水力割縫增透技術(shù)在石門揭煤中的應用

吳教錕

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

水力割縫增透技術(shù)在石門揭煤中的應用

吳教錕1，2

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

石門揭穿突出煤層具有突出強度大、密度大、對礦井安全生產(chǎn)造成嚴重威脅的特點，為保證安全高效地實現(xiàn)石門揭穿突出煤層，通過在白龍山煤礦一井一采區(qū)下部車場石門揭C7+8突出煤層施工瓦斯預抽鉆孔期間，對部分鉆孔采取水力割縫增透技術(shù)措施，大大提高煤層透氣性，在提高抽采效果的同時降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量、縮短石門揭煤工期，實現(xiàn)安全高效揭煤的目的。試驗結(jié)果表明：采取水力割縫增透措施后，單孔平均抽采濃度24.7%，最高78.6%，較普通工藝鉆孔提高8.2倍；日抽采瓦斯純量最高1713.6m3，較普通工藝鉆孔提高6倍；采用水力割縫增透工藝的石門揭煤區(qū)域預抽時間提前60%。

水力割縫；增透；石門揭煤

石門揭煤突出強度大、密度大、對礦井安全生產(chǎn)易造成嚴重威脅，成為制約礦井采掘接替和安全高效生產(chǎn)的瓶頸[1]。石門揭穿煤層時，工作面前方煤層應力狀態(tài)突變，煤巖層變形潛能、瓦斯能量大量釋放而引發(fā)大強度的突出。據(jù)統(tǒng)計，石門揭煤突出占突出總數(shù)的比例雖不高，但其平均強度為其他各類巷道平均強度的數(shù)倍，絕大多數(shù)的千噸級及其以上特大型突出發(fā)生在石門揭煤期間[2]。預抽煤層瓦斯是最基本的措施，通過降低煤層瓦斯含量、瓦斯壓力，使煤層堅固性系數(shù)增加、地應力下降等來消除煤與瓦斯突出危險性。對于透氣性差的煤層，在不采取增透工藝措施時，通過增加鉆孔工程量和預抽時間在一定程度上制約了開拓開采進度；在同等鉆孔工程量前提下，采取水力割縫增透工藝，高倍數(shù)提高透氣性、縮短預抽時間、提高瓦斯有效預抽率、有效降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，實現(xiàn)快速安全揭煤[3-5]。

1 試驗背景

白龍山煤礦一井井田面積32.04km2，設(shè)計生產(chǎn)能力3Mt/a，開采標高+2245～+650m。一采區(qū)下部車場石門揭露的C7+8煤層平均厚度3.10m，瓦斯壓力1.57MPa，瓦斯含量16.42m3/t，透氣性系數(shù)0.0071 m2/(MPa2·d)，是煤與瓦斯突出煤層。前期石門揭露C7+8煤層主要采取預抽煤層瓦斯措施，普通鉆孔施工工藝；由于煤層透氣性低，預抽期間瓦斯抽采濃度8%左右，日平均瓦斯抽采純量100m3左右，石門揭露一次C7+8煤層預抽時間在120～135d左右；嚴重制約礦井采掘接替。為有效降低煤層瓦斯壓力、瓦斯含量，有效提高預抽鉆孔瓦斯抽采效率，縮短揭煤預抽時間，特開展石門揭煤水力割縫增透技術(shù)研究，并開展了相關(guān)試驗。

2 水力割縫技術(shù)主要原理和方法

2.1 水力割縫技術(shù)主要原理

鉆孔成孔后會在鉆孔周圍產(chǎn)生卸壓圈、應力集中圈的分帶特征，如圖1(a)所示。卸壓圈層厚度一般小于鉆孔直徑的3倍，處于卸壓圈內(nèi)部的瓦斯可順利被鉆孔抽采；應力集中圈裂隙閉合，阻礙瓦斯向鉆孔流動，形成瓶頸效應[6]。

水力割縫增透工藝原理主要是借助鉆機施鉆工藝在工作面前方煤體形成鉆孔，利用高壓水射流割縫工藝在鉆孔內(nèi)割縫并排出部分煤體，消除應力集中、破解鉆孔周圍產(chǎn)生的瓶頸效應，形成鉆孔內(nèi)較大范圍的卸壓增透區(qū)域，降低工作面前方煤體中的地應力，改變原始煤層裂隙狀態(tài)，增大煤層透氣性能，加速煤層內(nèi)瓦斯解吸與卸壓運移，同時，增大鉆孔瓦斯抽采半徑、提高煤層的抽排瓦斯量[7-8],如圖1(b)所示。

