高瓦斯低透氣性煤層深鉆孔高壓水力割縫增透技術(shù)

梁銀權(quán)，王進尚，馮星宇

(永貴能源開發(fā)有限責(zé)任公司 新田煤礦，貴州 黔西 551500)

貴州地區(qū)礦井多為高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井，目前我國低透氣性煤層煤礦開采主要面臨著抽采鉆孔濃度低、流量衰減快，抽采達標(biāo)時間長等問題[1-3]。 為了進一步提升低透氣性煤層瓦斯抽采效果，貴州公司與科研單位共同研制整體工作壓力可達90～100MPa的超高壓鉆割功能一體化的卸壓增透成套裝備，形成了一套超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)及工藝技術(shù)體系，可以顯著提高煤層的增透效果，快速降低煤巖層應(yīng)力，提高系列化設(shè)備的適用性，解決低透氣性突出煤層抽采效率低及應(yīng)力主導(dǎo)型煤層卸壓效果差的難題[4-7]。該技術(shù)在貴州公司所屬礦井推廣應(yīng)用，取得了良好的效果，縮短了瓦斯治理時間、提高了煤層透氣性、削減了鉆孔工程量，具有顯著的技術(shù)及經(jīng)濟效益。

1 試驗區(qū)概況

新田煤礦1901工作面位于一采區(qū)南部，設(shè)計長度960m，寬度110m，工作面標(biāo)高處于+900～+940m之間，埋深處于350～420m之間，設(shè)計開采M9煤層，煤層厚度1.24～5.83m，平均2.79m，鄰近區(qū)域的煤層為原始煤層，煤層的堅固性系數(shù)f實測值均在1.0以上，客觀上具備高壓水鉆割縫一體化的條件。煤層自北西向南東偏向，整體呈單斜結(jié)構(gòu)，煤層傾角0°～10°，總體為2°，局部過結(jié)構(gòu)段煤層傾角變大，煤層構(gòu)造簡單，夾矸0～1層，煤層層位、厚度、構(gòu)造基本不變。煤層頂板一般為泥質(zhì)粉砂巖，局部為泥巖或粉砂巖，間接頂板為標(biāo)二(灰?guī)r)；底板為泥巖，富含植物根部化石。

1901工作面位于1401工作面保護層開采后的有效掩護范圍內(nèi)，但開采保護層后區(qū)域M9煤層瓦斯含量高達7.62～10.35m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.127m2/(MPa2·d)，采取常規(guī)煤層瓦斯治理手段(未增透)，治理時間長、難度大、效率低下，難以實現(xiàn)1901工作面瓦斯高效治理，造成礦井采、掘接替緊張，1901工作面煤巷掘進平均月進尺僅為40m/月，無法實現(xiàn)1901工作面安全高效掘進。因此，尋求一種快速卸壓增透的措施是實現(xiàn)1901工作面安全高效掘進的重要途徑之一。

2 深鉆孔超高壓水力割縫卸壓增透機理

2.1 超高壓水力割縫原理

高壓水力割縫以高壓水泵增壓發(fā)生的高壓水為介質(zhì)，將高壓水經(jīng)由過程主動切換式切縫器的噴嘴噴出，構(gòu)成一股能量高度集中的細束高壓水流，高壓水流具有較強的穿透、沖蝕本領(lǐng)，完成對煤體的猛烈打擊，從而對煤體構(gòu)成切割和破裂[8-10]。

超高壓水力割縫卸壓增透工藝增加了煤體表露面積，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯開釋和活動創(chuàng)造了優(yōu)越的前提，縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)獲得較充實的卸壓，增大了煤層的透氣性?？p槽在地壓的作用下，四周煤體發(fā)生空間位移，擴展了縫槽卸壓、排瓦斯規(guī)模。在高壓扭轉(zhuǎn)水射流的切割、打擊作用下，鉆孔四周一部分煤體被高壓水擊落沖走，構(gòu)成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改良煤層中的瓦斯活動狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，扭轉(zhuǎn)了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀態(tài)，緩和煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可減弱或解除突出的動力，又可進一步強化煤層的強度，起到防突作用，并進一步增加透氣性和瓦斯開釋能力。超高壓水力割縫工藝系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 超高壓水力割縫工藝系統(tǒng)圖

