張 鋒

（山西晉煤集團(tuán)沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

1 引言

深部煤層由于煤層壓力大、煤質(zhì)較為松軟，出現(xiàn)煤層透氣性低、抽放鉆孔密度大半徑小、施工較為困難等情況。目前岳城礦井下主要通過大型鉆機(jī)施工來增大鉆孔直徑，從而提高煤層透氣性，保證抽放效果，但還存在鉆機(jī)造價(jià)昂貴、成孔率低、鉆孔封堵不嚴(yán)等問題。超高壓水力割縫卸壓增透技術(shù)是以水為動(dòng)力，對(duì)鉆孔周圍的煤體進(jìn)行沖刷、剝離，進(jìn)一步增大煤層的擴(kuò)散裂隙，從而改變圍巖的力學(xué)特性和瓦斯賦存特性[1]，從源頭消除瓦斯突出威脅，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，起到卸壓、增透作用。

2 礦井概況

岳城煤礦為晉煤集團(tuán)沁秀公司下屬高瓦斯礦井。目前該礦采掘區(qū)域瓦斯含量普遍在8～13m3/t。3#煤厚度為4.6～5.2m，傾角1～5°，煤層的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.5，穿層鉆孔見煤深度為6～15m，頂?shù)装逯饕獮樯皫r、砂質(zhì)泥巖等。該礦煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大，煤層松軟，透氣性差，現(xiàn)階段主要依靠在底板巖巷施工的穿層鉆孔來治理瓦斯。但還存在如下問題：一是煤體透氣性差，塌孔多，造成鉆孔抽采量低，需要采取低滲透煤層增透技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)透氣性，縮短抽采達(dá)標(biāo)周期；二是鉆孔封堵質(zhì)量不高，造成抽采濃度低，且普遍出現(xiàn)預(yù)抽鉆孔抽采一定時(shí)間后，濃度迅速下降。為進(jìn)一步提高穿層鉆孔抽采效果，有必要開展水力割縫增透技術(shù)研究，提高礦井區(qū)域瓦斯抽采能力。

3 研究內(nèi)容

水力割縫增透技術(shù)是近年來較為常用的增透技術(shù)之一，將水通過泵體加壓，然后以高速度和高沖擊力注入煤層，實(shí)現(xiàn)層內(nèi)切割形成垂直于煤層的縱向割縫，從而達(dá)到增透作用。其示意圖如圖1所示。

圖1 水力割縫技術(shù)示意圖

3.1 技術(shù)路線

本研究是針對(duì)岳城煤礦3#煤層瓦斯地質(zhì)特征及試驗(yàn)區(qū)條件，研究試驗(yàn)區(qū)穿層鉆孔割縫增透工藝技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)考察合理割縫壓力、割縫時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，并進(jìn)行水力割縫效果評(píng)價(jià)及措施效果檢驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)區(qū)穿層抽采鉆孔布置，最終確定適合岳城礦的水力割縫卸壓增透工藝技術(shù)體系。

3.2 設(shè)備選型

超高壓水力割縫裝置主要由金剛石復(fù)合片鉆頭、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、高超高壓軟管、清水泵等組成。其設(shè)備布置圖如圖2。

圖2 水力割縫設(shè)備布置圖

3.3 工藝參數(shù)

（1）割縫工藝設(shè)計(jì)。水力割縫采用線性切割，割縫噴嘴安裝在鉆頭前方和兩側(cè)，沿鉆孔軸線方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和割縫一體化。水力割縫射流近似平行煤層切割，傾角初步設(shè)計(jì)1°～3°，根據(jù)排渣情況進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)排渣難度較大時(shí)適當(dāng)增加射流的傾角[2]。

（2）射流參數(shù)設(shè)計(jì)。包括水力定向射流水量、壓力和時(shí)間等參數(shù)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)水力割縫半徑、煤體硬度來設(shè)計(jì)。定向水力射流設(shè)計(jì)參數(shù)值僅為第一個(gè)水力割縫鉆孔初次水力割縫提供參考，其他鉆孔水力割縫的具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際水力割縫情況進(jìn)行調(diào)整。水力割縫射流參數(shù)初步設(shè)計(jì)如表1所示。

（3）鉆頭及噴嘴設(shè)計(jì)。將割縫噴嘴安裝在鉆頭通風(fēng)通水孔位置，在鉆頭中部兩側(cè)各安裝一組割縫噴嘴，每組4個(gè)噴嘴，噴嘴直徑3mm，噴嘴錯(cuò)開距離3mm，兩側(cè)噴嘴垂直鉆桿軸線安裝。在鉆頭前方兩側(cè)安裝兩組噴嘴，每組2個(gè)噴嘴，噴嘴直徑7mm，錯(cuò)開距離1mm，噴嘴與鉆桿軸線60°夾角安裝。以上噴嘴也可設(shè)計(jì)在噴頭上，但是需要增加壓力傳感裝置控制噴嘴的射流。設(shè)計(jì)噴嘴割縫總厚度20mm，形成小直徑噴嘴在前面密集割縫，大直徑噴嘴在后面沖刷出煤，實(shí)現(xiàn)鉆、割、沖、抽一體化。設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①采用多組噴嘴割縫，大流量高壓水排渣，割縫和排渣效率高。

