耿延輝

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出主要是在地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用下發(fā)生，這種說(shuō)法一直得到許多學(xué)者一致贊同。然而，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出并不是瓦斯壓力起到主要作用[1]，例如，鄭州礦區(qū)有些煤礦瓦斯壓力小于煤與瓦斯突出鑒定臨界值0.74 MPa，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯壓力雖小，但是煤層瓦斯含量卻很大，煤層瓦斯含量接近20 m3/t，鑒定后發(fā)現(xiàn)該煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。對(duì)該煤層測(cè)得瓦斯壓力較小的原因分析可知：該煤層屬于非常松軟煤層，煤層透氣性系數(shù)非常低，流離瓦斯占比小于10%，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工裸孔孔口測(cè)得瓦斯?jié)舛刃∮?%，絕大多數(shù)都是0.5%左右，鉆孔瓦斯涌出量小，鉆孔施工后出現(xiàn)塌孔，從而影響瓦斯抽采效果。為了消除該煤層的突出危險(xiǎn)性，一方面需要對(duì)于松軟特厚煤層只有采取底板巷穿層鉆孔抽采工作面瓦斯，消除煤層突出危險(xiǎn)性；另一方面需要對(duì)該煤層進(jìn)行卸壓增透，加大煤層裂隙為瓦斯運(yùn)移產(chǎn)生通道[2-3]。

目前，我國(guó)超過(guò)80%以上的煤礦為地下開(kāi)采，煤層埋深的增大，使得煤層透氣性變小，尤其對(duì)松軟特厚煤層，透氣性更小，雖然煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育好，但是煤層瓦斯流通的通道不連通，增加了煤層瓦斯抽采的難度。為了更好的消除煤層突出性，采用普通抽采鉆孔很難抽出煤層瓦斯[4-6]。為了抽采松軟特厚煤層瓦斯，相關(guān)研究學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。劉旭東等[1]通過(guò)高壓水力“割-壓”鉆孔周?chē)后w潤(rùn)濕范圍演化特征，為“割-壓”聯(lián)合增透條件煤層水分滲流規(guī)律，從而判斷出水力壓裂技術(shù)的有效范圍；周雷等[7]通過(guò)理論研究水力壓割聯(lián)合增透理論，提出了壓割聯(lián)合增透模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬壓割聯(lián)合增透的裂隙發(fā)育規(guī)律，驗(yàn)證了聯(lián)合增透的效果；林柏泉等[8]研究了水力化技術(shù)措施條件下多場(chǎng)耦合作用機(jī)理，驗(yàn)證了水力化增透技術(shù)在松軟煤層中應(yīng)用效果，結(jié)果表明水力化增透作用下大大增加了煤層的透氣性系數(shù)，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短了50%.

鑒于趙家寨煤礦采掘接替緊張現(xiàn)狀，決定采用超高壓水力割縫增透技術(shù)，增加極松軟低透氣性煤層滲透率，進(jìn)一步擴(kuò)大煤體裂隙。最后，通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了超高壓水力割縫增透技術(shù)，對(duì)提高極松軟煤層透氣性系數(shù)具有良好的效果。

1 極松軟特厚煤層賦存特征

趙家寨煤礦主要可采煤層為二1煤層，煤層瓦斯賦存規(guī)律呈西高東低的特征，最大煤層瓦斯壓力0.45 MPa，瓦斯壓力整體偏小，但是瓦斯含量整體較大。目前研究的區(qū)域最大瓦斯含量為18.11 m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.115 4～0.289 0 m2/(MPa2·d)，測(cè)得二1煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.09～0.28，瓦斯放散初速度ΔP為15.7～22.

本次走向需要消突的區(qū)域?yàn)?4201工作面回風(fēng)巷，該巷道長(zhǎng)1 008.7 m，傾向消突控制范圍上幫向上37.4 m、下幫向下50 m；煤層厚2～26.4 m，平均11.4 m，煤層部分區(qū)域含有夾矸1～2層，夾矸厚0.10～2.27 m，夾矸巖性多為泥巖和炭質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)整體簡(jiǎn)單。

2 碎軟煤層水力割縫增滲技術(shù)

2.1 水力割縫原理

通過(guò)超高壓水力壓裂后，煤體瓦斯含量和壓裂孔周邊煤體應(yīng)力降低。此時(shí)，通過(guò)超高壓水力割縫技術(shù)，對(duì)松軟煤體進(jìn)一步卸壓，煤體內(nèi)部孔裂隙大大增加[9]。創(chuàng)造了瓦斯運(yùn)移和釋放的通道，提升瓦斯抽采效率，進(jìn)而降低瓦斯含量與壓力，達(dá)到消突的目的[10]。水力割縫鉆孔與普通鉆孔增滲消突機(jī)制對(duì)比圖如圖1所示。

