水力切割瓦斯增透技術(shù)在夾巖水利樞紐工程中的應(yīng)用

林琦 蘇艷菲 楊路通 朱曄

摘要：針對夾巖水利樞紐工程水工隧洞過煤層與瓦斯突出問題，應(yīng)用水力增透技術(shù)及高壓水射流鉆割一體化煤層增透設(shè)備進(jìn)行瓦斯抽放效果分析，研究過煤層瓦斯抽采效率。研究與實(shí)踐表明：超高壓水力切割煤層增透技術(shù)適用于硬煤層，且最佳切割壓力為75～80 MPa;實(shí)測切割鉆孔抽采44 d內(nèi)的單鉆孔瓦斯，抽采總量最高達(dá)4 090.15 m3，是未切割原始鉆孔相同時間內(nèi)抽采總量的2.51～11.47倍，減少了瓦斯抽放時間，并提高了抽放效率。

關(guān)鍵詞：瓦斯?jié)B透技術(shù);水力切割;過煤層;水工隧洞;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.019

Abstract： In the light of gas problem in hydraulic tunnel crossing coal seam of Jiayan Hydro-complex Project in Guizhou Province， gas pumping effect and efficiency of increasing coal seam permeability by the integrated drilling and cutting equipment of high pressure water jet are analyzed. The research and practice showed that： the technology of ultra-high pressure hydraulic cutting is suitable for hard coal seam， the best cutting pressure is 75～80 MPa; the total drained gas of single borehole is up to 4 090.15 m3 within 44 days， which is 2.51～11.47 times more than that from the original uncut borehole. So， the technology can greatly reduce gas drainage time and improve gas drainage effect.

Key words： gas permeability technology; hydraulic cutting; coal seam crossing; hydraulic tunnel; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

Landslide treatment of traffic tunnel to material stockyard of Jiayan Hydro-complex Project

1 研究背景

煤與瓦斯突出是指在開挖煤層時，煤在瓦斯、地應(yīng)力等共同作用下呈粉碎狀態(tài)向采掘巷道空間急劇拋出并伴隨大量瓦斯涌出的現(xiàn)象，具有發(fā)生突然、過程猛烈等特征，若不能及時預(yù)警并消除威脅，將會掩埋施工人員、設(shè)備，甚至發(fā)生爆炸危害。

通過滲透技術(shù)等措施提高煤層瓦斯抽放率，是降低煤與瓦斯突出危害的重要措施，科研與工程技術(shù)人員圍繞滲透特性和抽采方法進(jìn)行了大量研究。在危害性研究方面，杜志剛等[1]針對過煤層瓦斯隧道，采用屬性數(shù)學(xué)理論建立隧道瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測模型，對其危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價。在滲透性方面，王福軍等[2]針對大佛寺低階煤瓦斯儲層的滲透性進(jìn)行了研究，認(rèn)為瓦斯在垂直層理方向的運(yùn)移受滲透性影響更大;祝捷等[3]測量了多種條件下的煤樣應(yīng)變與瓦斯?jié)B透率，建立了三維變形煤的滲透率模型;田衛(wèi)東等[4]分析了孔隙率測試方法在含瓦斯煤滲透特性方面的應(yīng)用研究，認(rèn)為需加強(qiáng)多物理場耦合作用對滲透性的影響研究。在滲透技術(shù)及瓦斯抽采方面，李瑞超等[5]以氧化鈣、萘系減水劑、緩凝劑等材料配置新型靜態(tài)爆破劑，并研究了爆破孔形狀對壓裂效果的影響;王曉蕾[6]則分析了壓裂技術(shù)以及壓裂效果數(shù)值模擬中存在的問題，認(rèn)為數(shù)值模擬應(yīng)綜合多種影響因素進(jìn)行壓裂效果模擬分析;王一帆[7]采用立體交叉鉆孔技術(shù)對順層瓦斯進(jìn)行抽放效果研究，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)于平面交叉布孔和平行布孔等傳統(tǒng)方法。

