CN115467647A

CN115467647A - 一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法

Info

Publication number: CN115467647A
Application number: CN202211279894.3A
Authority: CN
Inventors: 杨慧明; 文光才; 徐军见; 张永将; 赵旭生; 季飞; 黄振飞; 王中华; 李成成; 李帅
Original assignee: CCTEG Chongqing Research Institute Co Ltd
Current assignee: CCTEG Chongqing Research Institute Co Ltd
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2042-10-19
Also published as: CN115467647B

Abstract

本发明涉及一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，属于煤矿灾害技术领域。该方法包括以下步骤：计算确定各分段切割单元的宽度与数量；计算确定各段切割的水射流工作压力；在煤层巷道施工顺层钻孔；调整割缝器的水射流喷嘴方向至设定方向；开启高压泵形成高压水射流，调压至设定压力值；拖动钻杆向外移动距离，钻孔内水射流平移切割煤体，形成深度为的缝槽；调低高压泵压力、打开割缝器前端出水口，旋转钻杆进行钻孔排渣，并逐步推动钻杆至初始切割位置；重复上述步骤，循环n次直至切割深度达到设计值。本发明解决了常规切缝方法在定向平面缝槽切割实施过程中出现的堵孔、卡钻问题，增大顺层定向平面缝槽的切割成功率和钻孔的有效卸压范围。

Description

一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法

技术领域

本发明属于煤矿灾害技术领域，涉及一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法。

背景技术

随着开采深度逐渐增加，高瓦斯压力、高地应力、低渗透性问题逐渐凸显，煤与瓦斯突出、冲击地压以及复合动力灾害等煤岩瓦斯动力灾害逐步成为制约煤矿安全高效生产的主要问题之一。水力割缝技术既可削弱或消除煤体中储存的弹性能，又可改变煤体的物理力学性质，实现煤层卸压、增透的双重效果，是煤岩瓦斯动力灾害防治的重要技术手段。

目前，水力割缝的切割工艺方法为环形切割，在顺层钻孔或穿层钻孔通过旋转割缝器形成直径3m～5m环形缝槽，具有良好卸压增透效果。排渣工艺是水力割缝的工艺技术关键，环形切割工艺具有边切割、边排渣的优势，当前水力割缝普遍采用的是环形切割工艺方法。然而，环形缝槽之间普遍存在一定间距，顺层钻孔采用环形切割方法难以达到煤体连续均匀卸压的效果。顺层定向平面缝槽是一种连续切割的缝槽，可以有效实现割缝钻孔煤体连续均匀卸压，但常规切缝方法实施产生的煤渣难以直接排出，时常出现钻孔堵塞、卡钻等现象，目前缺乏有效顺层定向平面缝槽切割方法，限制了水力割缝卸压技术在煤岩瓦斯动力灾害防治中的推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，为煤体定向平面缝槽的切割实施提供一种工艺实现方法，提高煤层水力割缝技术措施的卸压均匀性，保障煤岩瓦斯动力灾害的防治效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，该方法包括以下步骤：

S1：根据煤体特点及定向平面缝槽的切割深度设计要求，计算确定各分段切割单元的宽度b与数量n；

S2：根据水射流切割煤体深度模型，计算确定各段切割的水射流工作压力P_i；

S3：在煤层巷道施工顺煤层钻孔；

S4：通过旋转钻杆调整割缝器的水射流喷射方向，使水射流喷嘴方向与设计方向一致；

S5：开启高压泵形成高压水射流，调压至P_i；

S6：拖动钻杆向外移动距离A，钻孔内水射流平移切割煤体，形成深度为D_i的缝槽，完成此切割单元i的切割；

S7：调低高压泵压力、打开割缝器前端出水口，旋转钻杆进行钻孔排渣，并逐步推动钻杆与割缝器至初始切割位置；

S8：重复步骤S4～S7，在步骤S5中调高泵工作压力，P_i+1>P_i，循环n次直至切割深度D_i达到缝槽设计宽度B，完成定向平面缝槽的切割。

可选的，所述各分段切割单元的宽度b满足：b宽度单元条件下平切产生的煤渣量C_b小于等于钻孔的极限煤渣容纳量C_max，即C_b≤C_max。

可选的，所述钻孔的极限煤渣容纳量C_max由钻孔内孔壁与钻杆之间的环空面积S_a、水流携带煤渣运移距离L决定，计算方法为C_max＝S_a×L＝πL(R_B ²-r_d ²)；其中，R_B为钻孔半径，单位为m；r_d为钻杆半径，单位为m。

可选的，所述平切产生的煤渣量C_b由分段切割单元的空间体积V_i与煤体变形膨胀系数α确定，计算方法为C_b＝V_i×α＝αAbH；其中，A为分段切割单元的长度，单位为m；H为分段切割单元的高度，单位为m。

