姚亞虎

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

超高壓水力割縫增透技術可以提高鉆孔周邊煤體透氣性，擴大鉆孔抽采半徑，快速高效的實現(xiàn)煤層瓦斯預抽達標[1]。國內(nèi)眾多學者對該技術進行了大量試驗研究[2-6]，發(fā)現(xiàn)該技術即能消除水力沖孔帶來的應力集中、瓦斯聚集難題，又能消除水力壓裂帶來的應力集中、壓裂盲區(qū)難題，在區(qū)域瓦斯治理方面具有顯著的技術優(yōu)勢；但是針對低透強吸附性煤層，該技術措施的增透效果如何，尚缺乏研究。

近幾年，云南省老廠礦區(qū)部分礦井開采的C7+8煤層具有低透氣性、高瓦斯含量、強吸附瓦斯能力等特征，煤層抽采瓦斯工作越發(fā)困難，礦井安全高效生產(chǎn)受到嚴重制約。

本文以老廠礦區(qū)某煤礦3采區(qū)C7+8煤層回風上山為試驗區(qū)，開展超高壓水力割縫增透試驗，并對割縫合理技術參數(shù)及增透效果進行了系統(tǒng)的考察研究，相關成果為同類型煤層增透實踐提供重要參考。

1 低透高瓦斯強吸附性煤層瓦斯治理難題

1.1 瓦斯治理難題

老廠礦區(qū)位于富源縣老廠鎮(zhèn)、十八連山鎮(zhèn)，儲存約30億t的無煙煤，分布有24對礦井，主要開采二疊紀龍?zhí)督M的C2、C3、C7+8、C9、C13、C16等煤層，煤層間距為10～35m，煤層間巖層以泥巖、砂質泥巖為主。礦井內(nèi)各煤礦均采用下行式多煤層開采，其中C7+8煤層具有透氣性低、瓦斯含量高、吸附瓦斯能力強等典型特征(表1)，生產(chǎn)中瓦斯防治工作面臨很多困難，主要表現(xiàn)在以下方面。

1)預抽鉆孔間距為1.5～2.5m，施鉆過程中時常發(fā)生串孔，壓風排渣易于堵塞鄰近鉆孔。

2)預抽達標時間長達2～4個月，作業(yè)點接續(xù)失調(diào)。

3)孔口負壓大，鉆孔瓦斯?jié)舛鹊?，抽采支管表面凹陷破損。

4)落煤瓦斯涌出量大，落煤期瓦斯監(jiān)控曲線臺階式陡增，掘進面風速達到2.5～3.5m/s，作業(yè)環(huán)境差。

表1 老廠礦區(qū)C7+8煤層瓦斯特征參數(shù)

1.2 關聯(lián)因素分析

1)煤層透氣性差，鉆孔抽、排半徑小，造成預抽達標時間長、排放效果差。

2)煤層吸附瓦斯能力強[7-8]，煤層裂隙不發(fā)育且貫通性差，憑借孔口高負壓促使煤層瓦斯解吸，使得管道負壓過大而壓癟凹陷。

3)抽采效果差造成殘余瓦斯含量高，落煤瓦斯涌出量大、稀釋風量大。

2 超高壓水力割縫技術原理、裝備及工藝

2.1 超高壓水力割縫卸壓增透原理

超高壓水射流在鉆孔中旋轉切割孔壁煤體并將煤屑沖排至孔外，形成半徑達1.5～2.5m、厚度達3.0～6.0cm扁平縫槽，促使煤體均勻卸壓增透，具體原理為[9-10]：①縫槽擴大了鉆孔周邊煤體的暴露面積；②縫槽間隔分布，縫間煤體在地應力作用下向縫槽內(nèi)變形移動，促進煤體裂隙拓展、形成瓦斯解吸、滲流的貫通通道；③縫槽直徑較大，擴大了鉆孔徑向煤體增透范圍；④縫槽位置可控、厚度較小、促使鉆孔周邊煤體均勻卸壓。

2.2 超高壓水力割縫裝備構成

GF-100型超高壓水力割縫成套裝備主要包括超高壓清水泵、高壓遠程操作臺、超高壓軟管、超高壓旋轉水尾、淺螺旋耐高壓鉆桿、高低壓轉換割縫器、金剛石鉆頭等裝置(表2)。

