超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)參數(shù)試驗考察

劉志偉，高振勇

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

高瓦斯低透氣性煤層順層鉆孔瓦斯抽采難度大，抽采達(dá)標(biāo)時間長、抽采效果差、鉆孔工程量大，嚴(yán)重影響了采掘工作面瓦斯治理效率，導(dǎo)致煤礦采掘接替失調(diào)。在解決上述高瓦斯低透氣性煤層瓦斯治理難題方面，水力割縫增透技術(shù)被廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是一種能夠有效提高煤層透氣性和強化瓦斯抽采的技術(shù)措施[1-4]。近年來，隨著我國高壓水射流擴孔、割縫技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，超高壓(100MPa)水力鉆割一體化增透技術(shù)逐步推廣應(yīng)用，以100MPa的高壓水為介質(zhì)對鉆孔周圍煤體進(jìn)行剝離，改變煤層原始應(yīng)力狀態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到了煤層卸壓增透的目的[5-8]，在安徽淮南、四川攀枝花、河南焦作、貴州畢節(jié)等礦區(qū)取得了良好的治理效果[9-11]。

隨著采掘深度和開采強度的不斷增加，潞安礦區(qū)屯留井田煤層瓦斯含量逐步增加，采掘工作面瓦斯涌出量極大，主要采用順層鉆孔抽采的瓦斯治理措施，由于生產(chǎn)銜接緊張，瓦斯抽采時間不足，工作面采掘進(jìn)度緩慢。為解決上述難題，潞安集團(tuán)引進(jìn)超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)對煤層進(jìn)行瓦斯治理，以實現(xiàn)瓦斯高效抽采、減低瓦斯涌出量，解決生產(chǎn)接續(xù)緊張問題。

超高壓水力鉆割一體化割縫增透效果與割縫壓力、單刀出煤量及割縫時間息息相關(guān)[12-13]，當(dāng)割縫鉆孔出煤量過多時煤層結(jié)構(gòu)破壞，易發(fā)生鉆孔噴孔或塌孔現(xiàn)象，抽采瓦斯衰減較快，造成工程量增加和施工難度增大；當(dāng)割縫單刀出煤量較少時煤層增透效果有限，難以達(dá)到煤層增透及快速降低瓦斯涌出的目的，因此研究適合不同煤層硬度條件下超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)合理割縫壓力、最優(yōu)的割縫時間、單刀割縫出煤量和割縫半徑的技術(shù)參數(shù)有重要意義。

1 試驗區(qū)概況

屯留井田含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，含可采煤層5層，為3，9，12，15-2，15-3號煤層。井田的各礦井主要開采3號煤層，下距9號煤層平均為61.83m，3號煤層平均厚度6.0m，全井田穩(wěn)定可采。

超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)以屯留井田余吾礦N1103工作面為試驗地點，該工作面開采3號煤層，煤層厚度約6.0m，傾角平均2°，瓦斯含量10.55m3/t，堅固性系數(shù)為0.47～0.57，瓦斯放散初速度為21，煤體破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類。

該工作面N1103膠帶巷沿3號煤層頂板掘進(jìn)，為矩形斷面，寬5.4m，高3.8m，采用錨網(wǎng)支護(hù)、錨索補強的支護(hù)方式。N1103工作面及兩巷設(shè)計采用順層長鉆孔的方式進(jìn)行預(yù)抽，以達(dá)到降低煤層瓦斯含量和瓦斯涌出量的目的。

2 考察方案設(shè)計

以潞安礦區(qū)屯留井田3號煤層為試驗對象，首先考察3號煤層賦存條件下超高壓水力鉆割一體化合理割縫壓力，然后對不同割縫時間及鉆孔出煤量進(jìn)行考察，以瓦斯抽采濃度和純量達(dá)到最佳效果為指標(biāo)，試驗考察超高壓水力鉆割一體化增透合理單刀割縫時間和最佳單刀出煤量，分析確定上述割縫技術(shù)參數(shù)條件下的割縫半徑。

試驗地點選在N1103工作面的膠帶巷，共布置順層鉆孔18個，鉆孔間距為4m，編號分別為1～18號鉆孔，分為5個試驗組，試驗組間距8m，其鉆孔布置如圖1所示。

圖1 N1103工作面割縫試驗鉆孔布置

其中Ⅰ試驗組布置2個鉆孔，考察合理割縫壓力。然后在合理的割縫壓力條件下，在試驗組Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ分別布置4個鉆孔，鉆孔長度100m，每4m割1刀，設(shè)計割縫20刀，分別考察5min，7min，10min，12min割縫的單刀出煤量。割縫鉆孔完成后對鉆孔進(jìn)行接抽，觀測并記錄試驗組Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ各鉆孔平均瓦斯純流量。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 割縫合理壓力

在N1103膠帶巷Ⅰ試驗組對1號，2號順層鉆孔進(jìn)行超高壓水力割縫試驗時，根據(jù)其孔口返水、返渣順暢程度、塌孔及噴孔情況來進(jìn)行考察。

對1號，2號順層鉆孔試驗期間，每3～5m割1刀，從孔底割縫至孔口20m，在每刀割縫時將壓力由30MPa緩慢上升至100MPa，單刀割縫時間約5min。煤體被切割為粒度為2～10mm的小顆粒，在水和螺旋鉆桿的共同作用下，順利排到孔口，割縫期間未出現(xiàn)堵孔、噴孔及瓦斯超限現(xiàn)象。