2.2 超高壓水力割縫卸壓增透成套裝備

深鉆孔超高壓水力割縫卸壓增透裝置主要由金剛石水力割縫鉆頭、水力割縫淺螺旋鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)接頭、超高壓清水泵、高低壓轉(zhuǎn)換器、超高壓膠管等組成。

1)超高壓水力割縫裝置裝備適用于高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性煤層(煤層硬度f>0.4)工作面順層鉆孔、穿層鉆孔及石門揭煤卸壓增透、煤與瓦斯突出防治等，順層鉆孔割縫鉆孔深度80～100m，穿層鉆孔割縫鉆孔深度80～100m。

2)裝置性能指標(biāo)：切割半徑可達1500～2000mm；切割縫隙寬度可達6～10mm；系統(tǒng)具有遠程壓力輸送能力，其輸送距離為80～200m。

3)裝置技術(shù)特點：該裝置操作簡便、實用、效率高、工藝流程時間短；采取的超高壓清水泵體積小，便于井下安放；割縫鉆桿采用雙密封，鉆桿、水尾及高壓膠管承壓100MPa以上；該裝備不僅能解決穿層鉆孔水力割縫增透的問題，還能解決順層長鉆孔大面積增透的難題；割縫半徑可達1500～2000mm，減少鉆孔工程量，縮短抽采時間。

3 超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)應(yīng)用

1901運輸巷區(qū)域防突措施為開采上保護層區(qū)域防突措施，每循環(huán)直接在工作面進行區(qū)域防突措施效果檢驗，若檢驗合格，直接進行達標(biāo)評判；若檢驗不合格時，在工作面增補順層深鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突補救辦法。

3.1 深孔超高壓水力割縫卸壓增透設(shè)計

1901運輸巷進行區(qū)域防突措施效果檢驗超標(biāo)時，煤巷條帶補充超高壓水力割縫卸壓增透鉆孔，設(shè)計按照80m作為一個評價區(qū)域，每循環(huán)預(yù)留20m壓茬距離，迎頭設(shè)計15個順層長鉆孔。其中，割縫鉆孔9個，孔徑Φ113mm，割縫結(jié)束后從孔口往里15m段擴孔至Φ153mm，采用Φ108mm封孔管進行封孔；普通鉆孔6個，孔徑Φ94mm，采用Φ50mm封孔管進行封孔，所有鉆孔均采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進行封孔，封孔段深度12m；鉆孔控制巷道前方80m，巷道兩側(cè)20m寬度，割縫鉆孔終孔間距為5m，從鉆孔底開始每3m切割一刀，距離迎頭20m停止切割，每個鉆孔切割20～21刀，本循環(huán)9個鉆孔累計切割約180～190刀，1901運輸巷超高壓水力割縫鉆孔布置如圖2所示。

圖2 1901運輸巷超高壓水力割縫鉆孔布置圖

3.2 深孔超高壓水力割縫卸壓增透試驗過程

鉆孔采用ZDY4000LR深孔履帶鉆車進行施工，超高壓水力割縫鉆孔采用直徑Φ113mm金剛石復(fù)合片鉆頭，利用靜壓水或者壓風(fēng)按割縫鉆孔設(shè)計參數(shù)施工至設(shè)計深度，然后撤出一根鉆桿，連接上高壓水管路，開啟高壓水泵，控制截水閥，泵壓由低到高：15MPa→20MPa→30MPa→40MPa→50MPa→60MPa→90MPa→100MPa，水經(jīng)過超高壓膠管進入超高壓水力割縫淺螺紋鉆桿內(nèi)，最后從高低壓轉(zhuǎn)換器上的噴嘴射出實現(xiàn)鉆割一體化，然后鉆機旋轉(zhuǎn)，通過鉆頭對煤層周邊煤體進行切割，每刀割縫時間在3～5min之間。時刻關(guān)注孔口返水、返渣情況，根據(jù)孔口返水情況，確定關(guān)閉超高壓清水泵時間，控制截止閥，待管路卸壓后撤卸1根鉆桿，并重新接上高壓管路。重復(fù)上述步驟，完成預(yù)計割縫刀數(shù)。割縫完成后，及時關(guān)閉超高壓清水泵，待充分卸壓后，撤卸鉆桿并堆放整齊，割縫設(shè)備妥善保管。

