針對平頂山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜堯瓦斯含量高及煤層透氣性系數(shù)低等賦存特性袁提出利用高壓水射流割縫實(shí)施鉆孔割縫，使煤體卸壓堯增透，以達(dá)到增強(qiáng)瓦斯抽采能力的目的遙 結(jié)果表明，水力割孔比普通孔抽采瓦斯量大幅提高，割縫后鄰近的普通孔的瓦斯抽采濃度分別為割縫前的1.1倍和1.9倍，可見采用高壓水射流割縫時瓦斯抽采平均濃度較割縫前急劇上升，且割縫還“激活”了鄰近的普通瓦斯抽采鉆孔，致使瓦斯抽采濃度發(fā)生突躍。另外為抑制水力割縫誘發(fā)的噴孔現(xiàn)象，避免施工巷道下，全塵質(zhì)量濃度由75mg/m3降至8mg/m3左右，呼吸
0 引 言
在不具備保護(hù)層開采條件下，高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯預(yù)抽是礦井瓦斯治理的難題，主要表現(xiàn)在抽采流量小、濃度低、工程量大，難以滿足安全生產(chǎn)、資源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)的需要。利用高壓水射流進(jìn)行鉆孔內(nèi)割縫可以克服鉆孔周圍的瓶頸效應(yīng)，卸除煤巖體應(yīng)力，減弱瓦斯內(nèi)能，擴(kuò)大孔內(nèi)裂隙網(wǎng)，對提高低透氣性煤層的采前預(yù)抽效果非常顯著。文獻(xiàn)通過水力沖割煤層卸壓抽采瓦斯技術(shù)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該方案對煤層卸壓顯著，改變了原始煤層裂隙狀態(tài)，從而增大煤層透氣性能，提高了瓦斯抽采量。在相同煤質(zhì)條件下，水力割孔比普通孔抽采瓦斯量提高約70%。文獻(xiàn)對此進(jìn)行了繼續(xù)研究，進(jìn)一步確認(rèn)了高壓水射流技術(shù)對煤層卸壓增透的有效性，并對其相關(guān)機(jī)理展開了探索。文獻(xiàn)則提出一種高壓旋轉(zhuǎn)射流割縫增透防突技術(shù)，使瓦斯抽采量數(shù)倍于割縫前。為進(jìn)一步加強(qiáng)煤層卸壓、增透、提高瓦斯抽采效率。文獻(xiàn)提出利用自激振蕩脈沖水射流實(shí)施煤層割縫，不僅大幅提高了瓦斯的解吸率，還獲得了較高的鉆進(jìn)速度。由此可見，高壓水射流割縫技術(shù)在煤層割縫卸壓增透方面凸具潛力。由于不同礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造差異大、煤層賦存特性相異，該新技術(shù)及新工藝的推廣必須應(yīng)先開展適應(yīng)性研究。因此筆者結(jié)合平煤礦區(qū)煤層瓦斯賦存特性，通過實(shí)際測試高壓水射流割縫技術(shù)穿層割縫對割縫孔及其鄰近普通孔瓦斯?jié)舛鹊?/span>影響規(guī)律，總結(jié)其特點(diǎn)，以期尋求適用于平頂山礦區(qū)的高效、可靠的煤與瓦斯突出治理方法，并為后續(xù)開采提供重要的技術(shù)參數(shù)。此外，為避免割縫過程中鉆孔內(nèi)的瓦斯、煤、水混合物沖出封閉空間，導(dǎo)致巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛壬?，形成安全隱患，提出一種防噴孔裝置并驗(yàn)證其效果。
1 平煤礦區(qū)煤與瓦斯突出概況
平煤礦區(qū)煤層賦存條件復(fù)雜，瓦斯含量高（深部區(qū)域超過30m3/t),煤層孔隙小(<10mm)、滲透系數(shù)低(0.0001-0.0228m/d),突出危險性大,是嚴(yán)重的瓦斯災(zāi)害礦區(qū)之一。
