條帶預(yù)抽鉆孔超高壓水力割縫卸壓增透試驗(yàn)研究

雷剛 杜茂

摘要：石屏一礦為煤與瓦斯突出礦井，煤層為突出煤層，煤層透氣性較差，瓦斯治理工程量大，抽采達(dá)標(biāo)時間長，嚴(yán)重制約礦井的采掘接替，通過順層鉆孔采取增透技術(shù)，增加了煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動創(chuàng)造良好條件，提高了抽采濃度及抽采效果，減少施鉆工程量和抽采達(dá)標(biāo)時間，促進(jìn)了巷道的安全、快速掘進(jìn)。應(yīng)用結(jié)果證明該技術(shù)非常成熟，效果明顯，達(dá)到了預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞：煤層；條帶預(yù)抽瓦斯；超高壓；水力割縫；卸壓增透

引言：

石屏一礦位于四川省瀘州市古藺縣境內(nèi)，目前采掘接替緊張是制約礦井發(fā)展的重要因素之一，隨著地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變以及開采深度的延伸，礦井主采的C19煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，均超過臨界值，瓦斯災(zāi)害越來越突出，巷道掘進(jìn)過程中瓦斯影響越來越大，危險性越來越高，大大降低了掘進(jìn)進(jìn)度。為了提高煤巷掘進(jìn)速度，C19煤層必須采取區(qū)域瓦斯防治措施。

水力割縫技術(shù)廣泛應(yīng)用在煤礦井下瓦斯治理方面[1-3]，該技術(shù)通過高壓水射流切割媒體，提高煤層局部區(qū)域裂隙率和煤層暴露面積，達(dá)到提高瓦斯抽采率的目的。現(xiàn)場常用的水力割縫技術(shù)為高壓純水射流、高壓脈沖射流[4]、高壓磨料射流[5-6]或與其他技術(shù)等相結(jié)合的一體化技術(shù)。高壓純水射流在遇到硬煤層時無法實(shí)現(xiàn)有效切割；現(xiàn)場采用的磨料射流為前混合磨料，無法保證射流的連續(xù)性；一體化技術(shù)包括：鉆割一體化、鉆-沖-割一體化、割縫-壓裂結(jié)合技術(shù)等。

1 超高壓水力割縫裝置

1.1 GF-100型超高壓水力割縫裝置結(jié)構(gòu)

GF-100型超高壓水力割縫裝置主要由金剛石復(fù)合片鉆頭、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、超高壓清水泵、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、超高壓軟管等組成。

1.2 工作原理

高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫增加了煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動創(chuàng)造了良好的條件，縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性。縫槽在地壓的作用下，周圍煤體產(chǎn)生空間移動，擴(kuò)大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。在高壓旋轉(zhuǎn)水射流的切割、沖擊作用下，鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，形成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，緩和煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可削弱或消除突出的動力，又可提高煤層的強(qiáng)度，起到防突作用，并提高透氣性和瓦斯釋放能力。

2 超高壓水力割縫試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)區(qū)域概況

此次試驗(yàn)地點(diǎn)為11719機(jī)巷（東），地面標(biāo)高+731.07 m～+946.1 m，埋深282.4 m～497.4 m，該巷道在115回風(fēng)石門內(nèi)掛口，掛口坐標(biāo)：X=3105470.165，Y=35602253.128，順C19煤層施工。

該巷開口時煤層平均厚度在2.2 m左右，該巷施工至410 m段時煤層平均厚度在1.5 m左右。11719機(jī)巷（東）未進(jìn)行保護(hù)層開采，屬于未保護(hù)區(qū)域。通過對石屏一礦的相關(guān)基礎(chǔ)資料的分析可知，C19煤層原始瓦斯壓力P=0.96～1.45 MPa，煤層平均瓦斯含量W=11.37～13.8 m3/t，煤層透氣性系數(shù)λ=0.8354～1.6770 m2/MPa2d，煤對瓦斯吸附常數(shù)a=31.3729～33.922 m3/t，b=1.3364～1.3965 MPa-1，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù) =0.0386～0.0487d-1，煤層瓦斯放散初速度△P=18～20；煤層厚度平均3.02 m，正常情況煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.45～0.63。

2.2 現(xiàn)場施工方案

2.2.1 試驗(yàn)鉆孔設(shè)計

結(jié)合礦井實(shí)際情況，在11719機(jī)巷（東）掛口位置，設(shè)計順層長鉆孔進(jìn)行水力割縫，此次設(shè)計鉆孔共15個，控制巷道前方60m，巷道兩側(cè)15m寬度，其中右?guī)?#～6#鉆孔為水力割縫鉆孔，左幫7#—15#為普通（不割縫）鉆孔，兩種鉆孔分別控制相同范圍內(nèi)的瓦斯含量。

2.2.2 效果考察方法及內(nèi)容

此次設(shè)計的兩種不同鉆孔，預(yù)抽范圍及瓦斯含量均相同，施工完畢后全部進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)并抽。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過抽采后，分別對割縫前、割縫后，以及割縫與不割縫鉆孔的瓦斯含量、濃度、單孔流量等數(shù)據(jù)的收集、對比，包括巷道掘進(jìn)前期和割縫后掘進(jìn)期間的預(yù)測指標(biāo)（K1值、S值）變化情況進(jìn)行分析。