4 效果分析

4.1 超高壓水力割縫排屑量分析

超高壓水力割縫卸壓增透原理：經(jīng)過超高壓水將煤層從煤體削落，經(jīng)過割縫在鉆孔煤孔段中割出一條(或數(shù)條)一定寬度、高度的扁平縫槽，增添鉆孔內(nèi)煤體暴露面積，改變鉆孔內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)，造成新裂隙及局部卸壓前提，達到提高煤層透氣性、提高預(yù)抽率的目的。為此，超高水力割縫煤體削落的幾何形狀直接影響煤層的增透結(jié)果。

為了較為直觀地對比割縫前后鉆孔內(nèi)煤體的表露面積，通過統(tǒng)計排屑量來間接反映割縫對增大鉆孔內(nèi)煤體暴露面積的作用性。統(tǒng)計超高壓水力割縫鉆孔的每一個割縫鉆的排屑量，以便盤算割縫的結(jié)果。超高壓水力割縫鉆孔排出煤屑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 超高壓水力割縫鉆孔煤屑量統(tǒng)計表

從表1可以看出，本循環(huán)實施超高壓水力割縫鉆孔的9個鉆孔累計排屑煤量約53t，平均單孔排屑煤量6t，平均割縫時長82.7min，工作面均勻瓦斯?jié)舛?.39%。

4.2 超高壓水力割縫瓦斯抽采效果分析

為了保證超高壓水力割縫后瓦斯抽采效果，在工作面評價區(qū)域抽采Φ355mm主管路上安裝有管道瓦斯抽采在線計量裝置，型號CGWZ-100(C)，實現(xiàn)工作面瓦斯抽采24h不間斷動態(tài)監(jiān)控。同時按照高標(biāo)準安裝有汽、水、渣分離裝置，鉆孔連抽多通管采用Φ200mm大管徑，割縫鉆孔連抽管徑Φ108mm，普通鉆孔連抽管徑Φ50mm。

瓦斯抽采參數(shù)包括抽采濃度、抽采純量、抽采壓力等，通過這些參數(shù)可以直觀地反應(yīng)對煤體的卸壓增透作用及瓦斯抽采效果，未實施與實施超高壓水力割縫鉆孔的主管路瓦斯抽采純量及抽采濃度對比曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 瓦斯抽采濃度對比曲線

圖4 瓦斯抽采純量對比曲線

從圖3、圖4可以看出，上一循環(huán)未實施超高壓水力割縫卸壓增透共計施工鉆孔48個，平均瓦斯抽采只有濃度18.6%，日抽采量4084m3，連續(xù)跟蹤13d瓦斯抽采數(shù)據(jù)，共計抽采瓦斯53093m3；本循環(huán)實施超高壓水力割縫卸壓增透后，共計施工鉆孔15個，日瓦斯抽采純量及抽采濃度瓦斯顯著提高，平均瓦斯抽采濃度42.6%，日抽采量7255m3，同樣是連續(xù)跟蹤13d的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，共計抽采瓦斯94320m3。通過2個循環(huán)對比，實施超高壓水力割縫卸壓增透后的抽采濃度是未實施的2.3倍，瓦斯抽采量是未實施的1.8倍，鉆孔密度是未實施的0.31倍。

5 結(jié) 論

1)形成了一套超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)及工藝技術(shù)體系，顯著提高煤層的增透效果，快速降低煤巖層應(yīng)力，提高設(shè)備的適用性，解決低透氣性突出煤層抽采效率低及應(yīng)力主導(dǎo)型煤層卸壓效果差的難題，縮短瓦斯治理時間、提高煤層透氣性，提升了瓦斯治理效果。

2)經(jīng)過超高壓水力割縫卸壓增透，鉆孔煤煤體大量削落，增加了鉆孔內(nèi)煤體裸露面積，割縫可以使鉆孔之間互通，造出裂縫，使煤體獲得充實卸壓，煤體中的瓦斯得到排放，應(yīng)力獲得消除，為掘進工作提供較為安全的環(huán)境。

3)突出煤層采用超高壓水力割縫后，增添了瓦斯抽采量，削減了鉆孔工程量。通過收集數(shù)據(jù)分析瓦斯抽采濃度能夠達到普通鉆孔瓦斯抽采濃度的2.3倍，瓦斯抽采量能夠達到普通鉆孔的1.8倍，鉆孔工程量能夠減少0.69倍。

4)通過采取超高壓水力割縫后，煤巷掘進平均進尺由原先的40m/月提升到60m/月，有效緩解了新田煤礦抽、掘、采接替緊張局面，為1901工作面接替1402工作面奠定扎實基礎(chǔ)。