高永永

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

由于低透氣性采煤工作面瓦斯抽采效率低，導致鉆孔施工量大、抽采達標時間長，對采煤工作面安全產(chǎn)生了嚴重的威脅，甚至引發(fā)礦井采掘銜接失衡。為了解決低透氣性采煤工作面瓦斯治理壓力大的難題，各個煤炭集團引入水力割縫卸壓增透技術(shù)，水力割縫技術(shù)可明顯改善煤層透氣性，達到強化瓦斯抽采的目的[1-4]。

最近幾年，伴隨著國家科技的發(fā)展，高壓水射流擴孔及割縫技術(shù)也得到迅猛發(fā)展，促使超高壓(100 MPa)水力鉆割一體化卸壓增透技術(shù)逐漸在各大煤炭集團開始推廣使用，其原理主要是通過向鉆孔內(nèi)注入100 MPa的高壓水介質(zhì)，迫使鉆孔周圍煤體不斷被剝離、破碎，煤層內(nèi)原始應力也得到重新分布，達到改變煤層物理力學性質(zhì)的目的，實現(xiàn)卸壓增透的目標[5-8]，此技術(shù)已經(jīng)在淮河能源集團、四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團、焦作煤業(yè)集團、貴州盤江煤電集團等地區(qū)開展了試驗并獲得良好效果。

為此，科研工作者開展了大量的研究，常宗旭等[9]通過逾滲理論得到煤巖體破壞準則及計算得到水射流破碎非均質(zhì)煤巖體的臨界壓力；盧義玉等[10]通過從應力波傳播和損傷等不同方向研究了水射流破巖機理；孫清德等[11]通過研究提出水射流破巖過程中有兩個臨界壓力，破巖機理主要體現(xiàn)在沖蝕破碎和錘沖破碎；廖華林等[12]通過理論分析和現(xiàn)場試驗，研究高壓水射流以不同速度沖擊破碎巖石過程的流場規(guī)律及應力分布規(guī)律。

超高壓水力鉆割一體化割縫增透效果主要跟三個因素有關(guān)：割縫壓力、單刀出煤量和割縫時間[13-14]，如果割縫鉆孔出煤量過多，會破壞煤層結(jié)構(gòu)，導致鉆孔發(fā)生噴孔、塌孔，瓦斯流量衰減系數(shù)增大，增加鉆孔施工量；如果單刀出煤量太少，會引發(fā)煤層增透效果不佳，很難實現(xiàn)煤層卸壓增透和減少瓦斯涌出的目的[15]。所以通過現(xiàn)場試驗，得到適合斜溝煤礦8號煤層的超高壓水力鉆割一體化卸壓增透技術(shù)的最佳參數(shù)。

1 礦井概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣，井田南北長約22 km，東西寬約4.5 km，面積為82.647 7 km2，采用斜井開拓方式。超高壓水力鉆割一體化卸壓增透試驗地點選在18205膠帶巷的8號煤，煤厚4.7 m，傾角9°，堅固性系數(shù)0.47～0.57，瓦斯含量7.36 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.014 16 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

18205膠帶巷斷面為矩形，高度為3.8 m，寬度為5.4 m，根據(jù)抽采設計，采用順層長鉆孔的方式提前預抽煤層瓦斯，減少回采期間的瓦斯涌出，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

2 割縫鉆孔設計

試驗地點選在斜溝煤礦8號煤層18205工作面，第一步研究工作面實施超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)后的最佳割縫壓力，接著分析在割縫時間和鉆孔出煤量不同時，瓦斯抽采濃度和純量的變化情況，最終得到實施超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)后，工作面的最佳單刀割縫時間和最佳單刀出煤量，同時在獲得超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)最佳參數(shù)基礎上計算確定割縫半徑。具體試驗地點為18205工作面的膠帶巷，施工本煤層鉆孔共計18個，鉆孔之間距離保證在4 m，并對鉆孔進行編號管路，劃分I～Ⅴ試驗組，每個試驗組之間的距離控制在8 m，鉆孔具體布置情況如圖1所示。

圖1 18205工作面鉆孔布置

試驗組Ⅰ共施工2個鉆孔，研究超高壓水力鉆割一體化最佳壓力；在確定最佳的割縫壓力基礎上，分別在試驗組Ⅱ～Ⅴ施工4個鉆孔，每個鉆孔深度為100 m，設計每間隔4 m割1刀，共計劃割縫20刀，分別研究割縫時間為5 min、7 min、10 min及12 min時的單刀出煤量。試驗結(jié)束后立即對鉆孔聯(lián)網(wǎng)預抽，測定Ⅱ～Ⅴ試驗組中各個鉆孔的平均瓦斯抽采純量。

3 工程實踐

3.1 最佳割縫壓力

在18205膠帶巷試驗組Ⅰ區(qū)域?qū)?號和2號本煤層鉆孔實施水力割縫卸壓增透試驗，結(jié)合試驗現(xiàn)場煤層鉆孔出水情況、出渣流暢程度及塌孔噴孔等研究最佳割縫壓力。

