梁銀權(quán)，王進(jìn)尚，馮星宇

(永貴能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 新田煤礦，貴州 黔西 551500)

貴州地區(qū)礦井多為高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井，目前我國(guó)低透氣性煤層煤礦開(kāi)采主要面臨著抽采鉆孔濃度低、流量衰減快，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[1-3]。 為了進(jìn)一步提升低透氣性煤層瓦斯抽采效果，貴州公司與科研單位共同研制整體工作壓力可達(dá)90～100MPa的超高壓鉆割功能一體化的卸壓增透成套裝備，形成了一套超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)及工藝技術(shù)體系，可以顯著提高煤層的增透效果，快速降低煤巖層應(yīng)力，提高系列化設(shè)備的適用性，解決低透氣性突出煤層抽采效率低及應(yīng)力主導(dǎo)型煤層卸壓效果差的難題[4-7]。該技術(shù)在貴州公司所屬礦井推廣應(yīng)用，取得了良好的效果，縮短了瓦斯治理時(shí)間、提高了煤層透氣性、削減了鉆孔工程量，具有顯著的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

新田煤礦1901工作面位于一采區(qū)南部，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度960m，寬度110m，工作面標(biāo)高處于+900～+940m之間，埋深處于350～420m之間，設(shè)計(jì)開(kāi)采M9煤層，煤層厚度1.24～5.83m，平均2.79m，鄰近區(qū)域的煤層為原始煤層，煤層的堅(jiān)固性系數(shù)f實(shí)測(cè)值均在1.0以上，客觀上具備高壓水鉆割縫一體化的條件。煤層自北西向南東偏向，整體呈單斜結(jié)構(gòu)，煤層傾角0°～10°，總體為2°，局部過(guò)結(jié)構(gòu)段煤層傾角變大，煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，夾矸0～1層，煤層層位、厚度、構(gòu)造基本不變。煤層頂板一般為泥質(zhì)粉砂巖，局部為泥巖或粉砂巖，間接頂板為標(biāo)二(灰?guī)r)；底板為泥巖，富含植物根部化石。

1901工作面位于1401工作面保護(hù)層開(kāi)采后的有效掩護(hù)范圍內(nèi)，但開(kāi)采保護(hù)層后區(qū)域M9煤層瓦斯含量高達(dá)7.62～10.35m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.127m2/(MPa2·d)，采取常規(guī)煤層瓦斯治理手段(未增透)，治理時(shí)間長(zhǎng)、難度大、效率低下，難以實(shí)現(xiàn)1901工作面瓦斯高效治理，造成礦井采、掘接替緊張，1901工作面煤巷掘進(jìn)平均月進(jìn)尺僅為40m/月，無(wú)法實(shí)現(xiàn)1901工作面安全高效掘進(jìn)。因此，尋求一種快速卸壓增透的措施是實(shí)現(xiàn)1901工作面安全高效掘進(jìn)的重要途徑之一。

2 深鉆孔超高壓水力割縫卸壓增透機(jī)理

2.1 超高壓水力割縫原理

高壓水力割縫以高壓水泵增壓發(fā)生的高壓水為介質(zhì)，將高壓水經(jīng)由過(guò)程主動(dòng)切換式切縫器的噴嘴噴出，構(gòu)成一股能量高度集中的細(xì)束高壓水流，高壓水流具有較強(qiáng)的穿透、沖蝕本領(lǐng)，完成對(duì)煤體的猛烈打擊，從而對(duì)煤體構(gòu)成切割和破裂[8-10]。

超高壓水力割縫卸壓增透工藝增加了煤體表露面積，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯開(kāi)釋和活動(dòng)創(chuàng)造了優(yōu)越的前提，縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)獲得較充實(shí)的卸壓，增大了煤層的透氣性?？p槽在地壓的作用下，四周煤體發(fā)生空間位移，擴(kuò)展了縫槽卸壓、排瓦斯規(guī)模。在高壓扭轉(zhuǎn)水射流的切割、打擊作用下，鉆孔四周一部分煤體被高壓水擊落沖走，構(gòu)成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改良煤層中的瓦斯活動(dòng)狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，扭轉(zhuǎn)了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀態(tài)，緩和煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可減弱或解除突出的動(dòng)力，又可進(jìn)一步強(qiáng)化煤層的強(qiáng)度，起到防突作用，并進(jìn)一步增加透氣性和瓦斯開(kāi)釋能力。超高壓水力割縫工藝系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 超高壓水力割縫工藝系統(tǒng)圖

2.2 超高壓水力割縫卸壓增透成套裝備

深鉆孔超高壓水力割縫卸壓增透裝置主要由金剛石水力割縫鉆頭、水力割縫淺螺旋鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)接頭、超高壓清水泵、高低壓轉(zhuǎn)換器、超高壓膠管等組成。