目前,礦區(qū)在淺部開采時,受局部防突措施作用,煤與瓦斯突出已得到了有效防范及遏制,特別是大型突出的發(fā)生頻率急劇衰減。但隨著礦井向深部開采發(fā)展，地質(zhì)構(gòu)造情況越來越復(fù)雜，局部防突措施的局限性也逐漸顯現(xiàn)出來袁面對“三高、一復(fù)雜”（地應(yīng)力高、瓦斯壓力高、瓦斯含量高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜）的局面，突出次數(shù)雖然逐年減少，但突出強(qiáng)度卻越來越大。截至2014年9月，已發(fā)生的,157次煤與瓦斯突出中，每次突出煤量均在,1000t以上。因而，采取切實(shí)可行的區(qū)域瓦斯治理措施防治煤與瓦斯突出，成為礦井實(shí)現(xiàn)安全堯高效生產(chǎn)的首要問題。
2 高壓水射流割縫原理
高壓水射流割縫的基本原理為院運(yùn)用高壓水射流割縫對鉆孔內(nèi)周圍煤體進(jìn)行切割，受鉆桿旋轉(zhuǎn)及抽拉運(yùn)動影響在其表層畫出一系列具有一定深度的螺旋縫槽，利用水流將切割下來的煤體驅(qū)出孔外遙孔內(nèi)則因割縫產(chǎn)生一定的空間，引起煤體卸壓、增透，瓶頸效應(yīng)隨之消失，從而使得煤層中的瓦斯充分釋放，以達(dá)到提高割縫孔及鄰近普通孔瓦斯流量與濃度的目的。
自振脈沖水射流產(chǎn)生的脈沖水錘壓力效應(yīng)使得煤巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈現(xiàn)交變特征，導(dǎo)致煤體彈性模量、強(qiáng)度和滲透率等結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變，從而影響割縫煤體內(nèi)瓦斯的流動及壓力分布狀態(tài)。同時，射流中漩渦運(yùn)動的解耦會加劇其徑向振蕩，在沖擊試件表面時形成強(qiáng)烈的切應(yīng)力和交變剪應(yīng)力，引發(fā)煤體新生裂隙并使之連通，孔隙率增加，透氣性提高，導(dǎo)致水力割縫鉆孔與周圍抽采鉆孔之間的連通，實(shí)現(xiàn)整體卸壓增透遙。
3 高壓水射流割縫增強(qiáng)瓦斯抽采效果分析
3.1 高壓水射流割縫試驗(yàn)系統(tǒng)
高壓水射流割縫試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示遙 將該系統(tǒng)安裝在己15.17-13031回風(fēng)巷750m處。
為減弱射流割縫反沖力袁起始割縫壓力設(shè)定在5MPa以下,在割縫過程中視出煤情況緩慢加壓,最
高不超過30MPa。泵壓穩(wěn)定一段時間后，壓力會下降，若持續(xù)加壓時其壓力仍無明顯變化，或者觀測孔附近瓦斯?jié)舛让黠@升高則說明割縫已完成。
3.2 瓦斯排放動力特性
鉆孔割縫時的瓦斯動力特性是反映自振脈沖水射流割縫處理煤層瓦斯效果的重要指標(biāo)之一。高瓦斯突出煤層由于水射流的切割，沖擊作用，導(dǎo)致出現(xiàn)多峰值濃度。因此，有自噴特性的煤層可以采取水力割縫技術(shù)，既有利于水力誘導(dǎo)鉆孔內(nèi)煤體發(fā)生小型可控突出，造成鉆孔一定范圍內(nèi)卸壓，又有助于射流向鉆孔兩側(cè)深部煤體切割堯破碎，形成較寬的卸壓縫槽，進(jìn)一步擴(kuò)大鉆孔兩側(cè)的卸壓源。
為分析割縫作業(yè)時孔內(nèi)瓦斯動力特性，利用瓦斯探頭測量各鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛妊葑兲匦?，由?shí)際觀測可知其變化特征均相異，較為復(fù)雜。但就整體而言，可以按探頭監(jiān)測到的最大峰值將瓦斯排放現(xiàn)象分為以下3類（圖2）：
第2類院瓦斯動力現(xiàn)象尤為顯著，多次發(fā)生間歇噴孔，排出煤渣細(xì)小袁呈粉末狀，如鉆割抽采孔G20-2-2。此情況下，可以采用定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的圓盤式?jīng)_孔或邊轉(zhuǎn)邊退的螺旋式?jīng)_孔。