可选的，所述各分段切割单元的宽度b的计算方法为：

可选的，所述水射流工作压力P_i是根据切割深度D_i设计和水射流切割煤体深度模型f确定，计算方法为P_i＝f^-1(bi)，其中，D_i＝b×i。

本发明的有益效果在于：将整体缝槽划分为多个切割单元、通过逐段切割实现定向平面缝槽的切割成形，发明的方法可实现煤层中定向平面缝槽的顺利成形，有效排出水射流定向切割过程中钻孔中的煤渣，解决常规切缝方法在定向平面缝槽切割实施过程中出现的堵孔、卡钻现象，在煤层中形成特定方向的卸压增透空间，提高水力割缝技术在煤岩瓦斯动力灾害防治中的适用性。本发明为煤体定向平面缝槽的切割实施提供了一种有效的工艺实现方法，增大了顺层钻孔定向平面缝槽的切割成功率和钻孔的有效卸压范围，具有显著经济效益和推广应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中顺层钻孔及定向平面缝槽的结构示意图；

图3为本发明实施例中不同水压下水射流切割煤体深度的曲线图。

附图标记：高压泵1、钻机2、钻杆3、钻孔4、煤层5、割缝器6、水射流7、第一切割单元8、第二割单元9、第三切割单元10。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1和图2所示，在煤层巷道实施顺层定向平面缝槽的切割作业，其中，煤层5煤体坚固性系数f＝0.7，设计在顺煤层中某一位置与煤层方向平行的平面缝槽。

顺层定向平面缝槽的设计长度A＝2m、宽度B＝1.5m、高度H＝0.04mm，钻孔直径D_B＝113mm，钻杆直径d_d＝73mm。顺层定向平面缝槽的水射流切割方法的具体实施，包括以下步骤：

S1、根据煤体特点及定向缝槽切割的深度设计要求，计算分段切割单元的宽度b与数量n。

①钻孔环空极限容渣量计算：C_max＝S_a×L＝πL(R_B ²-r_d ²)＝0.0584m³，其中，水流携带煤渣运移距离L取经验值10m。

②分段切割单元的平移切割产渣量计算：C_b＝V_i×α＝αAbH＝0.104b，其中，切缝煤体变形膨胀系数α取经验值1.3。

③分段切割单元的宽度取值：C_b、C_max带入确定准则C_b≤C_max，得b≤0.56m，根据平切缝槽的设计宽度1.5m，确定分段切割单元的宽度b＝0.5m，切割单元划分数量n＝3。

S2、根据水射流平移切割煤体深度曲线与各段单元切割深度，确定各段切割的水射流工作压力P_i。根据图3水射流切割煤体深度模型曲线图，确定3个分段切割的工作压力分别为P₁＝40、P₂＝60、P₃＝90。

S3、在煤层巷道施工顺煤层钻孔4；

S4、通过旋转钻杆3调整割缝器6的水射流喷射方向，使水射流喷射方向与煤层走向方向一致；

S5、开启高压泵形成高压的水射流7，调压至设定压力值Pi(P1＝40MPa、P2＝60MPa、P3＝90MPa)；

S6、利用钻机2缓慢拖动钻杆3向外移动距离A，钻孔内水射流7平移切割煤体5，形成深度为Di(D1＝0.5m、D2＝1.0m、D3＝1.5m)的缝槽，完成此切割单元(8、9、10)的切割作业；

S7、调低高压泵1的压力、打开割缝器6前端出水口，旋转钻杆3进行钻孔排渣，并逐步推动钻杆3与割缝器6至初始切割位置；

S8、重复步骤S4～S7，循环2次，切割深度达到缝槽设计宽度1.5m，完成此定向平面缝槽的切割作业。

拖动钻杆3与割缝器7至其他位置，重复步骤S1～S8，开始下一个定向平面缝槽的切割。

本方法既适用于单喷嘴割缝器的一侧平移切割，也适用于双喷嘴的双侧平移切割。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S3：在煤层巷道施工顺煤层钻孔；

S5：开启高压泵形成高压水射流，调压至P_i；

2.根据权利要求1所述的一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，其特征在于：所述各分段切割单元的宽度b满足：b宽度单元条件下平切产生的煤渣量C_b小于等于钻孔的极限煤渣容纳量C_max，即C_b≤C_max。

3.根据权利要求2所述的一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，其特征在于：所述钻孔的极限煤渣容纳量C_max由钻孔内孔壁与钻杆之间的环空面积S_a、水流携带煤渣运移距离L决定，计算方法为C_max＝S_a×L＝πL(R_B ²-r_d ²)；其中，R_B为钻孔半径，单位为m；r_d为钻杆半径，单位为m。

4.根据权利要求3所述的一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，其特征在于：所述平切产生的煤渣量C_b由分段切割单元的空间体积V_i与煤体变形膨胀系数α确定，计算方法为C_b＝V_i×α＝αAbH；其中，A为分段切割单元的长度，单位为m；H为分段切割单元的高度，单位为m。

5.根据权利要求4所述的一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，其特征在于：所述各分段切割单元的宽度b的计算方法为：

6.根据权利要求5所述的一种顺层定向平面缝槽的水射流切割方法，其特征在于：所述水射流工作压力P_i是根据切割深度D_i设计和水射流切割煤体深度模型f确定，计算方法为P_i＝f^-1(bi)，其中，D_i＝b×i。