超高壓水力割縫技術(shù)在N1103膠帶順槽中的應(yīng)用

宋顯鋒

(潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司)

余吾煤業(yè)主采3#煤層，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.081 1～0.252 5 d-1,透氣性系數(shù)為0.524～1.741 5 m2/(MPa2·d)，堅(jiān)固性系數(shù)為0.44～0.53，屬于可抽放-較難抽放煤層。采用順層鉆孔對(duì)回采工作面預(yù)抽時(shí)，鉆孔施工量大，抽采效率低，導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，由于礦井目前采掘接替緊張，因此，尋求一種快速卸壓增透的措施顯得尤為重要[1]。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，利用高壓水在已施工的鉆孔中對(duì)煤體割縫、鉆擴(kuò)孔，即水力割縫，能夠?qū)@孔直徑增大，增加抽放效果，從而縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。為此，在N1103膠帶順槽采用順層鉆孔超高壓水力割縫技術(shù)治理瓦斯[2]。

1 超高壓水力割縫技術(shù)原理

高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫能夠增加煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件，縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分卸壓，增大了煤層的透氣性[3]?？p槽在地壓的作用下，周?chē)后w產(chǎn)生空間移動(dòng)，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?chē)徊糠置后w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(dòng)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(dòng)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，水力割縫技術(shù)原理見(jiàn)圖1。

圖1 順層鉆孔超高壓水力割縫技術(shù)示意

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

7月31日在N1103膠順開(kāi)展順層鉆孔超高壓水力割縫試驗(yàn)，設(shè)計(jì)施工15個(gè)割縫試驗(yàn)孔、15個(gè)對(duì)比孔，開(kāi)孔高度為1.8 m，方位角為270°，傾角為2°，鉆孔間距為5 m。截止到8月18日4點(diǎn)班，累計(jì)完成15個(gè)試驗(yàn)孔割縫。試驗(yàn)孔開(kāi)孔角度、方位角為2°、270°，割縫過(guò)程中最高壓力為100 MPa，單刀割縫時(shí)間為5～7 min，其中90 MPa割縫時(shí)間為3 min以上，割縫間距為3，4，5 m。表1為N1103膠順試驗(yàn)孔成孔參數(shù)[3]。

15個(gè)試驗(yàn)鉆孔割縫壓力為90 MPa，現(xiàn)場(chǎng)跟班可以發(fā)現(xiàn)，返渣為小顆粒煤塊、煤泥，粒度為0.5～1.5 cm，在高壓水和螺旋鉆桿的共同作用下，返渣順利排到孔口，割縫過(guò)程中未出現(xiàn)明顯噴孔、夾鉆現(xiàn)象。各試驗(yàn)孔單刀出煤量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

N1103膠順單孔割縫數(shù)量為17～28刀，單刀割縫時(shí)間為6～10 min，單孔割縫時(shí)間為180～409 min，平均單孔割縫時(shí)間為293 min，單孔出煤量為4.75～9.52 t，15#試驗(yàn)孔煤質(zhì)變硬，出煤量?jī)H為2.2 t?？傮w計(jì)算，平均單孔出煤量為6.55 t，平均每刀割縫排屑量為0.3 t。

表1 N1103膠順超高壓水力割縫試驗(yàn)孔成孔情況

表2 N1103膠順超高壓水力割縫試驗(yàn)鉆孔出煤量

割縫半徑理論計(jì)算為

M=πr2hKγ，

式中，M為割縫后排出煤屑量，t；r為割縫后縫隙的等效半徑，m；h為割縫后縫隙的高度，m；K為割縫后產(chǎn)生煤屑的碎漲系數(shù)，1.1～1.3；γ為煤的密度，1.39 t/m3。

把割縫形成的縫隙視為一個(gè)圓柱體，根據(jù)式(1)反算在每刀平均排出煤屑量0.3 t的條件下，割縫后形成縫槽半徑為0.85 m，與超高壓水力割縫預(yù)計(jì)割縫深度1.5～2.0 m相差較大。