第3類：幾乎瓦斯動力現(xiàn)象，煤渣順暢排出袁返水量較大，巷道瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)小幅波動，最大峰值小于0.2，,煤渣仍然呈塊狀。此時，可適當(dāng)升高泵壓，增強(qiáng)射流對煤體的沖擊，提高排渣效率。同時，應(yīng)來回旋轉(zhuǎn)抽拉鉆桿，以疏通鉆孔。
3.3 瓦斯抽采效果分析
為考察高壓水射流割縫增強(qiáng)瓦斯抽采的效果，對割縫孔內(nèi)瓦斯抽采濃度變化規(guī)律及割縫影響鄰近普通孔的特性進(jìn)行了研究。
1）割縫孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律。統(tǒng)計(jì)割縫孔G20-2-1、G20-2-2和普通孔G20-5-1、G20-5-2在抽采43d的濃度,如圖3所示。割縫孔與普通孔瓦斯抽采濃度在起始時間相差并不明顯，之后隨時間推移兩者差異顯著增加。這說明自振脈沖水射流對煤層的影響頗為明顯，射流割縫不僅增大了瓦斯溢流空間，且由于射流的振蕩沖擊效應(yīng)，在割縫
的周圍形成較大范圍的高滲透裂隙區(qū)，因而引發(fā)深部煤層發(fā)生卸壓（地應(yīng)力減小）、變形、膨脹、大幅提高了煤體透氣性，從而大幅擴(kuò)展了瓦斯的運(yùn)移通道，這使得抽采中期仍呈現(xiàn)高瓦斯?jié)舛?。在抽采后期?/span>由于煤層內(nèi)瓦斯排放已近尾聲，因而兩者抽采瓦斯濃度趨于一致。
為了定量分析割縫孔與普通孔濃度的差異，計(jì)算了兩者在統(tǒng)計(jì)時間內(nèi)的平均濃度，圖3a中G20-2-1與G20-5-1的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)分別為71.6%與30.3%，而圖3b所對應(yīng)值則分別是59.4%和32.1%。可見割縫孔所對應(yīng)的瓦斯抽采平均濃度遠(yuǎn)大于普通孔。
2）割縫對鄰近普通孔抽采瓦斯?jié)舛鹊挠绊憽?/span>割縫過程中，自激振蕩射流作用于割縫孔壁，應(yīng)力波以球面形式向煤層深部傳播，當(dāng)應(yīng)力波傳播至預(yù)先施工的普通孔時，傳播介質(zhì)發(fā)生突變，引發(fā)波的反射，形成拉應(yīng)力。當(dāng)反射拉應(yīng)力大于煤體抗拉強(qiáng)度時，煤體發(fā)生斷裂，出現(xiàn)層裂現(xiàn)象，這有助于改善煤體滲透性及增強(qiáng)抽采瓦斯?jié)舛?。為了考察割縫對鄰近普通孔抽采瓦斯?jié)舛鹊挠绊懀y(tǒng)計(jì)了割縫孔鄰近的普通孔（G20-5-1）和 G20-5-2)在割縫前后的濃度變化情況,結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知，鄰近的普通孔在抽采初期由于鉆孔剛結(jié)束出現(xiàn)了極高的瓦斯?jié)舛?，但隨時間發(fā)展卻迅速衰減，隨后由于割縫孔對煤層的增透影響而被激活，瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)突躍。對于此現(xiàn)象，可做如下解釋院當(dāng)割縫孔中高效射流振蕩沖擊所形成的應(yīng)力波傳至鄰近的普通孔時，會導(dǎo)致此處煤體因拉應(yīng)力的作用而出現(xiàn)裂隙，甚至崩落，大量瓦斯便得以釋放遙由此可計(jì)算出割縫后鄰近的普通孔G20-5-1與G20-5-2的瓦斯抽采濃度分別為割縫前的1.1倍和1.9倍。這說明自振脈沖水射流割縫不僅增強(qiáng)了割縫孔的瓦斯抽采濃度，還激活了鄰近普通孔。
4 防噴裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果分析
為避免割縫過程中鉆孔內(nèi)的瓦斯堯煤堯水混合物沖出封閉空間，導(dǎo)致巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛壬?，形成安?/span>隱患，為此提出一種防噴孔裝置并驗(yàn)證其效果。
1）防噴孔裝置主要包括接收堯吸氣和放水排渣3個部分。
