余吾礦N1103工作面高壓水射流割縫效果分析

羅本雪

(山西潞安集團 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032600)

煤與瓦斯突出是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，因此，在煤礦開采過程中必須進行瓦斯抽采。我國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣，煤層滲透性普遍較差，提高瓦斯抽采效果必須提高煤層的透氣性。為了提高煤層透氣性，很多學(xué)者開展了研究。其中一些學(xué)者提出了保護層開采、分層開采方法，通過保護層卸壓提高區(qū)域煤層的透氣性[1-3]；一些學(xué)者通過物理方法提高煤層的局部透氣性，比如水力壓裂、松動爆破、水力造穴等，通過煤層卸壓、造縫提高煤層透氣性[4-6]；還有一些學(xué)者通過化學(xué)的方法提高煤層的局部透氣性，比如緩醋酸、活化過硫酸銨等，通過化學(xué)試劑與煤層中的有機物、礦物質(zhì)進行反應(yīng)、溶解，提高煤層的透氣性[7,8]. 無論是物理增透方法，還是化學(xué)增透方法，在提高煤層透氣性方面都取得了較好的增透效果。但是，同一個增透方法在不同礦區(qū)、甚至是同一礦區(qū)的不同礦井，其增透效果也有較大差異，這主要是由于不同礦井的煤層特征、構(gòu)造特征、成煤條件不同，在進行增透方法選擇時，必須結(jié)合礦井實際條件。為了探究高壓水射流割縫技術(shù)在余吾礦的適用性，在工作面進行了現(xiàn)場試驗，對其增透效果進行評價，以提高煤層透氣性，實現(xiàn)瓦斯高效抽采。

1 工作面概況

研究區(qū)位于華北斷塊區(qū)呂梁—太行斷塊沁水塊坳東部次級構(gòu)造單元的沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶帶中段，并疊加了新生代長治新裂陷。構(gòu)造比較復(fù)雜，地層傾角為3°～8°，個別地段較陡。區(qū)內(nèi)陷落柱、斷層較發(fā)育。

N1103屬于高瓦斯區(qū)域，N1103膠帶順槽設(shè)計長度為1 765 m，巷道為矩形斷面，寬5.4 m，高3.8 m，已經(jīng)掘進1 168 m. 該順槽沿3#煤層頂板掘進。其北側(cè)為實體煤，西側(cè)為N1103工作面，東側(cè)為N1105膠帶順槽，南接北風(fēng)井西翼1#回風(fēng)大巷。該工作面回采的3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組中下部，厚度大，煤層厚度平均5.99 m，以貧煤為主，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含夾石1～2層，層位穩(wěn)定，傾角為+3°～-2°，平均傾角為1°.

2 高壓水射流割縫實施

2.1 實驗原理

高壓水射流割縫技術(shù)是利用高壓水的沖擊作用，當其作用在煤體時，在煤體表面形成拉應(yīng)力、剪應(yīng)力作用區(qū)，當其應(yīng)力達到煤層自身強度時，導(dǎo)致煤體發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂縫。隨著水沖擊的繼續(xù)作用，裂縫發(fā)生貫通、破壞，煤粉顆粒被沖出，形成大的孔洞。在孔洞表面再次形成拉應(yīng)力、剪應(yīng)力作用區(qū)，不斷重復(fù)上述過程，導(dǎo)致高壓水射流割縫區(qū)域煤粉被大量沖出，形成卸壓區(qū)，煤層的滲透性被提高，為瓦斯運移提供通道。

2.2 施工設(shè)備選型及施工參數(shù)

試驗地點選擇N1103運輸順槽，共設(shè)計了Y1#、Y2#、Y3#三個試驗孔。為了對施工效果進行對比，設(shè)計了D1#、D2#、D3#三個不進行高壓水射流割縫的對照孔。