試驗期間，每間隔3～5 m割縫1次，由鉆孔底部一直割縫到孔口20 m，單刀割縫時逐步增大割縫壓力，從30 MPa逐步升高到100 MPa，每刀割縫時間控制在5 min。在超高壓水力割縫作用下，煤體被粉碎成2～10 mm粒度的小顆粒，受到水和螺旋鉆桿的驅(qū)逐影響，由孔內(nèi)流至孔口，在整個割縫階段沒有發(fā)生堵孔、噴孔及瓦斯涌出異常等情況?？紤]到鉆割一體化設備的額定壓力為100 MPa，為確?，F(xiàn)場安全，留一定的富裕系數(shù)(10%)，得到8號煤層的最佳割縫壓力為90 MPa。

3.2 割縫時間不同時單刀出煤量

8號煤層割縫鉆孔孔深為100 m，在90 MPa的割縫壓力、20刀的割縫刀數(shù)作用下，現(xiàn)場實測Ⅱ～Ⅴ試驗組各鉆孔在割縫時間為3 min、5 min、7 min、10 min時單刀出煤量，見表1。

表1 各割縫鉆孔單刀出煤量情況

3.3 試驗區(qū)域的瓦斯抽采效果

各試驗組的割縫鉆孔完成試驗后立刻封孔聯(lián)網(wǎng)抽采，每天測定每個鉆孔的瓦斯抽采純量，并核算各試驗組的單孔平均瓦斯抽采純量，獲得隨著抽采時間的延長，單刀出煤量不一致時各鉆孔的瓦斯抽采純量變化情況見圖2。

圖2 隨著抽采時間的延長瓦斯抽采純量變化

從圖2可知，開始抽采的一個月內(nèi)，單刀出煤量不同的4個試驗區(qū)的鉆孔瓦斯抽采純量不穩(wěn)定，起伏較大；當抽采一個月之后至兩個月內(nèi)，鉆孔瓦斯抽采純量變化趨勢逐漸呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。

試驗Ⅱ區(qū)的各割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.17 t時，平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定在0.017 m3/min；試驗Ⅲ區(qū)的各割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.22 t時，平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定在0.019 m3/min；試驗Ⅳ區(qū)的各割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.46 t時，平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定在0.047 m3/min；試驗Ⅴ區(qū)的各割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.32 t時，平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定在0.049 m3/min。

抽采60 d時瓦斯抽采純量與單刀出煤量之間的關(guān)系如圖3所示。從圖3可知：單刀出煤量由0.17 t增加到0.32 t時，煤層瓦斯抽采純量在不斷升高，由0.024 m3/min升至0.055 m3/min，當單刀出煤量為0.32 t時，煤層瓦斯抽采純量最高，達到0.055 m3/min；而單刀出煤量達到0.46 t時，煤層瓦斯抽采純量發(fā)生小幅度的降低，相比單刀出煤量為0.32 t時，其瓦斯抽采純量下降9%.

圖3 抽采60 d時瓦斯抽采純量與單刀 出煤量之間的關(guān)系

通過以上分析可知：8號煤層最佳的割縫壓力為90 MPa，割縫時間為7 min，單刀出煤量為0.32 t，煤層瓦斯抽采效率最高。

4 割縫半徑計算

假定實施水力割縫增透技術(shù)之后，煤層中所形成的孔洞為1個均勻的圓形孔洞，鉆割一體化技術(shù)的擴孔效果可通過等效孔徑來表達，割縫半徑可用式(1)來計算：

M=πr2hKγ

(1)

式中：M為割縫后煤體排出的煤屑量，t；r為割縫后縫隙的半徑，m；h為割縫后縫隙的高度，m；K為煤量損失不均衡系數(shù)；γ為煤的密度，取1.38 t/m3。

結(jié)合礦井現(xiàn)場實際：3號煤層超高壓水力割縫鉆孔長度100 m，傾角為+2°，施工時有可能發(fā)生掉鉆風險，最終影響終孔傾角，所以煤量損失不均衡系數(shù)值選定為0.70；由于水力割縫所產(chǎn)生的縫槽是外寬內(nèi)窄的不規(guī)則槽形，現(xiàn)場試驗得到當割縫壓力為90 MPa時割縫后縫隙的平均寬度為0.04～0.05 m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)得到每刀從煤體中擠出的煤屑量為0.32 t時，水力割縫所產(chǎn)生的縫槽半徑r為1.45～1.62 m。

5 結(jié) 語

1) 在斜溝煤礦實施超高壓水力鉆割一體化增透技術(shù)，得到8號煤層的最佳割縫壓力為90 MPa，單刀出煤量隨著割縫時間的增加而增加。

2) 割縫壓力為90 MPa，割縫時間為7 min，單刀出煤量為0.32 t，割縫半徑達到1.45～1.62 m，“超高壓水力鉆割一體化卸壓增透技術(shù)”煤層瓦斯抽采效率最高。