高壓水力割縫技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用

孟亞帥

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200）

1 引言

瓦斯抽采效率低一直是困擾煤礦生產(chǎn)的一大難題。提高瓦斯抽采效率的關(guān)鍵在于改變瓦斯賦存壓力場(chǎng)，促進(jìn)瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)為游離態(tài)并自由逸出。水力割縫可以對(duì)煤層進(jìn)行卸壓處理，有效改善瓦斯逸出路徑[1]，延展煤層裂隙，提高煤體滲透率。對(duì)掘進(jìn)面或回采面的瓦斯預(yù)抽孔進(jìn)行水力割縫處理均可有效抽采瓦斯，并在掘進(jìn)和回采過(guò)程中有效降低煤塵，改善作業(yè)環(huán)境。

現(xiàn)有水力割縫設(shè)備限于注水壓力不足而難以發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，亟需發(fā)展高壓水力割縫技術(shù)[2]。因此本文利用自主研制的高壓水力割縫系統(tǒng)，大幅提高注水壓力，對(duì)鎮(zhèn)城底礦煤層32211 掘進(jìn)工作面進(jìn)行割縫處理，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，全面分析高壓水力割縫技術(shù)抽采瓦斯的具體效果。

2 試驗(yàn)工作面簡(jiǎn)介

鎮(zhèn)城底礦屬于瓦斯礦井，隨著開采水平延伸，高瓦斯區(qū)域不斷增多，亟需更為有效的瓦斯抽采技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選在西山煤電鎮(zhèn)城底礦的32211 工作面，該工作面西鄰ⅪⅤ勘探線，東臨Ⅻ勘探線，位于F16 斷層南西，32229 采空區(qū)北東。該工作面標(biāo)高1953～1991 m，地面標(biāo)高2378～2171 m，走向長(zhǎng)1108～1082 m，面積222 178 m2。試驗(yàn)地點(diǎn)在32211運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭，推進(jìn)距離560 m，巷道斷面面積為21.6 m2，風(fēng)速為0.6 m/s。

3 高壓水力割縫系統(tǒng)

3.1 增壓機(jī)理

為克服以往同類設(shè)備割縫壓力、流量不足的弊端，本系統(tǒng)采用兩臺(tái)天津通潔高壓泵制造有限公司生產(chǎn)的BZW40/30 型煤層注水泵并聯(lián)使用。該泵額定工作壓力為30 MPa，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，單位重量水功率高，適用于井下復(fù)雜工作環(huán)境。為進(jìn)一步提高注水壓力，模仿液壓增壓缸結(jié)構(gòu)加工水壓增壓缸接入水泵出口。普通水管不足以承受超高壓水，因而采用鍋爐用鋼加工為Φ20 mm 的無(wú)縫鋼管螺紋連接，并在水管出口接入特制的錐直型高壓水射流噴嘴，出水口最高出水壓力可達(dá)75 MPa。

3.2 高壓水力割縫系統(tǒng)

根據(jù)高壓水力割縫技術(shù)原理以及工作面的應(yīng)用條件，本項(xiàng)目擬采用的高壓水力割縫系統(tǒng)由如圖1所示部分組成。

圖1 高壓水力割縫系統(tǒng)

4 高壓水力割縫施工工藝

工作面鉆孔布置如圖2 所示，共布置3 個(gè)割縫孔，間距2 m，割縫孔四周1 m處布置觀測(cè)孔，共4個(gè)。位于工作面中心的割縫孔豎向割縫作業(yè)，兩側(cè)割縫孔水平割縫作業(yè)。割縫孔中利用高壓水射流設(shè)備由里向外后退作業(yè)，切割煤體。完成作業(yè)后，在兩側(cè)觀測(cè)孔布置測(cè)量設(shè)備，觀察割縫作用效果。

圖2 工作面鉆孔布置圖

為了確定合理的工藝參數(shù)，評(píng)價(jià)瓦斯抽放效果，結(jié)合模擬試驗(yàn)結(jié)果，制定了如下高壓水力割縫抽采瓦斯的施工方案。

4.1 割縫孔施工工藝

割縫孔直徑Φ80 mm，深度100 m，施工完成后，放入直徑為Φ20 mm 的無(wú)縫鋼管作為割縫管；割縫孔末端擴(kuò)孔封孔，擴(kuò)孔直徑為Φ120 mm，深度為20 m。施工完成后，將封孔管前端包裹聚氨酯材料后放入割縫孔，并將封孔管與煤層之間的空隙用后退注漿法封孔，如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)向孔壁后注漿封孔示意圖

