松軟煤層水力割縫卸壓增透技術(shù)研究

郭雪勇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600）

國內(nèi)外研究表明，目前應(yīng)用較好的煤層瓦斯抽采卸壓增透方法有：松動爆破、預(yù)裂爆破、水力擴(kuò)孔、水力壓裂等，但均存在一定的局限性[1-4]。近幾年，國內(nèi)高壓水射流技術(shù)的發(fā)展較快，利用高壓水射流技術(shù)在井下瓦斯抽采鉆孔中進(jìn)行割縫的方法，增加了鉆孔抽采效果，取得一定的成效[5]。該技術(shù)為了達(dá)到煤層卸壓增透，在切割煤體時利用高壓的射流束進(jìn)行沖擊，使煤體出現(xiàn)大量裂隙[1]。趙莊煤業(yè)煤層松軟、煤層吸附瓦斯能力強(qiáng)，煤層透氣性較差，導(dǎo)致穿層預(yù)抽鉆孔抽采效果不理想，嚴(yán)重威脅著煤礦日常安全生產(chǎn)、影響了礦井進(jìn)一步的建設(shè)發(fā)展。為解決這一問題，以趙莊煤業(yè)二盤區(qū)北回風(fēng)巷為工程背景，在北回風(fēng)巷南幫進(jìn)行了穿層鉆孔超高壓水力割縫增透試驗(yàn)；該技術(shù)實(shí)施后，煤層透氣性增強(qiáng)，鉆孔瓦斯抽采效果得到了明顯的提高，縮短了煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時間，取得了良好的效果。

1 礦井概況

趙莊煤業(yè)隸屬于山西晉煤集團(tuán)有限公司，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8.00 Mt/a，井田位于沁水煤田東南部，為高瓦斯礦井。

本次試驗(yàn)地點(diǎn)為二盤區(qū)北回風(fēng)巷，二盤區(qū)開采3#煤層。3#煤層厚度為0～6.4 m，傾角5°～10°，原始瓦斯壓力為0.594 MPa，原始瓦斯含量為7.9～11.8 m3/t，堅(jiān)固性系數(shù)f 為0.5 左右。煤層透氣性系數(shù)0.463 5～1.747 4 MPa2·d。百米鉆孔初始瓦斯涌出量0.005 2～0.010 5 m3/min·h，百米鉆孔流量衰減系數(shù)0.143～0.29 d-1。

3#煤層屬于松軟低透氣性煤層，順層鉆孔預(yù)抽瓦斯存在抽采量小、衰減快、預(yù)抽期長以及長鉆孔定位不準(zhǔn)、分布不均勻等問題，導(dǎo)致煤體瓦斯抽采效果不理想，嚴(yán)重影響了煤巷掘進(jìn)和礦井采掘生產(chǎn)銜接。

目前，礦井煤巷掘進(jìn)工作面采用底抽巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施，主要利用底板巷道向煤巷條帶實(shí)施穿層鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯抽采；利用巷道和抽采鉆孔使煤體卸壓，提高煤體的透氣性和堅(jiān)固性系數(shù)，降低地應(yīng)力、瓦斯壓力和瓦斯含量，從而達(dá)到消突的目的。以1308 底抽巷穿層鉆孔布置方式為例，上向穿層鉆孔每個抽采單元為120 m，每組按照5 個鉆孔進(jìn)行布置，鉆孔終孔間距為5 m，鉆孔覆蓋設(shè)計(jì)巷道左右兩幫輪廓線外各15 m。穿層鉆孔直徑113 mm，封孔時采用 “二堵一注”封孔工藝。1308 底抽巷穿層鉆孔布置見圖1。

圖1 1308 底抽巷穿層鉆孔布置

2 超高壓水力割縫增透技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

此技術(shù)是指在鉆孔煤孔段，通過水射流在煤體內(nèi)的切割進(jìn)行人為再造裂隙，增大煤體的暴露面積，有效改善煤層中的瓦斯流動狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力，煤體得到充分卸壓[6]。

首先將水壓調(diào)節(jié)成低壓水模式，使用礦用鉆機(jī)將密封鉆桿、高低壓轉(zhuǎn)換器及打鉆鉆頭鉆至預(yù)設(shè)地點(diǎn)，啟動高壓水泵，將其壓力設(shè)定在指定范圍，通過調(diào)節(jié)高低壓轉(zhuǎn)換器的變化，在其噴口處形成水流，對鉆孔內(nèi)已見煤段進(jìn)行沖擊，使煤體中產(chǎn)生不同長度和深度的裂槽，沖擊脫落的煤粉隨著水的流動及在鉆桿的傳送作用下被排出孔外，鉆桿與煤層的接觸面積顯著增加[7]。沖擊形成的裂隙使煤層內(nèi)煤體得以完全卸壓，有利于進(jìn)行瓦斯抽采，達(dá)到水力割縫增透的預(yù)期。

2.2 設(shè)備組成

由超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、金剛石復(fù)合片鉆頭、高低壓轉(zhuǎn)換器、密封鉆桿、高壓遠(yuǎn)程操作臺、超高壓清水泵等組成的水力割縫設(shè)備，見圖2。

