[00142745]超高压水力钻割一体化成套卸压增透技术研究与应用

一、课题来源与背景 本课题来源于中煤新集能源股份有限公司安全生产重大立项项目。新集矿区现有新集一矿、新集二矿、刘庄煤矿、口孜东矿四对生产矿井,煤层透气性系数低（小于0.01m2/MPa2·d）,属难抽采煤层。新集一矿、新集二矿煤层原始瓦斯含量高、压力大（14.22m3/t、3.6MPa）,瓦斯突出灾害严重;刘庄煤矿单面日产量高（15000t）,高效集约化生产,瓦斯涌出量大（70m3/min）,瓦斯涌出灾害严重;口孜东矿单面日产量较高（12000t）,主采13-1煤层及顶板岩层具有强冲击倾向性,应力主导型动力灾害严重。新集矿区采用的控制预裂爆破增透技术、水力钻扩一体化卸压增透技术,因现场条件及工艺操作的限制无法大范围推广应用。因此,以新集矿区为代表的突出、冲击地压煤层灾害为背景,开展“超高压水力钻割一体化成套卸压增透技术研究与应用”专项研究,以实现高地应力、高瓦斯、低渗透条件下钻孔快速卸压、增透技术。 二、技术原理及性能指标 超高压水力割缝是在钻孔施工之后,利用超高压水射流的水锤压力和滞止压力在钻孔内切割煤体,形成一定宽度和深度的扁平缝槽,缝槽附近煤层含水率增大,煤岩内应力降低,引起受压煤体裂隙张开,煤体透气性提高。同时由于切割缝槽提供煤岩变形空间,地应力再次加载以后煤体不会因为承压而发生弹塑性变形,由切割缝槽形成瓦斯流动宏观通道的同时,缝槽的上下侧面会形成大量的次生裂隙。由宏观的缝槽和大量的次生裂隙共同构成了解析瓦斯的流动路径,合理控制缝槽间距,由径向流动与割缝层间流动共同作用实现钻孔间环形网状层间流动自卸压,煤体卸压均匀、充分,煤体的整体透气性系数得以大幅度提高,抽采影响范围增大,抽采效果显著提高。 研究获得煤层水力割缝效果评价方法及指标。集成了工作压力100MPa超高压水力割缝装置,穿层钻孔割缝深度120m以上、顺层钻孔割缝深度100m以上,割缝半径超过2m。可节省钻孔工程量减少40%以上,抽采达标时间缩短30%以上。申请专利6项,发表论文11篇。 三、技术的创造性与先进性 构建了高压水射流破煤深度预测模型和割缝后瓦斯流－固耦合模型,提出了环形网割缝层间流动自卸压增透机制。研究获得了新集矿区不同条件超高压水力割缝合理化工艺及参数,提出了煤层水力割缝效果评价方法及指标。集成了适用于新集矿区的超高压水力割缝成套设备,实现了不退钻杆低压钻进、高压割缝一体化工艺技术,提高了钻孔割缝效率,形成了高压水安全传输防护技术。形成了以防治瓦斯为主导因素的底板穿层钻孔及顺层长钻孔超高压水力割缝工艺技术,研究了深井应力主导型顺层钻孔割缝抽采结合煤层注水的复合型防治技术,编制了超高压水力割缝操作规范。采用超高压水力割缝技术,煤层群揭煤区域减少钻孔工程量45%以上,割缝排出煤屑率3‰以上,缩短揭煤时间50%以上,实现了安全高效揭煤。 四、技术的成熟程度,适用范围和安全性 研究成果已形成完整的技术装备体系,主要应用于底板岩巷、石门揭煤、煤巷条带、回采工作面不同条件下的超高压水力割缝增透。该成果应用以来,有效的控制矿区采掘工作面煤与瓦斯动力灾害事故的发生,保障了一线工人的生命安全,创造了安全的井下工作环境。 五、应用情况及存在问题 已在新集矿区全面推广使用,同时推广至淮南矿业集团、大方绿塘煤矿有限责任公司、山西潞安集团等矿业集团近20余对矿井。 采用超高压水力割缝技术对下向孔（角度大于10°）进行割缝,钻孔排渣困难,容易造成堵孔,对于下向孔割缝装备工艺还有待深入研究。 六、历年获奖情况 2018年获中国煤炭工业协会科学技术进步奖二等奖。 七、成果简介 （1）构建了高压水射流破煤深度预测模型和割缝后瓦斯流－固耦合模型,提出了环形割缝层间卸压增透流动机制,为超高压水力割缝合理参数确定及应用提供理论依据。 （2） 研究了不同钻孔布置方式、煤层硬度、割缝压力、割缝方式等参数下的钻孔周围煤体应力场演化规律,获得了新集矿区不同条件超高压水力割缝合理化工艺及参数,提出了煤层水力割缝效果评价方法及指标。 （3） 集成了适用于新集矿区的100MPa超高压水力割缝成套设备,实现了不退钻杆低压钻进、高压割缝一体化工艺技术,提高了钻孔割缝效率,形成了高压水安全传输防护技术。 （4） 形成了以防治瓦斯为主导因素的底板穿层钻孔及顺层长钻孔超高压水力割缝工艺技术,研究了深井应力主导型顺层钻孔割缝抽采结合煤层注水的复合型防治技术,编制了超高压水力割缝操作规范。 （5） 研究了复杂地质条件下煤层群超高压水力割缝石门快速揭煤工艺技术,新集矿区受推覆体影响下瓦斯压力高、瓦斯含量大,采用超高压水力割缝技术,煤层群揭煤区域减少钻孔工程量45%以上,割缝排出煤屑率3‰以上,缩短揭煤时间50%以上,实现了安全高效揭煤。