2.3 超高壓水力割縫實施工藝

本次GF-100型超高壓水力割縫增透試驗實施的主要工藝流程如下。

1)將金剛石鉆頭、高低壓轉換割縫器、淺螺旋耐高壓鉆桿、普通旋轉接頭依次連接，接入靜壓水使用鉆機將鉆孔施工至設計深度，充分沖洗鉆孔后停鉆。

2)調(diào)換超高壓旋轉接頭，使用超高壓軟管連接超高壓清水泵，接入超高壓水流。

表2 GF-100型超高壓水力割縫主要裝置性能

3)啟動鉆機維持低速旋轉狀態(tài)，啟動超高壓清水泵，梯度式加壓至合理割縫壓力后維持割縫一定時間，待排屑顯著減少后關停超高壓清水泵，完成此縫槽割縫作業(yè)。

4)后退鉆桿一定距離，重復步驟(3)，完成鄰近縫槽割縫作業(yè)。

5)繼續(xù)后退鉆桿一定距離，重復步驟(3)，直至最后一個縫槽割縫完畢，退出鉆桿。

6)孔內(nèi)下管、封孔、接抽。

3 超高壓水力割縫增透試驗

3.1 試驗工作面概況

老廠礦區(qū)某煤礦3采區(qū)C7+8煤層回風上山、運輸上山屬于準備巷道，以平行狀態(tài)沿煤層頂板布置在C7+8煤層中，設計斷面均為3.0m×4.2m，巷道間煤柱寬40m，埋深約430m，采用綜掘作業(yè)；運輸上山已經(jīng)掘進至設計位置，回風上山未掘進。該處C7+8煤層結構及瓦斯參數(shù)見表3。

3.2 割縫增透試驗方案

在3采區(qū)C7+8煤層運輸上山中布置順層平行鉆孔預抽C7+8煤層回風上山條帶瓦斯，選擇3個條帶按照表4中的參數(shù)布置鉆孔(圖1)。

表3 3采區(qū)C7+8煤層結構及瓦斯參數(shù)

圖1 割縫增透試驗鉆孔布置

表4 不同條帶鉆孔設計參數(shù)

1號條帶、3號條帶鉆孔施工完畢后，及時接抽，封孔深度為17m；2號條帶鉆孔施工到設計深度后，按照5m的間距由孔底向孔口依次進行水力割縫，單孔割縫9個，相鄰鉆孔交叉割縫；鉆孔割縫完畢及時接抽，封孔深度為17m。

3.3 合理技術參數(shù)確定

3.3.1 割縫壓力、單縫排屑量確定

2號條帶預抽鉆孔割縫初期，對不同割縫壓力及單縫排屑量進行實驗測量(表5)。

由表5分析可知：

1)割縫壓力小于60MPa時，水射流對孔壁煤體的破壞力不足，縫槽的深度不足、煤屑量較小，縫槽周邊煤體的卸壓范圍及卸壓幅度較小，無法有效的實現(xiàn)孔壁煤體大范圍卸壓增透效果。

2)割縫壓力處于60～80MPa之間時，水射流對孔壁煤體的破壞力較強，割縫深度及煤屑量顯著增高，縫槽周邊煤體的卸壓范圍及卸壓幅度較大，確保了孔壁煤體在較大范圍內(nèi)的卸壓增透；同時孔壁煤體維持較好的穩(wěn)定性，利于瓦斯解吸、滲流、擴散。

3)割縫壓力大于80MPa時，水射流對孔壁煤體造成嚴重破壞，增加割縫深度的同時也帶來嚴重的塌孔埋鉆風險，使得割縫的施工難度大幅增加；同時孔壁煤體穩(wěn)定性嚴重破壞堵塞了裂隙通道，不利于瓦斯解吸、滲流、擴散。

鑒于以上情況，綜合權衡增透效果、割縫施工操作等因素，確定C7+8煤層合理割縫壓力為80MPa，單縫合理排屑量為0.35t，估算縫槽半徑為1.76m。

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表5 不同割縫壓力、單縫排屑量實驗結果

3.3.2 單縫割縫時間、縫槽間距確定

使用80MPa割縫壓力時，單縫割縫5～7min后，孔口排屑量顯著減小，返水顯著變清，此時水射流對煤體的破壞深度已達極限，該處及更深處煤體的抵抗拉剪破壞的能力逐漸大于水射流的破壞力，煤體難以被進一步破壞，排屑量不足，如此確定單縫合理割縫時間為7min。