通過(guò)在3#試驗(yàn)孔右側(cè)1.5，2.5 m施工40 m深鉆孔，發(fā)現(xiàn)2個(gè)鉆孔均未出現(xiàn)串孔情況，可以初步認(rèn)為3#試驗(yàn)孔在30～40 m孔深因割縫產(chǎn)生的裂隙未延伸至1.5 m，即割縫半徑小于1.5 m，這與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合[4]。

3 效果考察

每個(gè)試驗(yàn)孔割縫完畢后，安裝單孔流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，同時(shí)為對(duì)比割縫效果，選擇同一區(qū)域的5個(gè)新成普通鉆孔進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)對(duì)比[4]。在抽采時(shí)間一致的情況下，選擇1#～5#試驗(yàn)孔與5個(gè)普通孔瓦斯流量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 鉆孔抽采純量變化情況

由圖2可以看出：

(1)試驗(yàn)孔剛抽時(shí)，抽采純量均較高，基本在0.06 m3/min以上，其中4#試驗(yàn)孔最高，抽采純量為0.597 m3/min，隨著抽采時(shí)間的增加，各試驗(yàn)孔純量先出現(xiàn)下降，又出現(xiàn)小幅度上升，隨后又下降并趨于穩(wěn)定，各試驗(yàn)孔在抽采6～10 d后穩(wěn)定在0.02～0.03 m3/min，分析原因采用超高壓水力割縫卸壓增透措施后，割縫鉆孔內(nèi)部煤體暴露面積增大，煤體卸壓，促進(jìn)煤體瓦斯解析，煤層透氣性顯著增加，鉆孔煤壁大量游離瓦斯涌出，造成了初期流量較大的情況；隨著時(shí)間的推移，鉆孔附近煤體瓦斯含量顯著下降，而此時(shí)由于抽采時(shí)間較短，深部瓦斯尚未運(yùn)移至鉆孔處，造成了流量顯著下降的現(xiàn)象,隨著后期抽采時(shí)間的繼續(xù)增加，深部瓦斯將陸續(xù)運(yùn)移至鉆孔處，則出現(xiàn)瓦斯流量上升的現(xiàn)象,流量上升后煤體游離瓦斯不斷減少，吸附瓦斯開(kāi)始解析，二者達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)，即抽采流量出現(xiàn)下降并趨于穩(wěn)定。

(2)5個(gè)普通孔抽采純量穩(wěn)定在0.01～0.04 m3/min，且變化幅度不大。分析原因?yàn)樵谙嗤椴韶?fù)壓、抽采時(shí)間條件下，割縫鉆孔由于瓦斯釋放較快，透氣性好，割縫鉆孔前期抽采流量較高，隨著抽采時(shí)間的增加，割縫孔內(nèi)煤體應(yīng)力趨于平衡，瓦斯解析速度降低，抽采純量相應(yīng)降低，而對(duì)比孔未采取卸壓措施，故鉆孔內(nèi)部瓦斯解析速率變化較小，即對(duì)比孔抽采流量變化幅度較小。

通過(guò)對(duì)比5個(gè)試驗(yàn)孔和5個(gè)普通孔抽采量數(shù)據(jù)(圖3)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)孔單孔最高抽采純量、平均抽采純量為0.597，0.06 m3/min，普通孔單孔最高抽采純量、平均抽采純量為0.043 ，0.018 m3/min，試驗(yàn)孔、普通孔萬(wàn)米抽采量分別為3.58，1.33 m3/min，二者相差2.69倍。

圖3 試驗(yàn)孔和普通孔抽采量對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在N1103膠順采用順層鉆孔超高壓水力割縫技術(shù)，能夠增加煤壁暴露面積，改變瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，增加煤體透氣性，有效提高鉆孔抽采流量，單孔抽采純量增大至普通孔的3.33倍，瓦斯含量下降幅度大，縮短了煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。該技術(shù)對(duì)于煤層瓦斯治理具有廣闊的應(yīng)用前景。