圖1 鉆孔裂隙網(wǎng)分布示意

2.2 水力割縫工藝流程

水力割縫工藝分2個連續(xù)的環(huán)節(jié)：鉆機施工鉆孔、水射流對煤體割縫。鉆孔施工與普通鉆孔施工一樣，可根據(jù)需要選擇螺旋或者圓形鉆桿；施工至預定位置停止鉆進，啟動高壓泵站調(diào)節(jié)壓力至 25～30MPa，關(guān)閉鉆頭供水出口的同時打開鉆頭側(cè)向割縫噴嘴，啟動鉆機進行退鉆作業(yè)，在退鉆的過程中實施割縫作業(yè)。穿層鉆孔情況下，對煤層段全長進行割縫。

3 水力割縫增透技術(shù)現(xiàn)場試驗

3.1 試驗地點概況

一采區(qū)下部車場將揭C7+8突出煤層，平均厚度3.0m，傾角12～15°，結(jié)構(gòu)簡單，上、下以塊煤為主，中部為粉粒狀煤。試驗地點瓦斯參數(shù)見表1，試驗地點如圖2所示。

表1 試驗地點瓦斯參數(shù)

圖2 試驗地點基本情況

3.2 水力割縫技術(shù)方案及鉆孔布置

一采區(qū)下部車場割縫孔與普通孔交叉布置對巷道迎頭前方60m范圍進行區(qū)域瓦斯治理，在區(qū)域驗證前方60m消除突出危險性后揭開煤層，同時確保留足15m卸壓消突超前距；按照普通孔抽采半徑1.5m，割縫孔抽采半徑3.5m布孔間距，在工作面迎頭共設(shè)計鉆孔95個，設(shè)計孔深共3601.1m，鉆孔直徑94mm。鉆孔控制一采區(qū)下部車場石門工作面輪廓線外12m，工作面前方60m的范圍。

各項工作準備完成后正式開始割縫，施工過程中發(fā)現(xiàn)工作面前方40m附近有斷層，探明地質(zhì)情況后修改方案，決定先控制工作面前方40m范圍?？刂品秶鷥?nèi)共施工60個鉆孔，18個未見C7+8煤層，18個抽采孔，24個割縫孔。

4 試驗效果

本循環(huán)24個割縫孔全部施工完畢并成功割縫。割縫孔施工和連抽期間，對割縫孔出煤量、瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采純量、殘余瓦斯壓力以及預抽時間等進行了考察。

4.1 割縫鉆孔出煤量考察

按照割縫孔每米煤孔出煤0.5t(部分鉆孔噴孔嚴重無法控制除外)，每個割縫孔平均出煤3.5t，共計77t。

4.2 鉆孔預抽瓦斯?jié)舛瓤疾?/p>

普通抽采鉆孔平均抽采濃度一般在3%左右，在施工割縫孔后，主管路抽采濃度最高達40.8%，較普通鉆孔提高7.8倍；割縫孔后單孔濃度也大幅上升，平均濃度24.7%，最高78.6%，較普通鉆孔提高8.2倍。主管路抽采濃度如圖3所示。

圖3 主管路抽采濃度

4.3 鉆孔瓦斯抽采純量考察

采取水力割縫工藝后，日抽采瓦斯純流量最高達1713.6m3，較普通鉆孔提高6倍。自4月22日第一個鉆孔開始連抽至6月22日工作面共計抽采瓦斯純量23601.82m3。瓦斯抽采純量如圖4所示。

圖4 瓦斯抽采純量

4.4 殘余瓦斯壓力考察

通過采取水力割縫增透措施并經(jīng)過預抽后，在下部車場迎頭施工了4個測壓鉆孔，采用實測煤層殘余瓦斯壓力對巷道前方預抽區(qū)域進行區(qū)域防突措施效果檢驗。效果檢驗鉆孔壓力穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)見表2。

表2 測壓鉆孔壓力數(shù)據(jù)

經(jīng)測定預抽區(qū)域殘余瓦斯壓力最大值0.68MPa，并趨于穩(wěn)定。煤層瓦斯壓力從1.57MPa下降到了0.68MPa，下降0.89MPa，下降幅度達57%。