關(guān)于過煤層瓦斯?jié)B透特性的研究較多，但在滲透技術(shù)應(yīng)用等方面仍需進(jìn)一步探索。為此，本文針對夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）中水工隧洞過煤層煤與瓦斯突出問題，探索使用水力增透措施解決水工隧洞過煤層的瓦斯抽采難題，為水工隧洞過煤層煤與瓦斯突出綜合防治提供了新的思路。

2 水力增透技術(shù)原理

煤層中瓦斯分為游離瓦斯和吸附瓦斯，其中吸附瓦斯含量占總含量的80%～90%，兩種狀態(tài)在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化。而瓦斯抽放的主要目標(biāo)是游離瓦斯，為提高抽放效果，常采用諸如密集鉆孔預(yù)抽、深孔預(yù)裂爆破等強(qiáng)制增透技術(shù)將煤層中的吸附瓦斯轉(zhuǎn)變成游離瓦斯，但密集鉆孔預(yù)抽存在抽采量衰減極快、抽采率低等問題，深孔預(yù)裂爆破則裝藥困難，且有引燃引爆瓦斯危險(xiǎn)，因此本文探索采用水力增透措施進(jìn)行瓦斯抽采。

目前，水力增透措施主要包括水力壓裂、水力沖孔和水力割縫3種，其中，水力壓裂為增壓增透，水力沖孔和水力割縫屬于泄壓增透。一般認(rèn)為[3-4]煤體軸向應(yīng)力-滲透率-時間規(guī)律如圖1所示，即當(dāng)煤體結(jié)構(gòu)比較完整時，在加壓的彈性階段，隨著壓力升高，煤體孔隙率減小，滲透率在第一個階段比較?。↖區(qū)）;隨著壓力增大，煤體發(fā)生塑性變形，隨著煤體內(nèi)部損傷的發(fā)展演化，發(fā)生破裂，產(chǎn)生裂隙，且裂隙相互導(dǎo)通，使煤體在此階段滲透率迅速增大（II區(qū)），表明硬煤可通過壓裂產(chǎn)生裂隙的方式增透，此區(qū)域?yàn)閴毫训挠行^(qū)域;隨著煤體的持續(xù)壓縮，煤體逐漸被壓實(shí)，煤體顆粒進(jìn)一步破碎、變小，同時發(fā)生裂隙閉合、孔隙度減小，滲透率迅速降低（III區(qū)），該階段表明，對于煤體結(jié)構(gòu)比較差的三四類煤，不能直接通過對煤體進(jìn)行壓裂（增壓增透）的方式增透。此時進(jìn)行卸載試驗(yàn)，隨著壓力減小，由于煤體內(nèi)部被卸壓，有利于瓦斯解吸，同時孔隙度增加，滲透率逐漸增大（IV區(qū)），當(dāng)壓力小于某一值時，滲透率迅速增大（V區(qū)）;如果繼續(xù)加載，隨著壓力增大，滲透率又迅速減小（VI區(qū)），這種現(xiàn)象表明，對軟煤不能通過壓裂的方式來增透，只能通過卸壓方式來提高煤體滲透率。

對硬煤而言，使煤體結(jié)構(gòu)破壞可提高儲層滲透率，因此利用水力壓裂（泄壓增透）方式實(shí)施增透是可行的，而夾巖工程中水工隧洞現(xiàn)已揭露煤層10層，煤層傾向與洞向近一致，厚度在0.3～3.0 m，常見厚度1.0～1.5 m，均為優(yōu)質(zhì)無煙煤，可采用泄壓增透方式。

3 高壓水射流鉆割一體化煤層增透設(shè)備

夾巖工程中采用高壓水射流鉆割一體化煤層增透設(shè)備，設(shè)備由水箱、高壓泵、高壓軟管、泄壓閥、高壓螺旋接頭、鉆機(jī)、高壓密封鉆桿、鉆頭及切割頭組成，水射流切割壓力可達(dá)到100 MPa、水流流量達(dá)125 L/min，設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖2。該設(shè)備對于中硬及硬煤層、不具備自噴能力的高瓦斯煤層能夠快速切割，大大提高煤層透氣性，對于一般硬度煤層及軟煤層，其切割效果基本與水力沖孔措施相同，效果較好。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)方案

