水力割縫鉆孔在常村煤礦的應用

郜 峰，王 珂

(潞安化工集團 常村煤礦，山西 長治 046100)

水力割縫利用高壓清水泵將水加壓至75～80 MPa，通過鉆桿送入割縫噴嘴，再通過噴嘴形成脈動水線切割煤層，在煤體內(nèi)制造裂隙，增加瓦斯運移通道，加大煤層透氣性，以提高瓦斯抽采效率。常村煤礦位于山西省沁水煤田潞安礦區(qū)的中部，屬高瓦斯礦井，開采煤層為3號煤層，3號煤層位于山西組中下部，平均厚度6.08 m，含夾矸0～2層。煤的破壞類型屬Ⅱ類破壞類型，堅固性系數(shù)f值為0.41～0.49，煤層透氣性系數(shù)為0.087 2～0.093 6 m2/MPa2·d，屬于不易抽采型。2302工作面標高在+440～+460之間，工作面采用“Y型”布置，煤層平均厚度為6.45 m，根據(jù)3號煤層瓦斯地質(zhì)圖顯示，該工作面原始瓦斯含量為8～10 m3/t。

1 工作面瓦斯治理措施

本工作面的瓦斯治理措施主要有：本煤層預抽鉆孔、水力造穴鉆孔、水力割縫鉆孔。

1.1 本煤層預抽鉆孔

2302輔運巷本煤層預抽鉆孔于2018年5月開始施工，共施工768個鉆孔，進尺11 460 m，2019年9月施工完成；膠帶巷本煤層預抽鉆孔于2018年8月開始施工，共施工749個鉆孔，進尺111 900 m，2019年6月施工完成。

1.2 水力造穴鉆孔

2302工作面僅輔運巷1 412 m處往里200 m范圍施工40個水力造穴鉆孔，鉆孔從孔底開始造穴，然后依次每退5 m造穴1個，造穴段長度1 m，距煤墻預留30 m安全距離，總共造穴20個，沖孔壓力控制在15～20 MPa之間，待孔口返水無明顯煤屑后，降低水壓至3～5 MPa后退5 m再次造穴，每個鉆孔施工完畢后，立即封孔聯(lián)網(wǎng)抽采。鉆孔參數(shù)見表1和表2。

表1 2302輔運巷本煤層預抽鉆孔參數(shù)

表2 2302輔運巷水力造穴鉆孔參數(shù)

1.3 水力割縫鉆孔

在2302軌順1 617 m處往外施工水力割縫鉆孔，鉆孔開口位置距底板2 m,方位角為垂直煤墻偏切眼10°，割縫鉆孔施工在2個水力造穴孔中間時，鉆孔間距5 m，割縫鉆孔施工在2個普通鉆孔中間時，間距為4 m，鉆孔傾角-2～+4°，孔徑D113 mm，共設計255個鉆孔。

2 水力割縫原理及參數(shù)

2.1 水力割縫原理

當鉆孔鉆進至預定孔深位置時，將超高壓清水泵水壓調(diào)至割縫作業(yè)設定壓力，利用鉆機帶動水力割縫裝置的鉆桿旋轉(zhuǎn)，超高壓水通過高低壓轉(zhuǎn)換割縫器徑向噴嘴射出水射流，對煤孔進行徑向切割形成縫槽，按一定割縫間距后退鉆桿可在鉆孔徑向再次進行割縫成槽，由此在孔內(nèi)形成若干切割縫隙，改變鉆孔附近煤體原應力進行充分卸壓，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，提高煤層的透氣性和瓦斯釋放能力。

2.2 水力割縫鉆孔參數(shù)

水力割縫鉆孔參數(shù)，見表3，施工示意見圖1。

圖1 水力割縫鉆孔施工示意

表3 2302輔運巷水力割縫鉆孔參數(shù)

鉆孔從孔底開始割縫，然后依次每退3 m切割1次，距煤墻預留30 m安全距離，總共切割41刀，切割壓力控制在75～80 MPa之間，切割時間控制在5 min。每個鉆孔施工完畢后，立即封孔聯(lián)網(wǎng)抽采。

3 水力割縫鉆孔抽采效果分析

截至2021年8月30日，共施工81個鉆孔，3月28日第一個割縫鉆孔并網(wǎng)抽采，目前施工的割縫鉆孔均已并網(wǎng)開抽，本次選取5月份成孔的30號～43號鉆孔進行分析。