4.5 預抽達標時間考察

從開始連網(wǎng)接抽至抽采達標，預抽時間在54d以內(nèi)，比以往石門揭煤區(qū)域瓦斯預抽時間縮短了60%左右，很大程度上提高了揭煤預抽達標效率。

5 主要結(jié)論

通過一采區(qū)下部車場水力割縫增透試驗研究，主要得出如下結(jié)論：

(1)水力割縫工藝在石門揭煤期間能有效提高煤層增透性能，采取水力割縫增透措施后，單孔平均抽采濃度24.7%，最高78.6%，較普通工藝鉆孔提高8.2倍；日抽采瓦斯純量最高1713.6m3，較普通工藝鉆孔提高6倍。

(2)采取水力割縫增透措施后，預抽區(qū)域煤層瓦斯壓力有效降低，石門揭煤區(qū)域預抽時間縮短60%，很大程度上提高了揭煤預抽達標效率。

[1]陳紹祥，程建圣，李長寶，等.高壓水力割縫石門揭煤試驗研究[J].中州煤炭，2011(9)：21-22，25.

[2]于不凡.石門揭煤時突出危險性預測新技術(shù)、新裝備[J].長江科學院院報，1996，13(S)：74-76.

[3]龍建明，李文樹，陳玖福，等.松藻煤礦快速石門揭煤技術(shù)研究[J].煤炭科學技術(shù)，2011，39(7)：35-37.

[4]呂貴春.水力割縫在石門揭煤預抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施中的應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(4)：79-82.

[5]宋維源，王忠峰，唐巨鵬.水力割縫增透抽采煤層瓦斯原理及應用[J].中國安全科學學報，2011，21(4)：78-82.

[6]李艷增，王耀峰，高中寧，等.水力割縫(壓裂)綜合增透技術(shù)在丁集煤礦的應用[J].煤礦安全，2011，42(9)：108-110.

[7]翟濤寶.試論水力割縫技術(shù)處理煤層瓦斯的效果[J].West-China Exploration Engineering，1996，8(3)：51-53.

[8]唐巨鵬，李成全，潘一山.水力割縫開采低滲透煤層氣應力場數(shù)值模擬[J].天然氣工業(yè)，2004，24(10)：93-95.

[9]吳海進.高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透理論與技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2009.

[10]郝秀明，雷豐勵，左萬高.ZYWL-1200橫向履帶式全液壓鉆機的研制與應用[J].價值工程，2011(11)：13-14.

[11]侯世松，蔣承林.初始釋放瓦斯膨脹能測定原理與應用[J].采礦與安全工程學報，2008，25(3)：322-326.

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[責任編輯：李 青]

Application of Hydraulic Slotting and Permeability Technology in Uncovering Coal in Crosscut

WU Jiao-kun1，2

(1.State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling，Chongqing 400037，China；2.CCTEG Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)

Uncovering rock burst coal seam in crosscut has the characters of large strength ，large density，and it would be seriously threaten for mine safety production.In order to realize safety and efficiently of uncovering rock burst coal seam，during drill gas pre-drainage holes of C7+8rock burst coal seam of bottom crosscut in one mining area of one shaft of Bailongshan coal mine，hydraulic slotting and effusion technology was applied in some bores，coal seam permeability was improved obviously，and gas pre-drainage effect was improved，gas pressure and content was decreased，uncovering coal in crosscut time was also decreased，then safety and high efficient uncover coal seam was realized.The test showed that after hydraulic slotting and permeability，an average drainage density of single hole arrived 24.7%，the maximal was 78.6%，it was 8.2 times for normal technology，the maximal gas drainage amount was about 1713.6m3，it was 6 times for normal technology，pre-drainage time of uncovering coal in crosscut advanced about 60% with hydraulic slotting and permeability technology.

hydraulic slotting，permeability ，uncovering coal in crosscut

2016-08-30

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.023

國家自然科學基金面上項目(51574280)；兩江學者計劃專項經(jīng)費資助項目(2015ZDXM14)；重慶市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才支持計劃(CSTCKJCXLJRC14)

吳教錕(1978-)，男，江西萬年人，碩士，副研究員，主要從事礦井瓦斯災害防治成套技術(shù)及裝備領(lǐng)域的科研工作。

吳教錕.水力割縫增透技術(shù)在石門揭煤中的應用[J].煤礦開采，2017，22(2)：93-95.

TD712.6

A

1006-6225(2017)02-0093-03