薛湖煤礦超高壓水力割縫工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

陳洪濤，李太訓(xùn)

(1.河南神火煤電股份有限公司， 河南 永城 476600；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著開采深度與強(qiáng)度不斷增大，地應(yīng)力、瓦斯壓力等隨之增大，煤層透氣性降低[1-2]，深部煤層開采極易誘發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害，必須同時(shí)從煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)和卸壓有效2個(gè)方面進(jìn)行災(zāi)害防治[3-5]。超高壓水力割縫技術(shù)能夠改變煤體的原巖應(yīng)力和裂隙狀況，既能緩和煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，使煤體均勻、充分卸壓，又能大幅提高煤層透氣性和瓦斯釋放能力[6-7]，在煤與瓦斯突出災(zāi)害治理方面發(fā)揮著重要作用[8-9]。馮星宇等[10]對(duì)某煤層采用超高壓水力割縫卸壓增透措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，順層割縫鉆孔和底板穿層鉆孔單孔平均抽采純量均顯著提高，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短，鉆孔工程量減少。張占國等[11]通過超高壓水力割縫技術(shù)，增大煤體暴露面積，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，結(jié)果表明，水力割縫鉆孔組瓦斯抽采濃度、純流量、百米鉆孔瓦斯抽采純流量及瓦斯抽采率是對(duì)比鉆孔的2～4倍。劉志偉等[12]在某回風(fēng)巷煤巷條帶進(jìn)行超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用，確定了煤層的合理割縫壓力、切割半徑和抽采瓦斯純流量等參數(shù)，有效改善了煤層透氣性。

河南神火煤電股份有限公司薛湖煤礦主采二2煤層，該煤層瓦斯含量高，煤層透氣性系數(shù)低，采用順層鉆孔治理煤層瓦斯，工程量相對(duì)較大，抽采效率低，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長，嚴(yán)重制約了礦井采掘接替。因此，本文在薛湖煤礦二2煤層開展了超高壓水力割縫試驗(yàn)，確定了適用于該煤層的超高壓水力割縫工藝參數(shù)，并針對(duì)該工藝參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，通過與普通鉆孔對(duì)比，檢驗(yàn)其卸壓增透效果，可為相似工程條件下煤礦煤與瓦斯突出防治提供參考。

1 超高壓水力割縫技術(shù)

1.1 超高壓水力割縫卸壓增透原理

超高壓水力割縫裝置如圖1所示。鉆頭鉆入煤體，邊打鉆孔邊進(jìn)行水力割縫，割縫器噴出的超高壓水射流形成脈動(dòng)水線切放煤層，人為造成裂隙，破碎的煤體隨水流沿鉆孔流出，增加了煤體的透氣通道和暴露面積，瓦斯通過裂隙進(jìn)入鉆孔，顯著改善了煤層中瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)瓦斯抽采起到促進(jìn)作用，同時(shí)也改變了煤體的原巖應(yīng)力，煤體得到充分卸壓[13-14]。

1—鉆頭；2—割縫器；3—鉆桿；4—水辮；5—高壓管；6—乳化泵；7—水箱。

1.2 超高壓水力割縫工藝參數(shù)

對(duì)超高壓水力割縫卸壓增透效果影響較大的工藝參數(shù)主要包括割縫壓力、割縫時(shí)間、割縫轉(zhuǎn)速、割縫間距。割縫壓力主要影響破煤效率，割縫壓力越大，破煤效率越高；割縫時(shí)間及割縫轉(zhuǎn)速影響割縫深度，割縫時(shí)間越長、割縫轉(zhuǎn)速越慢，割縫深度越深；割縫間距主要影響割縫后煤體應(yīng)力分布及卸壓范圍，割縫間距越大，相鄰縫槽的相互影響作用越小。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