試驗表明，3號煤層在堅固性系數(shù)f=0.47～0.57條件下，割縫壓力在100MPa條件下割縫期間均未出現(xiàn)堵孔、噴孔等瓦斯涌出異?，F(xiàn)象，鑒于超高壓水力鉆割一體化裝備額定壓力為100MPa，考慮留有10%富裕系數(shù)，確定在3號煤層硬度條件下割縫合理壓力為90MPa。

3.2 不同割縫時間的單刀出煤量

針對3號煤層在割縫壓力為90MPa條件下，對試驗組Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，分別考察3min，5min，7min，10min割縫的單刀出煤量，其不同試驗組不同割縫時間割縫鉆孔單刀出煤量統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同割縫時間割縫鉆孔單刀出煤量統(tǒng)計

3.3 不同試驗組平均瓦斯抽采純量

由表1可見，在試驗組Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ各割縫鉆孔單刀割縫時間分別為3min，5min，7min，10min時的平均單刀出煤量分別為0.17t，0.22t，0.32t，0.46t，上述割縫鉆孔施工完成后立即封孔聯(lián)抽，每天觀測各單孔的瓦斯抽采純量，計算試驗組單孔平均瓦斯抽采純量，得出不同單刀出煤量鉆孔平均瓦斯抽采純量變化曲線如圖2所示。

圖2 鉆孔平均瓦斯抽采純量變化曲線

由圖2可知，不同單刀出煤量的鉆孔抽采前30d的單孔平均抽采純量波動均較大，抽采30～60d逐步趨于穩(wěn)定，單刀出煤量0.32t的割縫試驗組單孔平均瓦斯抽采純量約0.048m3/min；單刀出煤量為0.46t的割縫試驗組單孔平均瓦斯抽采純量約0.045m3/min；單刀出煤量為0.22t的割縫試驗組單孔平均瓦斯抽采純量約0.018m3/min。單刀出煤量為0.17t的割縫試驗組單孔平均瓦斯抽采純量約0.016m3/min。

不同單刀出煤量60d鉆孔平均瓦斯抽采純量對比如圖3所示。由圖3可知，單刀出煤量為0.32t時，接抽60d的鉆孔平均瓦斯抽采純量最大；單刀出煤量為0.17t，0.22t，0.32t時，接抽60d的鉆孔平均瓦斯抽采純量隨單刀出煤量增大而增大；當(dāng)單刀出煤量為0.46t與單刀出煤量為0.32t相比，鉆孔平均抽采純量降低9%。

圖3 不同單刀出煤量鉆孔平均抽采純量對比

綜上分析，3號煤層在堅固性系數(shù)f=0.47～0.57條件下，合理的割縫壓力為90MPa，單刀割縫時間為7min，單刀割縫煤量為0.32t時，鉆孔瓦斯抽采效果最優(yōu)。

4 割縫半徑分析

假設(shè)水力割縫形成的孔洞是一個均勻的圓形孔洞，利用等效孔徑可以描述鉆割一體化技術(shù)的擴孔效應(yīng)，其割縫半徑計算公式如式(1)所示。

M=π×r2×h×K×γ

(1)

式中，M為割縫后排出煤屑量，t；r為割縫后縫隙的半徑，m；h為割縫后縫隙的高度，m；K為煤量損失不均衡系數(shù)；γ為煤的密度，γ=1.38t/m3。

根據(jù)3號煤層超高壓水力割縫鉆孔的傾角為+2°，鉆孔長度100m，實際鉆進(jìn)過程中可能因掉鉆影響，導(dǎo)致終孔傾角變小或為負(fù)角度，因此考慮煤量損失不均衡系數(shù)K取0.70；考慮到割縫后縫槽為外寬內(nèi)窄不規(guī)則槽形，根據(jù)3號煤層堅固性系數(shù)f=0.47～0.57，根據(jù)試驗經(jīng)驗割縫壓力在90MPa時割縫后縫隙的平均寬度按0.04～0.05m計算。

根據(jù)式(1)計算每刀平均排出煤屑量0.32t條件下，割縫形成縫槽半徑r=1.45～1.62m。

5 結(jié) 論

(1)采用超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)對屯留井田3號煤層進(jìn)行瓦斯治理的合理割縫壓力為90MPa，在堅固性系數(shù)f=0.47～0.57條件下，單刀割縫時間為3min，5min，7min，10min時，單刀割縫出煤量分別為0.17t，0.22t，0.32t，0.46t。

(2)超高壓鉆割一體化割縫壓力為90MPa，單刀割縫7min，割縫半徑可達(dá)1.45～1.62m，單刀割縫出煤量約0.32t，其鉆孔瓦斯抽采效果最佳，形成了一套適合3號煤層賦存的超高壓鉆割一體化增透技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)，為類似煤層超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)參數(shù)選擇提供參考依據(jù)。