圖2 超高壓水力割縫設(shè)備組成

3 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)二盤區(qū)采掘工作面布置情況，水力割縫增透試驗(yàn)研究地點(diǎn)選定為北回風(fēng)巷南幫。此次試驗(yàn)有3 組對照鉆孔，一共有48 個鉆孔。其中，每排設(shè)計(jì)4 個鉆孔，第一排到第四排為第一組，排間距4 m；第五排到第八排為第二組，排間距5 m；第九排到第十二排為第三組，排間距6 m；第十三排為未割縫鉆孔進(jìn)行對照，為消除對照鉆孔之間的試驗(yàn)影響，將10 m 確定為相鄰兩組間的鉆孔間距。鉆孔設(shè)計(jì)及施工參數(shù)見圖3、表1（每組鉆孔排、間距根據(jù)現(xiàn)場情況允許在0.2 m 范圍調(diào)整），同一時間在1308 底抽巷采用同一工藝進(jìn)行對比鉆孔施工。

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

4 水力割縫增透抽采效果分析

為了更直觀明顯的通過數(shù)據(jù)對比分析水力割縫技術(shù)試驗(yàn)效果，選取等效直徑割縫鉆孔的瓦斯抽采濃度、百米抽采純量與未割縫鉆孔的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)對比及曲線分析。

4.1 割縫鉆孔及對比鉆孔抽采瓦斯流量數(shù)據(jù)分析

兩組未割縫對比鉆孔測量瓦斯流量結(jié)果見表2。

表2 對比鉆孔與水力割縫鉆孔瓦斯抽象流量

由表2可知，水力割縫鉆孔與對比鉆孔在測定時間內(nèi)，鉆孔瓦斯流量隨時間變化在測定4 天內(nèi)，割縫鉆孔的平均瓦斯流量0.028 m3/min，對比鉆孔的平均瓦斯流量是0.012 m3/min，割縫鉆孔平均瓦斯流量是對比鉆孔的2.33 倍，瓦斯抽采效率有了很大提高。

4.2 割縫鉆孔及對比鉆孔抽采濃度分析

在北回風(fēng)巷南幫進(jìn)行水力割縫對照試驗(yàn)時，水力割縫鉆孔施工完成后，立即封孔接入井下的瓦斯抽采系統(tǒng)；每天分別對試驗(yàn)孔及對比鉆孔的瓦斯抽采濃度及純量變化數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄及整理，最終將得到的瓦斯?jié)舛纫约傲髁康臄?shù)據(jù)分別做成相對于時間變化的相關(guān)曲線見圖3。

水力割縫鉆孔與對比鉆孔在接抽7 個月時間內(nèi)鉆孔瓦斯抽采平均濃度見圖4。由圖分析可知，截止到3月19日，割縫鉆孔瓦斯?jié)舛仍?8.7%～50.3%之間，平均為40.2%。排除其中一個月由于封孔漏氣導(dǎo)致鉆孔抽采濃度下降的數(shù)據(jù)后，可得出割縫鉆孔在接抽時間內(nèi)平均濃度為33.0%。同樣，由圖3可以得出對比鉆孔在接抽時間內(nèi)鉆孔濃度在14.8%～32.2%之間，平均為22.2%。從而可得到割縫鉆孔平均瓦斯抽采濃度是對比鉆孔的1.49 倍。

圖4 割縫鉆孔與對比鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線

4.3 割縫鉆孔及對比鉆孔抽采純量對比分析

由圖5可看出，由于割縫后鉆孔內(nèi)煤體暴露面積急劇增大，割縫鉆孔在割縫初期鉆孔平均百米抽采純量較大，割縫鉆孔百米抽采純量在0.510～0.260 m3/min 之間，平均為0.337 m3/min。之后同樣由于封孔漏氣導(dǎo)致抽采純量降低，在全部重新封孔接抽后，割縫鉆孔平均百米抽采純量明顯上升，割縫鉆孔平均百米抽采純量在0.220～0.145 m3/min 之間，平均為0.197 m3/min。由此可得出，超高壓水力割縫鉆孔平均百米鉆孔抽采純量是對比鉆孔的3.02 倍。所以，高壓水力下進(jìn)行割縫，鉆孔附近煤體卸壓效果明顯，煤層透氣性效果更加顯著，鉆孔抽采瓦斯效果加強(qiáng)。

圖5 割縫鉆孔與對比鉆孔平均百米抽采純量變化曲線

5 結(jié)論

1）用高壓水力進(jìn)行煤巖層割縫能夠有效增加鉆孔內(nèi)煤體的暴露面積，使得煤體可以更好的卸壓，瓦斯可以更好的釋放。趙莊煤業(yè)3#煤層試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛鹊钠骄当却隧?xiàng)工藝實(shí)施之前提高了1.49 倍，瓦斯流量的平均值比此項(xiàng)工藝實(shí)施之前提高了3.02 倍,鉆孔抽采瓦斯?jié)舛纫约傲髁慷加辛孙@著的提升，能有效地提升區(qū)域瓦斯抽采能力。

2）根據(jù)趙莊煤礦的地質(zhì)條件，相對于順層鉆孔，穿層鉆孔割縫增透工藝技術(shù)更適合趙莊煤礦的瓦斯治理；并對穿層割縫鉆孔布置方式及參數(shù)進(jìn)行了確定，達(dá)到了研究目的。

3）趙莊煤業(yè)3#煤層松軟煤層水力割縫卸壓增透技術(shù)，可為條件相似礦井的煤層提供技術(shù)參考和借鑒。