超高壓水力割縫試驗(yàn)區(qū)域?yàn)檠旱V2306風(fēng)巷底抽巷(南到23采區(qū)回風(fēng)巷，北為薄煤帶，西至29采區(qū)軌道下山，東鄰2306機(jī)巷措施巷)。主采二2煤層，煤層平均厚度為2.5 m，瓦斯含量為4.6～16.2 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.086 1 m2/(MPa2·d)，煤層普氏系數(shù)為0.25～0.70，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為1.38 d-1。

2.2 試驗(yàn)方案

在2306風(fēng)巷底抽巷共布置11個(gè)鉆孔，試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)3種割縫壓力(40，60，80 MPa)、3種割縫時(shí)間(20，25，30 min)、3種割縫轉(zhuǎn)速(40，60，80 r/min)和2種割縫間距(2，4 m)，采用單因素考察方法進(jìn)行超高壓水力割縫試驗(yàn)，記錄鉆孔平均單刀出煤量及割縫后3個(gè)月內(nèi)瓦斯抽采數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 割縫壓力對(duì)割縫效果的影響

當(dāng)割縫時(shí)間為25 min、割縫轉(zhuǎn)速為80 r/min、割縫間距為2 m時(shí)，不同割縫壓力下鉆孔平均單刀出煤量、瓦斯抽采純量分別如圖2、圖3所示。可看出割縫壓力分別為40，60，80 MPa時(shí)，鉆孔平均單刀出煤量分別為1.05，1.68，2.22 t，鉆孔平均瓦斯抽采純量分別為0.004，0.007，0.009 m3/min，即隨著割縫壓力的增加，鉆孔平均單刀出煤量和鉆孔平均瓦斯抽采純量增加。但當(dāng)割縫壓力增大到80 MPa時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重堵孔現(xiàn)象，且割縫壓力在70～80 MPa時(shí)，也會(huì)偶爾出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象。為確保割縫工作的安全性，選擇割縫壓力在60～70 MPa較為合理。

圖2 不同割縫壓力下鉆孔平均單刀出煤量

圖3 不同割縫壓力下鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線

2.3.2 割縫時(shí)間對(duì)割縫效果的影響

當(dāng)割縫壓力為60 MPa、割縫轉(zhuǎn)速為80 r/min、割縫間距為2 m時(shí)，不同割縫時(shí)間下鉆孔平均單刀出煤量、瓦斯抽采純量分別如圖4、圖5所示?？煽闯龈羁p時(shí)間分別為20，25，30 min時(shí)，鉆孔平均單刀出煤量分別為1.14，1.67，1.77 t，鉆孔平均瓦斯抽采純量分別為0.005，0.008，0.009 m3/min；在割縫時(shí)間由20 min增加到25 min時(shí)，鉆孔平均單刀出煤量和鉆孔平均瓦斯抽采純量增加明顯；但在割縫時(shí)間由25 min增加到30 min時(shí)，鉆孔平均單刀出煤量和鉆孔平均瓦斯抽采純量增加不明顯。因此確定適用于薛湖煤礦煤層特點(diǎn)的割縫時(shí)間為25 min。

圖4 不同割縫時(shí)間下鉆孔平均單刀出煤量

圖5 不同割縫時(shí)間下鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線

2.3.3 割縫轉(zhuǎn)速對(duì)割縫效果的影響

當(dāng)割縫壓力為60 MPa、割縫時(shí)間為25 min、割縫間距為2 m時(shí)，不同割縫轉(zhuǎn)速下鉆孔平均單刀出煤量如圖6所示?？煽闯龈羁p轉(zhuǎn)速分別為40，60，80 r/min時(shí)，鉆孔平均單刀出煤量分別為2.05，1.84，1.77 t，即低割縫轉(zhuǎn)速可增加鉆孔平均單刀出煤量。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察，割縫轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，堵孔嚴(yán)重；割縫轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，存在堵孔現(xiàn)象；割縫轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)，排渣流暢。這是由于薛湖煤礦煤層松軟，低割縫轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致鉆桿輔助排渣能力降低，所以適用于薛湖煤礦煤層特點(diǎn)的割縫轉(zhuǎn)速為80 r/min。