使用80MPa割縫壓力時，縫槽間距小于3.5m時時常發(fā)生嚴重夾鉆現(xiàn)象，此時相鄰縫槽間煤體的塑性破壞區(qū)相互貫通，煤體穩(wěn)定性較差，易于塌孔，造成夾鉆及排屑困難且堵塞了解吸瓦斯的滲流擴散通道；縫槽間距處于3.5～5.0m時偶有發(fā)生輕微夾鉆現(xiàn)象，此時相鄰縫槽間煤體的塑性破壞區(qū)被中間的彈性變形區(qū)分隔，煤體維持較好的穩(wěn)定性及承載能力，不易塌孔，排屑順暢，極易于瓦斯解吸、滲流、擴散；縫槽間距大于5.0m時未發(fā)生夾鉆現(xiàn)象，此時相鄰縫槽間煤體的塑性破壞區(qū)被中間的彈性變形區(qū)分隔，但彈性變形區(qū)范圍較大，造成縫槽間煤體難以形成交叉貫通的裂隙通道，制約了縫槽的增透效果。如此確定合理縫槽間距為5.0m。

4 效果考察

4.1 抽采瓦斯?jié)舛取⑼咚辜兞繉Ρ?/h3>

1號、2號、3號條帶瓦斯抽采濃度及瓦斯純量測定數(shù)據(jù)如圖2所示。

(a)瓦斯?jié)舛茸兓€ (b)瓦斯純量變化曲線

由圖2分析可知：

1)1號普通條帶抽采瓦斯?jié)舛茸兓秶鸀?7.2%～44.7%，平均為35.9%；2號割縫條帶抽采瓦斯?jié)舛茸兓秶鸀?7.6%～75.4%，平均為66.5%；3號普通條帶抽采瓦斯?jié)舛茸兓秶鸀?8.0%～32.4%，平均為25.2%。

3)割縫增透后，條帶抽采瓦斯?jié)舛认鄬?m間距鉆孔的普通條帶提高了1.64倍，相對2m間距鉆孔的普通條帶提高了0.85倍；條帶抽采瓦斯純量相對5m間距鉆孔的普通條帶提高了3.2倍，相對2m間距鉆孔的普通條帶提高了0.5倍。

4.2 預抽達標時間對比

某煤礦規(guī)定本礦的抽采達標指標—殘余瓦斯含量為7m3/t。

1)1號普通條帶抽采達標時間為26.97d，2號增透條帶瓦斯抽采達標時間為15.40d，3號普通條帶抽采達標時間為105.75d。

2)割縫后，條帶抽采達標時間相對5m間距鉆孔的普通條帶縮短了85.4%，相對2m間距鉆孔的普通條帶縮短了42.9%。

4.3 掘進期間瓦斯?jié)舛葘Ρ?/h3>

條帶抽采達標后，工作面供風量為400m3/min，正常掘進期間各個條帶瓦斯數(shù)值變化情況如下。

1)1號普通條帶的T2傳感器數(shù)值為0.34～0.76，平均0.55，期間發(fā)生2次瓦斯超限；2號割縫條帶的T2傳感器數(shù)值為0.14～0.33，平均0.24，期間未發(fā)生瓦斯超限；3號普通條帶T2傳感器數(shù)值為0.45～0.90，平均0.68，期間發(fā)生4次瓦斯超限。

2)割縫后，條帶掘進面瓦斯?jié)舛绕骄迪鄬?m間距鉆孔的普通條帶減小了64.7%，相對2m間距鉆孔的普通條帶減小了56.3%。

5 結論

1)超高壓水力割縫技術利用超高壓水射流在孔壁中精準割縫，可促使煤體均勻卸壓、增透，快速實現(xiàn)瓦斯抽采達標，提高瓦斯防治工作水平。

2)現(xiàn)場實驗考察表明，老廠礦區(qū)某煤礦C7+8煤層合理割縫壓力為80MPa，單縫合理排屑量為0.35t，縫槽半徑約為1.76m，單縫合理割縫時間為7min，縫槽合理間距為5m。

3)老廠礦區(qū)某煤礦C7+8煤層煤巷條帶割縫后，條帶相較于2m間距鉆孔的普通條帶，抽采瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量提高約0.85、0.5倍，抽采達標時間縮短約42.9%，掘進面瓦斯?jié)舛绕骄禍p小了56.3%，極大的提高了瓦斯治理水平。