3.1 水力割縫鉆孔成孔后濃度走向趨勢

30號～43號鉆孔抽采濃度的測試數(shù)據(jù)，見表4，繪制鉆孔抽采濃度曲線圖，見圖2，圖3和圖4。

表4 30號～43號鉆孔濃度參數(shù)

圖2 30號～35號鉆孔濃度曲線圖

圖3 36號～39號鉆孔濃度曲線圖

圖4 40號～43號鉆孔濃度曲線圖

由以上曲線可以看出，曲線變化以7月10日為分界點(30號～43號孔全部預抽達到40 d)基本可以分為兩個部分，7月10日前各鉆孔的濃度起伏波動較大，說明割縫鉆孔成孔后，其內(nèi)部裂隙仍在發(fā)育或者受力閉合，且隨著抽采時間的延長，鉆孔水被抽排干凈，也對裂隙的形成起到一定作用，造成濃度波動幅度較大。7月10日后除個別鉆孔外，總體較為平穩(wěn)，且呈逐漸衰減趨勢(8月10日抽采負壓異常偏低，造成鉆孔濃度升高)。說明水力割縫鉆孔成孔40 d后，孔內(nèi)裂隙的變化已趨于穩(wěn)定，在抽采負壓不出現(xiàn)大范圍變化時，鉆孔的濃度會出現(xiàn)平穩(wěn)下降的趨勢。

3.2 受采動影響范圍水力割縫鉆孔與普通鉆孔的區(qū)別

隨機選取2021年7月23日，8月7日，8月16日，三日的超前鉆孔進行分析，根據(jù)常村煤礦綜采工作面生產(chǎn)相關經(jīng)驗，工作面距切眼20 m范圍內(nèi)為受采動影響區(qū)域。超前鉆孔為距切眼20 m范圍內(nèi)鉆孔，具體參數(shù)見表5，表6和表7。

由表5、表6、表7可以看出，超前距內(nèi)水力割縫鉆孔濃度要明顯高于普通鉆孔，說明進入受采動影響區(qū)域后，隨著煤體裂隙的發(fā)育，水力割縫鉆孔的抽采效果要好于普通鉆孔。

表5 7月23日進入受采動影響區(qū)域各鉆孔濃度參數(shù)

表6 8月7日進入受采動影響區(qū)域各鉆孔濃度參數(shù)

表7 8月16日進入受采動影響區(qū)域各鉆孔濃度參數(shù)

3.3 水力割縫鉆孔與鄰近鉆孔的關系

連續(xù)觀測2021年8月7日～8月8日2 d的水力割縫鉆孔抽采濃度和其相鄰普通鉆孔抽采濃度，對兩者的關系進行分析，見圖5和圖6。

圖5 8月7日水力割縫鉆孔與鄰近普通鉆孔濃度對比曲線圖

圖6 8月8日水力割縫鉆孔與鄰近普通鉆孔濃度對比曲線圖

從以上曲線可以明顯看出，除工作面超前距內(nèi)，受采動影響范圍內(nèi)水力割縫鉆孔與普通鉆孔濃度差異較小外，其余割縫鉆孔的濃度均遠高于普通鉆孔?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。

1) 水力割縫鉆孔的施工，對鄰近鉆孔的影響不大。

2) 在煤體瓦斯含量高的工作面，煤體經(jīng)過鉆孔長時間抽采，仍然賦存有可抽采的大量瓦斯，單一的施工普通鉆孔對工作面瓦斯的治理作用有限。

3) 通過曲線可以看出，水力割縫對煤體的破壞并未引起鄰近的普通孔濃度的升高，也就是割縫鉆孔對煤體的擾動與產(chǎn)生的裂隙未與普通孔并未導通。反映出大部分普通鉆孔內(nèi)已經(jīng)塌死(前期的用探桿透孔可以印證，70%普通鉆孔孔內(nèi)已經(jīng)塌死，無法塞入探桿)。

4 結(jié) 語

根據(jù)常村煤礦2302工作面施工的水力割縫鉆孔進行分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 水力割縫對煤體的破壞較大，有良好的增透效果，比未進行水力割縫鉆孔有更高的初始抽采瓦斯?jié)舛取?/p>

2) 在進入受采動影響范圍內(nèi)時，水力割縫鉆孔濃度比未進行水力割縫的鉆孔濃度更高。