②對(duì)煤層擾動(dòng)小，延緩割縫裂隙的垮塌，避免邊割邊塌現(xiàn)象[3]。

③割縫煤渣粒徑小，分布均勻，排渣阻力小。

④割縫厚度大，極薄分層開采后能滿足區(qū)域性充分卸壓增透的要求。

表1 水力割縫初步設(shè)計(jì)參數(shù)

4 工藝參數(shù)試驗(yàn)

4.1 割縫壓力

結(jié)合岳城煤礦頂?shù)装鍘r性及經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出該礦理論割縫壓力為90MPa，以此為基礎(chǔ)計(jì)算割縫壓力，并制定施工3個(gè)割縫鉆孔（數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)增加），分別以70MPa、90MPa、100MPa割縫壓力進(jìn)行割縫。割縫試驗(yàn)過程中，記錄好割縫煤量、割縫時(shí)間等數(shù)據(jù)判定割縫效果。

4.2 割縫間距

考慮礦井煤層厚度及鉆孔見煤長度，初步選取割縫間距為0.5m、1m、2m進(jìn)行適應(yīng)岳城煤礦的割縫間距的測(cè)定，通過測(cè)定煤層透氣性系數(shù)、鉆孔抽采衰減系數(shù)等確定適應(yīng)岳城礦的最優(yōu)割縫間距。

5 現(xiàn)場(chǎng)考察

根據(jù)前期試驗(yàn)得到割縫鉆孔抽采半徑，選定兩個(gè)試驗(yàn)單元，進(jìn)行割縫效果考察試驗(yàn)。第一單元按礦井原有布置方式，第二單元按鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化后的方式進(jìn)行布孔。通過收集試驗(yàn)區(qū)域的抽采量、煤層瓦斯含量等檢驗(yàn)水力割縫的整體效果，如圖3所示。

圖3 原有的鉆孔布置方式和割縫鉆孔布置示意剖面圖

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本研究于2017年12月在岳城礦井下進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。在煤層較為穩(wěn)定的13082巷二鉆場(chǎng)進(jìn)行水力割縫試驗(yàn)，在三鉆場(chǎng)按照同一時(shí)間同一工藝條件常規(guī)抽放，并對(duì)兩鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛?、瓦斯流量?shù)據(jù)收集整理，得濃度、流量隨時(shí)間變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化曲線圖

由圖4可知，在煤層條件、抽采區(qū)域、時(shí)間、工藝均相同情況下，采用水力割縫工藝的鉆孔瓦斯?jié)舛茸畲笾到咏?8.2%，平均值為46.7%，而同等條件下采用常規(guī)鉆進(jìn)方法的鉆孔瓦斯?jié)舛茸畲笾祪H為31.3%，平均值為15.9%，平均瓦斯?jié)舛忍嵘?93.7%，表明采用水力割縫工藝施工的鉆孔瓦斯?jié)舛让黠@高于常規(guī)鉆進(jìn)工藝施工鉆孔。

由圖5可知，在煤層條件、抽采區(qū)域、時(shí)間、工藝均相同情況下，采用水力割縫工藝的鉆孔內(nèi)瓦斯流量最大值接近12.71m3/min，平均值為6.44m3/min，而同等條件下采用常規(guī)鉆進(jìn)方法的鉆孔瓦斯流量最大值為3.42m3/min，平均值為2.38m3/min，平均瓦斯流量提高了170.6%，表明采用水力割縫工藝施工的鉆孔瓦斯流量明顯高于常規(guī)鉆進(jìn)工藝施工鉆孔。

圖5 瓦斯流量隨時(shí)間變化曲線圖

7 結(jié)論

（1）對(duì)水力割縫鉆孔工藝效果進(jìn)行了總結(jié)，試驗(yàn)表明水力割縫工藝實(shí)施后，平均瓦斯?jié)舛忍嵘?93.7%，平均瓦斯流量提高了170.6%。表明采用水力割縫工藝施工的鉆孔瓦斯?jié)舛?、瓦斯流量明顯高于常規(guī)鉆進(jìn)工藝施工鉆孔，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域抽采能力的有效提升。

（2）研究了適合岳城礦地質(zhì)條件的穿層鉆孔割縫增透工藝技術(shù)，確定了割縫壓力、割縫時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，形成一套高壓水力鉆、割一體化的配套設(shè)備，為岳城礦區(qū)域瓦斯抽采提供了技術(shù)支撐。