GBT 41163-2021 煤矿井下煤层水射流冲击增透工艺设计规范

书书书犐犆犛７３．０２０犆犆犛犇１５!#$%&’’()*犌犅／犜４１１６３—２０２１!#$!%&’()*+,-./012犛狆犲犮犻犳犻犮犪狋犻狅狀犳狅狉狆狉狅犮犲狊狊犱犲狊犻犵狀狅犳犲狀犺犪狀犮犻狀犵犮狅犪犾狊犲犪犿狆犲狉犿犲犪犫犻犾犻狋狔犫狔狑犪狋犲狉犼犲狋犻狀犮狅犪犾犿犻狀犲　２０２１１２３１34２０２２０７０１56’(+,-./012’()*3/045634书书书前　　言　　本文件按照ＧＢ／Ｔ１．１—２０２０《标准化工作导则　第１部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国煤炭工业协会提出。本文件由全国煤炭标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ４２）归口。本文件起草单位：煤炭科学技术研究院有限公司、中国矿业大学、中煤科工集团西安研究院有限公司、重庆大学、晋能控股山西科学技术研究院（晋城）技术研究院有限责任公司、辽宁工程技术大学、华阳新材料科技集团有限公司、华能煤炭技术研究有限公司。本文件主要起草人：舒龙勇、王维华、霍中刚、林柏泉、沈春明、张培河、李宏艳、李全贵、都海龙、孙维吉、张浪、闫志铭、汪东、汪义龙、刘永茜、降文萍、郝晋伟、李阳、凡永鹏、孙福龙、栗磊。Ⅰ犌犅／犜４１１６３—２０２１煤矿井下煤层水射流冲击增透工艺设计规范１　范围本文件规定了煤矿井下煤层水射流冲击增透工艺的设备与工艺参数设计、增透施工流程、健康安全环保管理和设计书等要求。本文件适用于煤矿井下煤层水力割缝、造穴、冲孔水射流冲击增透的设计与施工。２　规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ＧＢ／Ｔ２３４６　流体传动系统及元件　公称压力系列ＧＢ／Ｔ３２１４　水泵流量的测定方法ＧＢ／Ｔ７９３９　液压软管总成试验方法ＧＢ／Ｔ１０５４４　橡胶软管及软管组合件　油基或水基流体适用的钢丝缠绕增强外覆橡胶液压型规范ＧＢ／Ｔ１２２４１　安全阀一般要求ＧＢ／Ｔ２０８０１．２　压力管道规范工业管道　第２部分：材料ＧＢ／Ｔ２５４２９　石油天然气钻采设备　钻具止回阀ＧＢ／Ｔ２６１３５　高压清洗机ＧＢ／Ｔ２６１４８　高压水射流清洗作业安全规范ＧＢ／Ｔ３００５０　煤体结构分类ＧＢ５０４７１　煤矿瓦斯抽采工程设计标准ＭＴ／Ｔ４５９　煤矿机械用液压件通用技术条件ＮＢ／Ｔ１０１２３　煤矿瓦斯抽采钻孔“两堵一注”封孔工艺技术条件３　术语和定义下列术语和定义适用于本文件。３．１　煤层水射流冲击增透　犲狀犺犪狀犮犻狀犵犮狅犪犾狊犲犪犿狆犲狉犿犲犪犫犻犾犻狋狔犫狔狑犪狋犲狉犼犲狋在钻孔内利用水力割缝、水力造穴、水力冲孔等水射流冲击方式，在煤层中形成一定规模的缝槽、孔洞或空腔，以增大钻孔卸压范围，增加煤体透气性，促进煤体内瓦斯流动和涌出的手段。３．２　水力割缝　犺狔犱狉犪狌犾犻犮狊犾狅狋狋犻狀犵通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速水射流束作用在煤体上，在煤体中沿钻孔径向形成具有一定宽度和深度缝槽的水射流冲击增透方式。［来源：ＮＢ／Ｔ１００５７—２０１８，３．３，有修改］１犌犅／犜４１１６３—２０２１３．３　水力造穴　犺狔犱狉犪狌犾犻犮犮犪狏犻狀犵利用高压水射流在钻孔预定深度冲击周围煤体，在煤体中形成若干腔状扩径的水射流冲击增透方式。３．４　水力冲孔　犺狔犱狉犪狌犾犻犮犳犾狌狊犺犻狀犵犫狅狉犲犺狅犾犲利用水射流持续作用在钻孔内煤体碎屑或块体上，促进孔内煤体大量排出，在煤体中形成一定规模孔洞的水射流冲击增透方式。３．５　射流组件　狑犪狋犲狉犼犲狋犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊一种主要由喷嘴、止回阀、高低压切换阀等封装于一体的组件。　　注：通过改变水流压力，实现水流流动方式的转换。