1)超高壓水力割縫裝置裝備適用于高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性煤層(煤層硬度f(wàn)>0.4)工作面順層鉆孔、穿層鉆孔及石門(mén)揭煤卸壓增透、煤與瓦斯突出防治等，順層鉆孔割縫鉆孔深度80～100m，穿層鉆孔割縫鉆孔深度80～100m。

2)裝置性能指標(biāo)：切割半徑可達(dá)1500～2000mm；切割縫隙寬度可達(dá)6～10mm；系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程壓力輸送能力，其輸送距離為80～200m。

3)裝置技術(shù)特點(diǎn)：該裝置操作簡(jiǎn)便、實(shí)用、效率高、工藝流程時(shí)間短；采取的超高壓清水泵體積小，便于井下安放；割縫鉆桿采用雙密封，鉆桿、水尾及高壓膠管承壓100MPa以上；該裝備不僅能解決穿層鉆孔水力割縫增透的問(wèn)題，還能解決順層長(zhǎng)鉆孔大面積增透的難題；割縫半徑可達(dá)1500～2000mm，減少鉆孔工程量，縮短抽采時(shí)間。

3 超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)應(yīng)用

1901運(yùn)輸巷區(qū)域防突措施為開(kāi)采上保護(hù)層區(qū)域防突措施，每循環(huán)直接在工作面進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)合格，直接進(jìn)行達(dá)標(biāo)評(píng)判；若檢驗(yàn)不合格時(shí)，在工作面增補(bǔ)順層深鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突補(bǔ)救辦法。

3.1 深孔超高壓水力割縫卸壓增透設(shè)計(jì)

1901運(yùn)輸巷進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)超標(biāo)時(shí)，煤巷條帶補(bǔ)充超高壓水力割縫卸壓增透鉆孔，設(shè)計(jì)按照80m作為一個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域，每循環(huán)預(yù)留20m壓茬距離，迎頭設(shè)計(jì)15個(gè)順層長(zhǎng)鉆孔。其中，割縫鉆孔9個(gè)，孔徑Φ113mm，割縫結(jié)束后從孔口往里15m段擴(kuò)孔至Φ153mm，采用Φ108mm封孔管進(jìn)行封孔；普通鉆孔6個(gè)，孔徑Φ94mm，采用Φ50mm封孔管進(jìn)行封孔，所有鉆孔均采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進(jìn)行封孔，封孔段深度12m；鉆孔控制巷道前方80m，巷道兩側(cè)20m寬度，割縫鉆孔終孔間距為5m，從鉆孔底開(kāi)始每3m切割一刀，距離迎頭20m停止切割，每個(gè)鉆孔切割20～21刀，本循環(huán)9個(gè)鉆孔累計(jì)切割約180～190刀，1901運(yùn)輸巷超高壓水力割縫鉆孔布置如圖2所示。

圖2 1901運(yùn)輸巷超高壓水力割縫鉆孔布置圖

3.2 深孔超高壓水力割縫卸壓增透試驗(yàn)過(guò)程

鉆孔采用ZDY4000LR深孔履帶鉆車進(jìn)行施工，超高壓水力割縫鉆孔采用直徑Φ113mm金剛石復(fù)合片鉆頭，利用靜壓水或者壓風(fēng)按割縫鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)施工至設(shè)計(jì)深度，然后撤出一根鉆桿，連接上高壓水管路，開(kāi)啟高壓水泵，控制截水閥，泵壓由低到高：15MPa→20MPa→30MPa→40MPa→50MPa→60MPa→90MPa→100MPa，水經(jīng)過(guò)超高壓膠管進(jìn)入超高壓水力割縫淺螺紋鉆桿內(nèi)，最后從高低壓轉(zhuǎn)換器上的噴嘴射出實(shí)現(xiàn)鉆割一體化，然后鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鉆頭對(duì)煤層周邊煤體進(jìn)行切割，每刀割縫時(shí)間在3～5min之間。時(shí)刻關(guān)注孔口返水、返渣情況，根據(jù)孔口返水情況，確定關(guān)閉超高壓清水泵時(shí)間，控制截止閥，待管路卸壓后撤卸1根鉆桿，并重新接上高壓管路。重復(fù)上述步驟，完成預(yù)計(jì)割縫刀數(shù)。割縫完成后，及時(shí)關(guān)閉超高壓清水泵，待充分卸壓后，撤卸鉆桿并堆放整齊，割縫設(shè)備妥善保管。

4 效果分析

4.1 超高壓水力割縫排屑量分析

超高壓水力割縫卸壓增透原理：經(jīng)過(guò)超高壓水將煤層從煤體削落，經(jīng)過(guò)割縫在鉆孔煤孔段中割出一條(或數(shù)條)一定寬度、高度的扁平縫槽，增添鉆孔內(nèi)煤體暴露面積，改變鉆孔內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)，造成新裂隙及局部卸壓前提，達(dá)到提高煤層透氣性、提高預(yù)抽率的目的。為此，超高水力割縫煤體削落的幾何形狀直接影響煤層的增透結(jié)果。

