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0 引言

在不具備保護層開采條件下，高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯預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)境保護的需要。利用高壓水射流進行鉆孔內割縫可以克服鉆孔周圍的瓶頸效應，卸除煤巖體應力，減弱瓦斯內能，擴大孔內裂隙網(wǎng)，對提高低透氣性煤層的采前預抽效果非常顯著。文獻通過水力沖割煤層卸壓抽采瓦斯技術的試驗研究，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。在相同煤質條件下，水力割孔比普通孔抽采瓦斯量提高約70%。文獻對此進行了繼續(xù)研究，進一步確認了高壓水射流技術對煤層卸壓增透的有效性，并對其相關機理展開了探索。文獻則提出一種高壓旋轉射流割縫增透防突技術，使瓦斯抽采量數(shù)倍于割縫前。為進一步加強煤層卸壓、增透、提高瓦斯抽采效率。文獻提出利用自激振蕩脈沖水射流實施煤層割縫，不僅大幅提高了瓦斯的解吸率，還獲得了較高的鉆進速度。由此可見，高壓水射流割縫技術在煤層割縫卸壓增透方面凸具潛力。由于不同礦區(qū)地質構造差異大、煤層賦存特性相異，該新技術及新工藝的推廣必須應先開展適應性研究。因此筆者結合平煤礦區(qū)煤層瓦斯賦存特性，通過實際測試高壓水射流割縫技術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，總結其特點，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參數(shù)。此外，為避免割縫過程中鉆孔內的瓦斯、煤、水混合物沖出封閉空間，導致巷道內瓦斯?jié)舛壬?，形成安全隱患，提出一種防噴孔裝置并驗證其效果。

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,是嚴重的瓦斯災害礦區(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，地質構造情況越來越復雜，局部防突措施的局限性也逐漸顯現(xiàn)出來袁面對“三高、一復雜”（地應力高、瓦斯壓力高、瓦斯含量高、地質構造復雜）的局面，突出次數(shù)雖然逐年減少，但突出強度卻越來越大。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用高壓水射流割縫對鉆孔內周圍煤體進行切割，受鉆桿旋轉及抽拉運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出孔外遙孔內則因割縫產(chǎn)生一定的空間，引起煤體卸壓、增透，瓶頸效應隨之消失，從而使得煤層中的瓦斯充分釋放，以達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使得煤巖結構應力呈現(xiàn)交變特征，導致煤體彈性模量、強度和滲透率等結構特性發(fā)生改變，從而影響割縫煤體內瓦斯的流動及壓力分布狀態(tài)。同時，射流中漩渦運動的解耦會加劇其徑向振蕩，在沖擊試件表面時形成強烈的切應力和交變剪應力，引發(fā)煤體新生裂隙并使之連通，孔隙率增加，透氣性提高，導致水力割縫鉆孔與周圍抽采鉆孔之間的連通，實現(xiàn)整體卸壓增透遙。

3 高壓水射流割縫增強瓦斯抽采效果分析

3.1 高壓水射流割縫試驗系統(tǒng)

高壓水射流割縫試驗系統(tǒng)如圖1所示遙將該系統(tǒng)安裝在己15.17-13031回風巷750m處。

為減弱射流割縫反沖力袁起始割縫壓力設定在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之一。高瓦斯突出煤層由于水射流的切割，沖擊作用，導致出現(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，既有利于水力誘導鉆孔內煤體發(fā)生小型可控突出，造成鉆孔一定范圍內卸壓，又有助于射流向鉆孔兩側深部煤體切割堯破碎，形成較寬的卸壓縫槽，進一步擴大鉆孔兩側的卸壓源。

為分析割縫作業(yè)時孔內瓦斯動力特性，利用瓦斯探頭測量各鉆孔內瓦斯?jié)舛妊葑兲匦?，由實際觀測可知其變化特征均相異，較為復雜。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，可以采用定點旋轉的圓盤式?jīng)_孔或邊轉邊退的螺旋式?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，可適當升高泵壓，增強射流對煤體的沖擊，提高排渣效率。同時，應來回旋轉抽拉鉆桿，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瓦斯抽采的效果，對割縫孔內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行了研究。

1）割縫孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律。統(tǒng)計割縫孔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，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（地應力減?。?、變形、膨脹、大幅提高了煤體透氣性，從而大幅擴展了瓦斯的運移通道，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，計算了兩者在統(tǒng)計時間內的平均濃度，圖3a中G20-2-1與G20-5-1的瓦斯抽采體積分數(shù)分別為71.6%與30.3%，而圖3b所對應值則分別是59.4%和32.1%?？梢姼羁p孔所對應的瓦斯抽采平均濃度遠大于普通孔。

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，應力波以球面形式向煤層深部傳播，當應力波傳播至預先施工的普通孔時，傳播介質發(fā)生突變，引發(fā)波的反射，形成拉應力。當反射拉應力大于煤體抗拉強度時，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?，統(tǒng)計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束出現(xiàn)了極高的瓦斯?jié)舛龋S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，可做如下解釋院當割縫孔中高效射流振蕩沖擊所形成的應力波傳至鄰近的普通孔時，會導致此處煤體因拉應力的作用而出現(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 防噴裝置設計及應用效果分析

為避免割縫過程中鉆孔內的瓦斯堯煤堯水混合物沖出封閉空間，導致巷道內瓦斯?jié)舛壬?，形成安?/span>隱患，為此提出一種防噴孔裝置并驗證其效果。

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?，基?/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(測點布置間距為1m)的全塵及呼吸性粉塵濃度進行分析，并比較SY(使用防噴孔裝置）與WSY（未使用防噴孔裝置）2種情況下的測試結果，如圖,6所示。

由圖6可見，未使用防噴孔裝置進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)人員健康及設備運行的不良影響。

5 結論

1）割縫孔的平均抽采瓦斯?jié)舛冗h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）設計了一種新式防噴孔裝置，避免割縫過程中鉆孔內的瓦斯、煤、水混合物沖出封閉空間，導致巷道內瓦斯?jié)舛壬撸纬砂踩[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基礎。

5）根據(jù)掃描電鏡和背散射電鏡結果，筆石體軸部或翼部，碳含量較高，其他部位礦物質含量高，說明了筆石體演化向著增碳發(fā)展。C元素是構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質吸附有關其他元素由于變化較大，有待進一步的探索研究。

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，是筆石軟體在細菌作用下分解的證據(jù)。813C同位素最輕說明富含類脂質有機物,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質豐度高,有機質類型以玉型淵腐泥型冤為主,有機質成熟度高。

4）筆石硬體基本上由碳元素組成，結合有機質成熟度達到過成熟階段的事實以及有機質豐富恢復結果，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。