本次切割增透效果考察試驗(yàn)地點(diǎn)確定在夾巖工程，該隧洞穿越地層以峰叢洼地巖溶地貌為主，地表海拔1 300～1 750 m，最大埋深435 m。掌子面揭露地層巖性為二迭系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）泥巖、砂巖夾煤層，現(xiàn)已揭露煤層10層，煤層傾向與洞向近一致，煤層為具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層。為此，首先進(jìn)行切割水壓適用性對比試驗(yàn);優(yōu)選操作水壓后進(jìn)行瓦斯抽采量對比。其中，切割水壓優(yōu)選試驗(yàn)設(shè)計(jì)6個鉆孔，其中2個水力切割鉆孔，4個觀察孔，切割半徑考察鉆孔布置示意見圖3。該組鉆孔主要通過考察出水鉆孔與鉆割鉆孔的間距確定切割孔的半徑大小，具體布置參數(shù)見表1。針對2號和5號切割孔在孔深28，25 m和22 m處切割，分別采用55，75 MPa和98 MPa進(jìn)行切割試驗(yàn)。瓦斯抽采測量試驗(yàn)則設(shè)計(jì)考察鉆孔3個，非切割對比鉆孔3個。

4.2 切割水壓優(yōu)選

對比不同水壓下排水排渣效果（見圖4）可知，在55 MPa水壓切割時，鉆縫內(nèi)流出來的水稍渾濁，但伴隨的煤渣較少，切割效果不明顯;在75 MPa水壓切割時，鉆縫內(nèi)流出來的水明顯渾濁，伴隨排出的煤渣較多，切割排渣效果非常明顯;在98 MPa水壓下鉆縫內(nèi)的煤渣排泄量非常大、含煤粉濃度非常高，水接近稠糊狀。但是，由于在切割過程中切割煤粉量較大，鉆孔排除量遠(yuǎn)低于切割下來的煤粉量，導(dǎo)致鉆縫內(nèi)存留的煤粉越來越多，切割約3 min后，鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的阻力明顯加大，鉆孔出水量和排渣量減小。

綜合以上切割壓力的切割效果與排渣效果，同時兼顧切割效率，可初步判斷該煤層合理切割壓力在75～80 MPa之間。

4.3 瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析

由表2和圖5可以看出，切割完畢、聯(lián)網(wǎng)抽采后的第1 h（當(dāng)日15：00）測量的切割鉆孔單孔混合瓦斯抽采量達(dá)到1.007 2 m3/min，純瓦斯抽采量達(dá)到0.535 9 m3/min。次日3：10、6：10和10：00測定的7號切割鉆孔單孔混合瓦斯抽采量均為0.179 5 m3/min，純瓦斯抽采量持續(xù)穩(wěn)定在0.080 0 m3/min。

抽采44 d時，鉆孔瓦斯抽采總量最大值達(dá)4 090.15 m3，平均鉆孔瓦斯抽采總量為3 622.48 m3，此數(shù)據(jù)是未切割10號對比鉆孔瓦斯抽采總量1 442.85 m3的2.51倍，是未切割11號對比鉆孔瓦斯抽采總量310.86 m3的11.47倍，也是未切割12號對比鉆孔瓦斯抽采總量326.89 m3的11.08倍。

5 結(jié) 語

通過在夾巖工程水工隧洞過煤層瓦斯增透技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，認(rèn)為采用高壓水射流鉆割一體化煤層增透設(shè)備，通過泄壓增透方式抽采瓦斯是一種合理有效的方法：①超高壓水力切割煤層增透技術(shù)適用于硬煤層，且最佳切割壓力為75～80 MPa;②與傳統(tǒng)方法對比，該方法不僅瓦斯抽采量大，還縮短了抽采時間，抽采效率較高。

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（編輯：唐湘茜）