4.2 觀測(cè)孔施工工藝

在割縫孔兩側(cè)水平間距1 m 處各布置一個(gè)觀測(cè)孔。觀測(cè)孔直徑Φ40 mm，深度為20 m，施工完成后，放入直徑為Φ16 mm 的鋁塑管，長(zhǎng)度為10 m。鋁塑管前端2 m 處用聚氨酯材料緊密包裹，鋁塑管與煤層之間同樣用后退注漿封孔。封孔材料凝固后，在鋁塑管末端安裝測(cè)試閥門及壓力表，如圖4 所示。

圖4 瓦斯壓力測(cè)試孔封孔示意圖

4.3 割縫速度的確定

該工作面煤層瓦斯壓力為0.61 MPa，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為f=1.6，煤層透氣性系數(shù)為6.7 m2MPa-2d-1。實(shí)驗(yàn)室采用相似材料模擬煤層進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水壓70 MPa、作用半徑900 mm 時(shí)，橫向割縫速率不大于18 m/h。割縫過(guò)程中，由于瓦斯在煤層內(nèi)賦存的非均勻性，工作面瓦斯含量變化也呈非均勻性，割縫速度直接決定瓦斯逸出速度。因此初始割縫速率為18 m/h，當(dāng)巷道瓦斯?jié)舛却笥?.8%時(shí)，為避免發(fā)生煤與瓦斯突出事故，必須依照安全操作規(guī)程，依據(jù)工作面瓦斯含量適時(shí)調(diào)節(jié)鉆機(jī)割縫速度。

5 水力割縫抽放瓦斯測(cè)試結(jié)果及分析

5.1 高壓水力割縫后觀測(cè)孔瓦斯壓力測(cè)量結(jié)果

完成高壓水力割縫作業(yè)后，即開始對(duì)割縫孔兩側(cè)觀測(cè)孔進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)量。據(jù)觀測(cè)，煤層中原始瓦斯壓力為0.12～0.48 MPa。測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，完成高壓水力割縫作業(yè)后，觀測(cè)孔內(nèi)瓦斯壓力隨時(shí)間逐步增大至割縫前壓力的三倍左右，并逐漸穩(wěn)定。由此表明經(jīng)過(guò)高壓水力割縫作業(yè)后，煤層中的瓦斯釋放速率明顯增加。

5.2 高壓水力割縫作業(yè)瓦斯抽放效果分析

高壓水力割縫作業(yè)完成后，將工作面布置的所有抽放管路的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，如表2 所示。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，計(jì)算鉆孔抽放率[3]：

η=Q/（H×R×L×ρ×X）×100

式中：Q 為累計(jì)抽出的純瓦斯量，m3；H 為巷道高度，取3 m；R 為割縫長(zhǎng)度，取1.8 m；L 為鉆孔深度，取80 m；X 為噸煤瓦斯含量，取7.19 m3/t；ρ 為煤的容重，取1.42 t/m3。

表1 觀測(cè)孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化關(guān)系

表2 瓦斯抽放量隨時(shí)間的變化統(tǒng)計(jì)表

由表2 可以看到，高壓水力割縫作業(yè)24 h 后，工作面混合氣體抽放量明顯上升，純瓦斯含量同比例上升；十余天后，混合氣體總量增至初始狀態(tài)的三倍以上，百米鉆孔抽放純瓦斯速度最高可達(dá)4.29 m3/h。由此可見，高壓水力割縫作業(yè)后，工作面煤體內(nèi)部產(chǎn)生持續(xù)性變化，煤體結(jié)構(gòu)破碎性明顯增加，瓦斯逸出速率持續(xù)加快，充分說(shuō)明高壓水力割縫抽采瓦斯具有持久性明顯效果。

6 結(jié)論

對(duì)高壓水力割縫技術(shù)抽采瓦斯的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)，取得了預(yù)期效果，得到了如下結(jié)論：高壓水力割縫技術(shù)可以有效增加工作面煤層瓦斯釋放速率，當(dāng)水壓達(dá)到70 MPa 時(shí)，有效作用半徑可達(dá)900 mm；累計(jì)抽放一個(gè)月，抽放率可到26.49%。