圖6 不同割縫轉(zhuǎn)速下鉆孔平均單刀出煤量

2.3.4 割縫間距對(duì)割縫效果的影響

當(dāng)割縫壓力為60 MPa、割縫時(shí)間為25 min、割縫轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)，不同割縫間距下鉆孔平均單刀出煤量、瓦斯抽采純量分別如圖7、圖8所示?？煽闯龈羁p間距分別為2，4 m時(shí)，鉆孔平均單刀出煤量分別為1.58，1.67 t，鉆孔平均瓦斯抽采純量分別為0.008，0.006 m3/min；與割縫間距為2 m時(shí)相比，割縫間距為4 m時(shí)鉆孔平均單刀出煤量增加約5.7%，但鉆孔平均瓦斯抽采純量減少25%，抽采效果不佳。因此確定薛湖煤礦超高壓水力割縫合理割縫間距為2 m。

圖7 不同割縫間距下鉆孔平均單刀出煤量

圖8 不同割縫間距下鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

薛湖煤礦在試驗(yàn)區(qū)域施工55個(gè)超高壓水力割縫鉆孔(鉆孔間距為5.0 m)，根據(jù)試驗(yàn)分析，選取超高壓水力割縫工藝參數(shù)：割縫壓力為60～70 MPa，割縫時(shí)間為25 min，割縫轉(zhuǎn)速為80 r/min，割縫間距為2 m。為驗(yàn)證超高壓水力割縫技術(shù)的有效性，在同一試驗(yàn)區(qū)域施工相同數(shù)量的普通鉆孔(鉆孔間距為3.5 m)進(jìn)行對(duì)比，分析瓦斯抽采數(shù)據(jù)、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間和殘余瓦斯含量。

3.1 瓦斯抽采數(shù)據(jù)

割縫鉆孔與普通鉆孔瓦斯抽采濃度、純量分別如圖9、圖10所示?？煽闯銎胀ㄣ@孔、割縫鉆孔日均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)分別為23.1%，40.4%，割縫鉆孔日均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)約為普通鉆孔的1.75倍；普通鉆孔、割縫鉆孔日均瓦斯抽采純量分別為0.001 6，0.005 2 m3/min，割縫鉆孔日均瓦斯抽采純量為普通鉆孔的3.25倍。

圖9 鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線

圖10 鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線

3.2 抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間

根據(jù)薛湖煤礦實(shí)際情況，殘余瓦斯含量降低到6 m3/t時(shí)抽采達(dá)標(biāo)。普通鉆孔在抽采203 d時(shí)抽采達(dá)標(biāo)，割縫鉆孔在抽采118 d時(shí)抽采達(dá)標(biāo)。相對(duì)于普通鉆孔，割縫鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短了約42%。

3.3 殘余瓦斯含量

抽采118 d時(shí)，分別在距離割縫鉆孔、普通鉆孔1.5，2.0，2.5 m處測(cè)定殘余瓦斯含量，如圖11所示。可看出距割縫鉆孔2.5 m處殘余瓦斯含量為5.926 0 m3/t，小于6 m3/t，抽采達(dá)標(biāo)；普通鉆孔殘余瓦斯含量最小值為6.456 7 m3/t，大于6 m3/t，抽采未達(dá)標(biāo)。

圖11 殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出了適用于薛湖煤礦二2煤層特點(diǎn)的超高壓水力割縫工藝參數(shù)：割縫壓力為60～70 MPa，割縫時(shí)間為25 min，割縫轉(zhuǎn)速為80 r/min，割縫間距為2 m。

(2) 應(yīng)用結(jié)果表明，超高壓水力割縫鉆孔與普通鉆孔相比，前者日均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)約為后者的1.75倍，日均瓦斯抽采純量為后者的3.25倍，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短了約42%，殘余瓦斯含量小。