2.2.3 水力割縫試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)施流程

（1）依次連接金剛石復(fù)合片鉆頭（Φ94 mm）、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、利用礦方正常鉆進(jìn)的低壓水尾及低壓水管路，按割縫鉆孔設(shè)計參數(shù)施工至設(shè)計深度。要求對所有超高壓鉆桿連接前進(jìn)行內(nèi)外沖洗并確保鉆桿內(nèi)無煤屑等殘留物。

（2）根據(jù)煤孔段長度，按3 m割一刀，計算該鉆孔所需割縫刀數(shù)，退鉆割縫至距離孔口20 m。

（3）將高低壓轉(zhuǎn)換割縫器停在指定割縫位置，關(guān)閉靜壓水，換接超高壓旋轉(zhuǎn)水尾，連接超高壓管路，不相關(guān)人員撤離至警戒線外。再次檢查確認(rèn)施工環(huán)境及設(shè)備安全后，先開啟鉆機(jī)帶動鉆桿以適當(dāng)速度旋轉(zhuǎn)，然后再開啟超高壓清水泵，首次啟動空載2～3 min以上，待孔口返水后，通過遠(yuǎn)程操作臺上的調(diào)壓閥，泵壓由低到高緩慢、勻速增壓：10 MPa→15 MPa →20 MPa →30 MPa→50 MPa→80 MPa→90 MPa→100 MPa，水經(jīng)過超高壓軟管進(jìn)入鉆桿內(nèi)，最后從高低壓轉(zhuǎn)換割縫器上的噴嘴射出，對煤層周邊煤體進(jìn)行切割，每刀割縫時間為2～5 min。

（4）割縫過程中若遇堵孔、憋孔現(xiàn)象，先緩慢將高壓泵壓力降低至10～15 MPa，低壓沖洗2～3 min，待孔口返水正常后在緩慢調(diào)壓至100 MPa，繼續(xù)割縫作業(yè)。割縫過程若遇噴孔或瓦斯超限現(xiàn)象，立即停止作業(yè)，分析噴孔或瓦斯超限原因，處理完成并恢復(fù)正常后方可繼續(xù)割縫作業(yè)。

（5）切割一刀結(jié)束后，先將超高壓清水泵泵壓回零，在關(guān)閉超高壓清水泵，開啟鉆機(jī)，撤卸3根鉆桿，重新連接超高壓旋轉(zhuǎn)水尾及超高壓管路，再次開啟超高壓清水泵，控制調(diào)壓螺母，將泵壓緩慢、勻速增加至100 MPa，繼續(xù)進(jìn)行割縫作業(yè)。

（6）重復(fù)上述3、4、5步驟，完成預(yù)計割縫刀數(shù)。

（7）鉆孔割縫完成后，孔內(nèi)返水正常且無憋孔、堵孔等異?，F(xiàn)象，先將超高壓清水泵泵壓緩慢回零，再關(guān)閉超高壓清水泵，切斷電源，撤卸鉆桿并堆放整齊，高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、金剛石復(fù)合片鉆頭、超高壓旋轉(zhuǎn)接頭妥善保管。

3 應(yīng)用效果及分析

3.1割縫鉆孔排屑量統(tǒng)計及分析

割縫試驗(yàn)壓力為90 MPa，由于煤層整體硬度不大，在超高壓水的作用下，煤體被切割為小顆粒或煤泥狀，在水和螺旋鉆桿的共同作用下，順利排到孔口，割縫過程中會出現(xiàn)間歇憋孔現(xiàn)象，但不影響割縫作業(yè)的正常進(jìn)行，割縫過程中無瓦斯涌出異?，F(xiàn)象。

統(tǒng)計分析11719工作面機(jī)巷（東）1～6#割縫孔，割縫刀數(shù)4～11刀，單刀割縫時間4～5 min，單孔出煤量2～4.5 t，平均單孔出煤量為3.31 t，平均每刀割縫排屑量為0.42 t。

M=π×r2×h×K×γ （1）

式中：M——割縫后排出煤屑量，t；

K——煤量損失不均衡系數(shù)0.8～0.95，根據(jù)礦井的返水返渣情況此處按0.85取值（60 m順層鉆孔，煤層整體硬度較低，在超高壓水及螺旋鉆桿共同作用下，排除的煤屑呈粉末狀）；

r——割縫后縫隙的等效半徑，m；

h——割縫后縫隙的寬度，m，考慮到縫槽為外寬內(nèi)窄不規(guī)則槽形，割縫后縫隙的平均寬度按4 cm計算；

γ——煤的容重，石屏一礦C19煤層容重γ=1.55 t/m3。

把割縫形成的縫隙視為一個圓柱體，根據(jù)式（1）反算在每刀平均排出煤屑量M=0.42 t的條件下，割縫后形成縫槽半徑：r=1.59 m

3.2抽采效果分析

3.2.1 抽采流量分析

9個普通鉆孔8月2日～9月3日的平均單孔純量0.015 m3/min、6個割縫鉆孔8月2日～9月3日的單孔抽采純量平均值為0.117 m3/min，割縫鉆孔單孔抽采純量是普通鉆孔單孔抽采純量的7.8倍，因此，采用超高壓水力割縫工藝后，鉆孔瓦斯抽采效率得到大幅提高。