４　设备与工艺参数设计４．１　设计原则煤矿井下煤层水射流冲击增透设计遵循以下原则：ａ）　以高效破煤、促进排渣、增加煤层透气性，促进瓦斯抽采为目标；ｂ）　在探明煤体赋存特征、制定抽采设计计划的基础上开展；ｃ）　增透钻孔布置在断层、陷落柱附近时，制定专项措施，确保施工安全。４．２　基础资料基础资料应包括但不限于：ａ）　采区及工作面地质等资料；ｂ）　工作面开采及生产准备衔接计划等资料；ｃ）　煤层瓦斯赋存与抽采等资料；ｄ）　煤及岩石力学性质、地应力分布等资料。４．３　设计内容４．３．１　设备及装置４．３．１．１　液压元件液压元件技术及安全要求按照ＭＴ／Ｔ４５９的相关规定执行。４．３．１．２　柱塞泵柱塞泵额定压力应根据煤层临界破裂压力确定，煤层临界破裂压力确定见附录Ａ。泵注排量和设备功率按照附录Ｂ计算。柱塞泵基本参数与技术条件按照ＧＢ／Ｔ２６１３５的相关规定执行。柱塞泵应具有以下功能：ａ）　手动或自动操作及远程控制功能；ｂ）　显示与记录压力、流量、泵温等参数及自动断电保护功能；ｃ）　具有超压自动卸载功能。２犌犅／犜４１１６３—２０２１４．３．１．３　射流组件射流组件应满足以下性能要求。ａ）　喷嘴：射流喷嘴技术要求按照ＧＢ／Ｔ２６１３５的相关规定执行。实施煤层水射流冲击增透，其射流喷嘴个数宜为１个～３个，喷嘴直径宜为０．８ｍｍ～３．０ｍｍ。在柱塞泵选型确定的基础上，如果需要提高实践应用效果更改喷嘴直径尺寸，则喷嘴出口直径按照附录Ｂ中式（Ｂ．５）的计算方法确定。ｂ）　止回阀：止回阀技术要求按照ＧＢ／Ｔ２５４２９的相关规定执行。ｃ）　高低压切换阀：低压切换高压时压力宜为４ＭＰａ～６ＭＰａ，切换前通流流量宜不小于１５０Ｌ／ｍｉｎ。４．３．１．４　流量计流量计流量的测量方法按照ＧＢ／Ｔ３２１４的相关规定执行。４．３．１．５　安全阀安全阀连接方式、安全要求按照ＧＢ／Ｔ１２２４１的相关规定执行。４．３．１．６　高压管路高压管路管径按照附录Ｂ中式（Ｂ．６）计算。高压管路公称压力的选择按照ＧＢ／Ｔ２３４６的相关规定执行。高压管路材质选择应考虑煤层水射流冲击增透排量、压力、施工场地条件等因素。其中高压软管性能应满足ＧＢ／Ｔ７９３９和ＧＢ／Ｔ１０５４４的相关要求，高压金属管性能应满足ＧＢ／Ｔ２０８０１．２的相关要求。４．３．２　钻孔布置４．３．２．１　钻孔倾角、方位角根据煤层层位确定，倾角一般不小于５°，确保排渣畅通。４．３．２．２　钻孔直径设计应考虑利于排渣和避免诱发突出等因素，一般宜为９０ｍｍ～１２０ｍｍ。４．３．２．３　穿层钻孔岩孔段长度不小于７ｍ，本煤层水力割缝和水力造穴冲击增透位置距孔口距离不小于２０ｍ。４．３．３　冲击增透方式根据煤体结构选择冲击增透方式，煤体结构分类按照ＧＢ／Ｔ３００５０执行。原生结构煤宜选用水力割缝方式，碎裂、碎粒结构煤宜选用水力造穴或水力冲孔方式，糜棱结构煤宜选用水力冲孔方式。５　增透施工流程５．１　设备准备连接与检查设备运行状态，对设备进行调试及管路试压。５．２　钻孔施工按设计的开孔位置、孔径、方位角、倾角和长度等参数施工钻孔。钻孔布置应符合ＧＢ５０４７１中钻场及钻孔布置要求。钻孔施工至冲击增透位置时，按照４．３．３选择的冲击增透方式进行增透作业。３犌犅／犜４１１６３—２０２１５．３　增透施工根据选择的冲击增透方式，具体施工流程如下：———采用水力割缝方式，应根据煤渣返排及割缝效率，选用螺旋式、圆盘式或竖切式进行割缝施工，缝槽深度应根据煤体强度确定，一般宜为０．３ｍ～０．８ｍ；———采用水力造穴方式，应根据煤渣返排和造穴效率，选用前进式或后退式进行造穴施工，穴与穴之间的间距宜为５ｍ～１０ｍ，单穴长度宜为１ｍ～３ｍ；———采用水力冲孔方式，宜进行全孔段冲孔，缓慢钻进（或退钻），一般返水携带煤屑量较少时，方可继续加（或减）钻杆持续水力冲孔作业。完成上述增透作业后，撤出钻杆，结束增透施工作业。５．４　钻孔封孔与并网钻孔封孔推荐选择“两堵一注”方式，封孔工艺要求按照ＮＢ／Ｔ１０１２３的相关规定执行。钻孔并网按照ＧＢ５０４７１的相关规定执行。