体内瓦斯的流动和压力分布；另一方面瓦斯运移状态的变化又引起煤体骨架应力状态的变化。自激振荡脉冲水射流冲击产生应力波，被冲击区在强大应力波作用下处于绝对受压状态，当射流冲击煤体的压缩波传播到煤体的自由表面时，煤体所受到的应力从入射时的压缩应力变成全反射时的拉伸应力，当拉伸应力超过部分低强度煤体的拉伸强度时，就促使煤体发生拉伸破裂，形成裂隙。这种应力波对瓦斯渗流有两方面影响：一是导致煤体原始应力分布状态完全改变，应力变化引起煤体裂隙发生变化，同时当瓦斯解析时，煤炭颗粒的表面张力增加，煤体就会收缩，其体积变小，增大了裂隙、孔隙的尺寸；另一方面，裂隙率变化会引起瓦斯渗透系数的变化。冲击产生的应力波以地震波形式传播，引起煤体变形的震动效应，使得裂隙内瓦斯原有的等温、等压平衡状态被打破，造成裂隙内瓦斯的波动，波动会引起温度升高—即热效应，这将加剧瓦斯的解吸；同时瓦斯的波动将引起裂隙局部的振动，波动引起的热效应和振动随应力波的强弱变化。煤层实施割缝后，不仅增大了瓦斯溢出的自由面，且由于煤体的破裂，在切割缝的周围形成较大范围的高渗透裂隙区，从而更大幅度的增加了瓦斯的运移通道，使得在瓦斯抽采初期具有较大的瓦斯抽采速度。2．实验室试验优化水力参数实验室切割煤样是从重庆松藻煤电公司逢春煤矿现场采集的，将采集的煤块放入木箱内，然后用水泥进行包裹以防止其碎裂。煤块的坚固性系数为0.35，自激振荡喷嘴以10mm/s的速度移动。在试验中采取调节靶距和泵压来研究切割效果。从试验结果可以看出，随着靶距的增加，冲蚀体积率逐渐增加，靶距增加到10d1时，冲蚀体积率达到最大值，后随着靶距的增加，冲蚀体积率开始下滑，因此，本次试验确定10d1为最优靶距。另一方面，如图3所示，当水压提高到20MPa以上时，切割深度便达到1.5m以上，能够保证提高煤层透气性。3．在逢春煤矿石门揭煤中的应用研究3.1逢春煤矿试验3.1.1试验设备及连接实验装置布置示意图如图1所示。图1装置连接示意图Fig1.Sketchmapofdeviceconnection3.1.2实验地点水文地质条件逢春煤矿实验选在+523S4机轨巷M8煤层底板2m垂距处进行。该区域煤层平均倾角50°，平均倾向297°，M6-3煤层厚0.75m、M8煤层厚1.61m、M7-2煤层厚1.07m。地面标高990~1052m，M8、M7-2煤层揭煤点埋深467m。M9煤层与M8煤层层间距变化较大，M8煤层厚度变化较大（变薄），分析M8煤层处受断层影响严重。该区域煤层瓦斯含量：M8煤层为23.47m3/t；M7-2煤层为18.31m3/t；M9煤层为18.21m3/t，均具有煤与瓦斯突出危险。实验区域由茅口石灰岩向煤系掘进，岩性主要为石灰岩、砂质泥岩、泥岩、砂岩、泥灰岩及煤层，煤层顶底板以砂质泥岩、泥岩为主，煤岩石层位基本正常。3.1.3割缝钻孔设计及试验结果分析根据已经收集的逢春煤矿的水文地质资料和以往石门揭煤瓦斯抽采的相关数据，设计了现场试验方案，共设计9个钻孔。倾斜煤层割缝示意图如图2所示。切割缝钻孔煤层切割缝图2煤层割缝示意图Fig2.Sketchmapofcoalseamslotting（1）割缝时瓦斯解析量我们将自激振荡脉冲水射流割缝时的回风瓦斯情况进行了记录，然后计算了割缝时的瓦斯解吸量，最后我们将其与未割缝前施工检验孔的瓦斯解吸量分别做了比较，详见图3、4。0.000.200.400.600.801.00123456789孔号分钟瓦斯解析量（m3/min）割缝孔未割缝孔00.10.20.30.40.50.60.7123456789孔号平均瓦斯浓度（%）割缝孔未割缝孔图3割缝孔与检验孔分钟瓦斯解吸量对比图图4割缝孔与检验孔平均瓦斯浓度对比图Fig3.ComparisonchartofgassesresolvequantityperFig4.Comparisonchartofaveragegasconcentrationminuteofslotted-holesandtest-holesofslotted-holesandtest-holes由图3可以看出，煤层在自激振荡脉冲水射流的作用下，瓦斯释放通道增大，煤层暴露面积增加，瓦斯解吸量大幅度增加，比割缝前自然排放时提高了293%，瞬时平均瓦斯纯量为0.6m3/min，由图4可以看出割缝时瓦斯浓度比割缝前施工检