圖1 水力割縫與普通鉆孔增滲機(jī)制對(duì)比圖

2.2 水力割縫設(shè)計(jì)優(yōu)化

結(jié)合趙家寨煤礦目前瓦斯抽采實(shí)際情況，在14201工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)前，采用底板巷施工穿層鉆孔結(jié)合水力割縫，提高掘進(jìn)煤巷條帶區(qū)域瓦斯抽采效率，實(shí)現(xiàn)快速降低煤層瓦斯含量，達(dá)到消突的目的。為提高割縫效率，底板巷穿層鉆孔設(shè)計(jì)為8 m×8 m模式，即為單組扇形鉆孔孔間距設(shè)計(jì)為8 m，每組設(shè)計(jì)鉆孔16個(gè)，組間距也為8 m.鉆孔設(shè)計(jì)剖面圖如圖2所示。

圖2 底板巷穿層鉆孔水力割縫剖面圖

底板巷穿層鉆孔從左到右鉆孔編號(hào)分別為1～16號(hào)孔，鉆孔終孔點(diǎn)位置為穿過(guò)煤層頂板0.92 m，煤巷條帶回風(fēng)巷上幫控制范圍37.4 m，下幫控制范圍50 m，終孔間距8 m；鉆孔割縫從8號(hào)、9號(hào)鉆孔分別向兩側(cè)依次進(jìn)行割縫。

3 水力化增滲效果分析

3.1 水力割縫半徑

水力割縫壓力為60 MPa左右，底板巷穿層鉆孔水力割縫時(shí)沖出大量煤粉，通過(guò)割縫卸煤量增加，煤粉顆粒大小為0.01 cm左右，在高壓水射流和螺旋鉆桿的共同作用下，14201工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面累計(jì)完成水射沖刷32個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔共沖刷次數(shù)3～7刀，每次沖刷時(shí)間40～80 min，平均單孔沖出煤粉量為7.2 t，平均每刀沖刷排屑量為1.2 t.

M=πr2hKγ

(1)

式中：π為圓周率，取3.14；M為水射流沖刷后排出煤粉量，t；r為水射流沖刷后縫隙的半徑，m；h為縫隙的高度，根據(jù)地面試驗(yàn)割縫后產(chǎn)生縫隙的高度為0.03～0.05 m；K為割縫后煤的損失率，取0.85～0.95；γ為煤的密度，t/m3.

根據(jù)公式(1)反算在每刀平均排出煤屑量M=1.2 t的條件下，割縫后形成縫槽半徑r=2.51 m.

3.2 瓦斯抽采純量分析

根據(jù)14201回風(fēng)巷割縫鉆孔抽采純量統(tǒng)計(jì)，平均單孔日抽采純量繪制如圖3所示。

圖3 平均單孔純量變化趨勢(shì)

根據(jù)14201工作面回風(fēng)巷超高壓水力割縫增滲工藝后對(duì)鉆孔抽采純量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，超高壓水力增滲鉆孔施工完成后，平均單孔日抽采純量大幅增加，平均單孔抽采純量峰值達(dá)到568.48 m3/d.抽采39 d后，平均單孔日抽采純量出現(xiàn)衰減，平均值仍然保持在130 m3/d，是未割縫區(qū)域鉆孔的瓦斯抽采純量51.42 m3/min的2.5倍，抽采純量增加顯著。

3.3 殘余瓦斯含量測(cè)定

14201工作面回風(fēng)巷在二1煤層中掘進(jìn)，該區(qū)域煤層平均瓦斯含量為8.91 m3/t.超高壓水力割縫增滲鉆孔抽采28 d后，在底抽巷施工3個(gè)穿層鉆孔測(cè)量殘余瓦斯含量結(jié)果分別為5.61 m3/t、4.71 m3/t和5.74 m3/t，數(shù)據(jù)顯示使用壓割工藝增加煤巖透氣性后，煤層瓦斯抽采效率得到顯著提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 總結(jié)了松軟煤層水力割縫理論，并對(duì)水力割縫鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

2) 采用超高壓水力割縫增滲工藝后，瓦斯抽采日純量平均為130 m3/min，是未割縫區(qū)域鉆孔的瓦斯抽采純量51.42 m3/min的2.5倍，割縫工藝后的抽采純量增加顯著。

3) 該區(qū)域煤層平均瓦斯含量8.91 m3/t.割縫后鉆孔抽采28 d后，瓦斯含量降低到5.74 m3/t，達(dá)到了突出煤層消突的目的。