2）防噴孔裝置應(yīng)用效果分析。割縫作業(yè)時，選擇 4個距離接近的割縫孔，其中,2個使用防噴孔裝置，記作SY1、SY2;余下不使用，記作WSY1、WSY2測量距割縫孔不同位置處的瓦斯?jié)舛茸兓?取觀測段內(nèi)瓦斯?jié)舛茸畲笾道L圖(圖5），由圖5中可知，使用防噴孔裝置后，周邊巷道瓦斯?jié)舛却蠓芤郑?/span>控制在0.3%以下，未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。而未使用時瓦斯?jié)舛容^大，最高達(dá)0.61%。顯然，該裝置對巷道瓦斯抑制明顯，可以保證現(xiàn)場施工的安全性。
為考察該裝置的降塵特性，采用CCHZ-1000全自動粉塵測定儀對距割縫孔不同距離處(測點(diǎn)布置間距為1m)的全塵及呼吸性粉塵濃度進(jìn)行分析，并比較SY(使用防噴孔裝置）與WSY（未使用防噴孔裝置）2種情況下的測試結(jié)果，如圖,6所示。
由圖6可見，未使用防噴孔裝置進(jìn)行割縫孔施工時其粉塵量大，全塵濃度約為,75mg/m3，呼吸性粉塵濃度大致為20mg/m3，屬于危險工況。使用防噴孔裝置后，全塵濃度降至8mg/m3左右，呼吸性粉塵濃度多在2mg/m3以下，甚至達(dá)到0.8mg/m3。顯然，防噴孔裝置有效降低了粉塵，大幅減弱了對作業(yè)人員健康及設(shè)備運(yùn)行的不良影響。
5 結(jié)論
1）割縫孔的平均抽采瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)高于鄰近普通孔，表明高壓水射流割縫可以較好地解決平煤礦區(qū)高瓦斯抽采難的問題，割縫可以有效對煤體卸壓、增透，促進(jìn)煤體瓦斯解吸，大幅提高瓦斯抽采濃度及抽采總量，降低抽采時間。
2）割縫孔與鄰近普通孔瓦斯?jié)舛仍诔椴沙跗?/span>與尾期相差不大，但是在抽采中期兩者表現(xiàn)出顯著差異。在采樣時間段，前者平均濃度遠(yuǎn)高于后者。這說明采用自振脈沖水射流在提高瓦斯抽采率方面具有發(fā)展?jié)摿Α?/span>
3）與割縫孔鄰近的普通孔在抽采初期具有極高的瓦斯?jié)舛?，但隨時間推移卻迅速減弱，之后由于割縫孔對煤層的增透影響發(fā)生突變，鄰近孔瓦斯抽采濃度明顯提升，表明割縫可以激活鄰近的普通孔。
4）設(shè)計(jì)了一種新式防噴孔裝置，避免割縫過程中鉆孔內(nèi)的瓦斯、煤、水混合物沖出封閉空間，導(dǎo)致巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛壬?，形成安全隱患。分散式或聚集式袁豐度較高，形式上為頁巖氣的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
5）根據(jù)掃描電鏡和背散射電鏡結(jié)果，筆石體軸部或翼部，碳含量較高，其他部位礦物質(zhì)含量高，說明了筆石體演化向著增碳發(fā)展。C元素是構(gòu)造筆石體壁的固有成分;Fe元素在筆石體上含量高，亦有可能與生物體富集或其有機(jī)質(zhì)吸附有關(guān)其他元素由于變化較大，有待進(jìn)一步的探索研究。
3）圍巖中草莓狀黃鐵礦的存在說明沉積水體為缺氧靜水環(huán)境，是筆石軟體在細(xì)菌作用下分解的證據(jù)。813C同位素最輕說明富含類脂質(zhì)有機(jī)物,水體的極度缺氧使有川南地區(qū)志留系龍馬溪組黑色筆石頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度高,有機(jī)質(zhì)類型以玉型淵腐泥型冤為主,有機(jī)質(zhì)成熟度高。
4）筆石硬體基本上由碳元素組成，結(jié)合有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到過成熟階段的事實(shí)以及有機(jī)質(zhì)豐富恢復(fù)結(jié)果，可間接說明頁巖氣的生成與筆石化石可能存在有某種成因上的聯(lián)系。
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