3.2.2抽采濃度對比分析

通過抽采鉆孔的檢測分析，鉆孔在11719機(jī)巷（東）抽采濃度處于10%～25%區(qū)間內(nèi)，割縫鉆孔在第二循環(huán)抽采濃度大部分保持在20%～60%區(qū)間范圍內(nèi)，濃度提高了2-2.4倍。因此，水力割縫能有效提高鉆孔瓦斯抽采濃度。

3.3抽采達(dá)標(biāo)時間分析

抽采鉆孔抽采有效時的瓦斯總量可按下式計算：

（2）

式中： —抽采鉆孔控制區(qū)域長度、寬度， ；

—抽采鉆孔控制區(qū)域煤層厚度， ；

—抽采鉆孔控制區(qū)域煤層密度， ；

—抽采鉆孔控制區(qū)域煤層瓦斯含量， ；

—確定的抽采率

鉆孔控制區(qū)域需要抽采瓦斯量為：

Q=L1×L2×h×γ×W×η= 60×17×2.2×1.45×（10.14-8）=6963 m3

注：施鉆前對巷道前方測定了兩個殘余瓦斯含量（9.26 m3、10.14 m3），此處取10.14 m3。

3.4減少工程量對比

此次設(shè)計控制11719機(jī)巷（東）前方60 m，兩幫外沿傾斜方向各15 m，其中6個水力割縫鉆孔和9個普通鉆孔各控制了一半范圍。水力割縫鉆孔總工程量為320.4 m、普通鉆孔總工程量為461.8 m，因此控制范圍相同的情況下，水力割縫鉆孔比施工普通鉆孔減少工程量923.6-640.8=282.8 m，減少率30.6%。因此割縫不僅很好的消除了工作面前方巷道的突出危險性，而且在減少工程量方面有很大的作用。

3.5水力割縫對掘進(jìn)的影響

（1）殘余瓦斯含量：7月29日，施工兩個鉆孔進(jìn)行瓦斯含量測定，1#為9.26 m3，2#為10.14 m3；9月19日恢復(fù)掘進(jìn)時再次施工3個鉆孔進(jìn)行瓦斯含量測定，1#為7.13 m3，2#為6.86 m3、3#為6.24 m3。

（2）K1值：可以從表1看出，機(jī)巷聯(lián)巷在施工時（未采取割縫措施）僅施工12.1m就預(yù)測超標(biāo)，排放孔效果又較差，而11719機(jī)巷（東）水力割縫后7天內(nèi)一次掘進(jìn)了21.5 m；K1值數(shù)據(jù)記錄見表1、表2所示，水力割縫前K1值平均為0.41，割縫后掘進(jìn)期間K1值平均為0.22，相對較水力割縫前下降46.3%，掘進(jìn)期間預(yù)測指標(biāo)明顯降低。

4 結(jié)論

通過對超高壓水力割縫技術(shù)在順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的理論及現(xiàn)場研究，得出以下結(jié)論：

（1）采用超高壓水力割縫后，割縫壓力80 MPa～90 MPa，割縫間距為3～4 m，每刀割縫時間為4～5 min；平均每刀割縫排屑量為0.38t，割縫縫槽寬度為4 cm，割縫縫槽的等效半徑為1.59 m，平均單鉆孔排屑量為3.31t，降低了工作面突出危險性，割縫措施有效保證了掘進(jìn)工作面安全快速掘進(jìn)。

（2）采用超高壓水力割縫工藝后，割縫鉆孔單孔抽采純量為普通鉆孔7.8倍，濃度提高了2-2.4倍，大幅提高了鉆孔瓦斯抽采效率，鉆孔抽采時間縮短80.7%。

（3）采取超高壓水力割縫增透技術(shù)后，鉆孔抽采半徑增大，施工工程量減少了30.6%。

總之，雖然礦井煤層透氣性差、斷層影響區(qū)域多，但只要采取了超高壓水力割縫后，能夠使煤體充分卸壓，那么發(fā)生突出的煤層條件就會根本改變，就會取得較好的防突效果。此外超高壓水力割縫工藝在技術(shù)上較先進(jìn)、處理瓦斯效果好，經(jīng)濟(jì)上也較為合理，隨著礦井瓦斯災(zāi)害越來越嚴(yán)重，現(xiàn)有預(yù)防措施又存在一定局限性，超高壓水力割縫技術(shù)的優(yōu)越性將逐步顯現(xiàn)出來，它可能成為煤礦一項(xiàng)比較有生命力的局部和區(qū)域防突措施。

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（作者單位：川南煤業(yè)瀘州古敘煤電有限公司石屏一礦）