根據(jù)煤層硬度、鉆孔設(shè)計等現(xiàn)場實際，優(yōu)選流量為125 L/min的高壓清水泵，GFJG-20-6型高壓軟管在接頭處配備有扣殼防護套以及防脫鏈作為二次和三次保護，保證了高壓水流在傳輸過程中的安全性。高壓水射流割縫鉆桿選擇d73 mm的GFZG-d113×1000-3型水射流割縫淺螺旋整體鉆桿，保證了良好的密封和排渣效果。選擇GFQ73-125/100型高低壓轉(zhuǎn)換割縫器和d113 mm的GFZT-Φ113型金剛石復(fù)合片鉆頭進行鉆進和割縫作業(yè)。

試驗區(qū)域鉆孔設(shè)計深度為110 m，開孔高度為1.4 m，傾角為2°，方位角為270°. 鉆孔空間距離設(shè)計為10 m，鉆孔內(nèi)水力割縫范圍為距離孔口30 m至鉆孔孔底，每個施工鉆孔設(shè)計5 m割一刀，割縫時間為10 min. 在施工過程中通過觀測孔口返水及排渣情況，割縫排渣單刀0.3 t以上且煤渣量能順利排出孔口，壓力80～90 MPa為最優(yōu)割縫壓力。在該壓力下，割縫過程中煤體被切割為均勻的小顆粒，粒度為0.2～1.0 cm，在水和螺旋鉆桿的共同作用下，排水排渣較順暢，割縫過程中未出現(xiàn)憋孔和堵孔現(xiàn)象。割縫過程中巷道內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛葹?.06%，無瓦斯涌出異常現(xiàn)象。其中3個鉆孔的出煤量分別為5.02 t、5.21 t、5.32 t.

3 效果分析

為了對水力割縫效果進行分析，優(yōu)選了瓦斯抽采濃度、抽采半徑作為評價指標，對施工鉆孔、對照孔的抽采效果進行對比。

3.1 瓦斯抽采濃度對比

為了對施工效果進行評價，對抽采過程瓦斯?jié)舛茸兓M行了測試、記錄，繪制了90天瓦斯抽采濃度變化曲線。其中，施工鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€見圖1，對照孔瓦斯抽采濃度變化曲線見圖2.

圖1 施工鉆孔瓦斯抽采濃度變化圖

圖2 對照孔瓦斯抽采濃度變化圖

從抽采濃度測試結(jié)果可以看出：對于施工鉆孔，瓦斯抽采濃度主要集中在80%～90%，平均85%；對于對照孔，瓦斯抽采濃度主要集中在60%～80%，平均瓦斯抽采濃度70%. 通過高壓水射流割縫，提高了煤層的透氣性，使瓦斯抽采濃度提高了20%左右。

3.2 抽采半徑對比

為了對比施工孔和對照孔抽采半徑的差異，對鉆孔抽采量進行了統(tǒng)計，繪制了鉆孔平均日瓦斯抽采量變化曲線圖,見圖3，圖4.

圖3 施工鉆孔單孔日均抽采瓦斯量曲線圖

圖4 對照孔平均單孔日抽采瓦斯量曲線圖

根據(jù)鉆孔單孔日抽采量測試結(jié)果，擬合了鉆孔日瓦斯抽采量變化曲線，根據(jù)控制區(qū)域瓦斯抽采總量、單孔日抽瓦斯量，計算出不同抽采時間鉆孔的有效抽采半徑，其中計算結(jié)果見表1.

表1可以看出，在相同抽采時間條件下，施工鉆孔有效抽采半徑是對比孔的3～4倍，提高了瓦斯抽采效率，縮短了瓦斯抽采時間，有助于提高煤礦采掘效率。

表1 施工鉆孔與對照孔抽采有效半徑對比表

4 結(jié) 論

通過對高壓水射流割縫技術(shù)進行現(xiàn)場試驗、效果分析，得出如下結(jié)論：

1) 通過高壓水射流割縫措施，提高了瓦斯抽采濃度、有效抽采半徑，驗證了高壓水射流割縫技術(shù)在余吾礦的適用性。

2) 余吾礦采用高壓水射流割縫技術(shù)對有效抽采半徑的影響遠遠大于對抽采濃度的影響，對于采掘銜接緊張的礦井，建議采用高壓水射流割縫技術(shù)。

3) 影響高壓水射流割縫效果的施工因素有很多，今后將進一步加強施工參數(shù)優(yōu)化的研究。