為了較為直觀地對(duì)比割縫前后鉆孔內(nèi)煤體的表露面積，通過(guò)統(tǒng)計(jì)排屑量來(lái)間接反映割縫對(duì)增大鉆孔內(nèi)煤體暴露面積的作用性。統(tǒng)計(jì)超高壓水力割縫鉆孔的每一個(gè)割縫鉆的排屑量，以便盤(pán)算割縫的結(jié)果。超高壓水力割縫鉆孔排出煤屑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 超高壓水力割縫鉆孔煤屑量統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，本循環(huán)實(shí)施超高壓水力割縫鉆孔的9個(gè)鉆孔累計(jì)排屑煤量約53t，平均單孔排屑煤量6t，平均割縫時(shí)長(zhǎng)82.7min，工作面均勻瓦斯?jié)舛?.39%。

4.2 超高壓水力割縫瓦斯抽采效果分析

為了保證超高壓水力割縫后瓦斯抽采效果，在工作面評(píng)價(jià)區(qū)域抽采Φ355mm主管路上安裝有管道瓦斯抽采在線計(jì)量裝置，型號(hào)CGWZ-100(C)，實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯抽采24h不間斷動(dòng)態(tài)監(jiān)控。同時(shí)按照高標(biāo)準(zhǔn)安裝有汽、水、渣分離裝置，鉆孔連抽多通管采用Φ200mm大管徑，割縫鉆孔連抽管徑Φ108mm，普通鉆孔連抽管徑Φ50mm。

瓦斯抽采參數(shù)包括抽采濃度、抽采純量、抽采壓力等，通過(guò)這些參數(shù)可以直觀地反應(yīng)對(duì)煤體的卸壓增透作用及瓦斯抽采效果，未實(shí)施與實(shí)施超高壓水力割縫鉆孔的主管路瓦斯抽采純量及抽采濃度對(duì)比曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 瓦斯抽采濃度對(duì)比曲線

圖4 瓦斯抽采純量對(duì)比曲線

從圖3、圖4可以看出，上一循環(huán)未實(shí)施超高壓水力割縫卸壓增透共計(jì)施工鉆孔48個(gè)，平均瓦斯抽采只有濃度18.6%，日抽采量4084m3，連續(xù)跟蹤13d瓦斯抽采數(shù)據(jù)，共計(jì)抽采瓦斯53093m3；本循環(huán)實(shí)施超高壓水力割縫卸壓增透后，共計(jì)施工鉆孔15個(gè)，日瓦斯抽采純量及抽采濃度瓦斯顯著提高，平均瓦斯抽采濃度42.6%，日抽采量7255m3，同樣是連續(xù)跟蹤13d的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，共計(jì)抽采瓦斯94320m3。通過(guò)2個(gè)循環(huán)對(duì)比，實(shí)施超高壓水力割縫卸壓增透后的抽采濃度是未實(shí)施的2.3倍，瓦斯抽采量是未實(shí)施的1.8倍，鉆孔密度是未實(shí)施的0.31倍。

5 結(jié) 論

1)形成了一套超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)及工藝技術(shù)體系，顯著提高煤層的增透效果，快速降低煤巖層應(yīng)力，提高設(shè)備的適用性，解決低透氣性突出煤層抽采效率低及應(yīng)力主導(dǎo)型煤層卸壓效果差的難題，縮短瓦斯治理時(shí)間、提高煤層透氣性，提升了瓦斯治理效果。

2)經(jīng)過(guò)超高壓水力割縫卸壓增透，鉆孔煤煤體大量削落，增加了鉆孔內(nèi)煤體裸露面積，割縫可以使鉆孔之間互通，造出裂縫，使煤體獲得充實(shí)卸壓，煤體中的瓦斯得到排放，應(yīng)力獲得消除，為掘進(jìn)工作提供較為安全的環(huán)境。

3)突出煤層采用超高壓水力割縫后，增添了瓦斯抽采量，削減了鉆孔工程量。通過(guò)收集數(shù)據(jù)分析瓦斯抽采濃度能夠達(dá)到普通鉆孔瓦斯抽采濃度的2.3倍，瓦斯抽采量能夠達(dá)到普通鉆孔的1.8倍，鉆孔工程量能夠減少0.69倍。

4)通過(guò)采取超高壓水力割縫后，煤巷掘進(jìn)平均進(jìn)尺由原先的40m/月提升到60m/月，有效緩解了新田煤礦抽、掘、采接替緊張局面，為1901工作面接替1402工作面奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。