５．５　增透效果监测按照增透效果监测设计要求对作业后的区域进行瓦斯抽采效果考察，并采集和分析监测信息。６　健康安全环保管理６．１　增透施工应动态对作业区域所处位置进行风险识别和评估。６．２　增透施工前编制安全技术措施，应包含避灾路线及应急自救方法，防止煤与瓦斯突出、冲击地压、冒顶、管路破裂、火灾等安全技术措施及其事故应急救援预案等。６．３　增透施工后详细总结施工台账、钻孔竣工图以及施工过程中瓦斯、地应力等异常信息。６．４　增透施工产生的废水应根据各矿井实际情况进行处理，并考虑循环利用。６．５　增透施工人员及防护要求，按照ＧＢ／Ｔ２６１４８的相关规定执行。７　设计书设计书编写见附录Ｃ。４犌犅／犜４１１６３—２０２１附　录　犃（资料性）煤层临界破裂压力确定　　煤层临界破裂压力可根据现场原位水压破裂测试压力与时间变化关系图来确定，见图Ａ．１。　　标引序号说明：犘ｂ———煤层破裂压力（初张压力）；犘ｒ———重张压力。图犃．１　水压破裂测试压力与时间变化关系图５犌犅／犜４１１６３—２０２１附　录　犅（规范性）关键参数计算方法犅．１　泵注排量计算方法泵注排量的计算见式（Ｂ．１）：狇ｖ＝犽狇ｔ…………………………（Ｂ．１）　　式中：狇ｖ———泵注排量，单位为升每分（Ｌ／ｍｉｎ）；狇ｔ———流经喷嘴处射流流量，单位为升每分（Ｌ／ｍｉｎ）；犽———为富余系数，取值１．１～１．３，无量纲。流经喷嘴处射流流量的计算见式（Ｂ．２）：狇ｔ＝２．１犱２ｅ槡狆…………………………（Ｂ．２）　　式中：犱ｅ———当量喷嘴直径，多喷嘴条件下的简化替代，单位为毫米（ｍｍ）；狆———射流压力，单位为兆帕（ＭＰａ）。当量喷嘴直径的计算见式（Ｂ．３）：犱ｅ＝犱２１＋犱２２＋犱２３＋…＋犱２槡狀…………………………（Ｂ．３）　　式中：犱狀———多喷嘴条件下第狀个喷嘴直径，单位为毫米（ｍｍ）。犅．２　泵有效功率计算方法泵有效功率的计算见式（Ｂ．４）：犘ｅ＝狆狇ｖ６０…………………………（Ｂ．４）　　式中：犘ｅ———泵有效功率，单位为千瓦（ｋＷ）。犅．３　喷嘴出口直径计算方法喷嘴出口直径的计算见式（Ｂ．５）：犱＝０．６９狇ｔμ槡狆槡…………………………（Ｂ．５）　　式中：犱———喷嘴孔出口截面直径（简称喷嘴直径），单位为毫米（ｍｍ）；μ———喷嘴的流量系数，对于锥形喷嘴流量系数一般取值０．９，无量纲。犅．４　高压管路管径计算方法高压管路管径的计算见式（Ｂ．６）：６犌犅／犜４１１６３—２０２１犇＝０．６９狇ｔμ槡犘槡…………………………（Ｂ．６）　　式中：犇———高压管路管径，单位为毫米（ｍｍ）；犘———管路压力，单位为兆帕（ＭＰａ）。７犌犅／犜４１１６３—２０２１附　录　犆（资料性）煤矿井下煤层水射流冲击增透工艺设计书封面格式及编写提纲犆．１　封面格式幅面尺寸：选用Ａ４开本，２１０ｍｍ×２９７ｍｍ。图Ｃ．１给出了煤矿井下煤层水射流冲击增透设计书封面格式。图犆．１　封面格式８犌犅／犜４１１６３—２０２１犆．２　设计书编写提纲图Ｃ．２给出了煤矿井下煤层水射流冲击增透设计书编写提纲。　　１　设计依据１．１　基本概况１．２　执行的标准、规范２　增透目的及任务３　水射流冲击增透技术实施方案３．１　设计原则３．２　基础资料分析３．３　增透技术实施方案３．３．１　设备及装置设计１）　水射流冲击增透系统介绍２）　柱塞泵３）　射流组件４）　流量计５）　安全阀６）　高压管路３．３．２　钻孔布置设计３．３．３　冲击增透方式选择４　水射流冲击增透施工流程４．１　设备准备４．２　钻孔施工４．３　增透施工４．４　钻孔封孔与并网４．５　增透效果监测５　健康、安全、环保管理措施５．１　增透施工风险识别和评估５．２　增透施工前安全技术措施５．３　增透施工记录及异常分析５．４　增透施工废水处理５．５　人员防护要求图犆．２　设计书编写提纲９犌犅／犜４１１６３—２０２１参　考　文　献　　［１］　ＮＢ／Ｔ１００５７—２０１８　低透气性突出煤层钻割一体化工艺技术要求０１犌犅／犜４１１６３—２０２１