條帶預抽鉆孔超高壓水力割縫卸壓增透試驗研究

雷剛 杜茂

摘要：石屏一礦為煤與瓦斯突出礦井，煤層為突出煤層，煤層透氣性較差，瓦斯治理工程量大，抽采達標時間長，嚴重制約礦井的采掘接替，通過順層鉆孔采取增透技術，增加了煤體暴露面積，給煤層內部卸壓、瓦斯釋放和流動創造良好條件，提高了抽采濃度及抽采效果，減少施鉆工程量和抽采達標時間，促進了巷道的安全、快速掘進。應用結果證明該技術非常成熟，效果明顯，達到了預期目的。

關鍵詞：煤層；條帶預抽瓦斯；超高壓；水力割縫；卸壓增透

引言：

石屏一礦位于四川省瀘州市古藺縣境內，目前采掘接替緊張是制約礦井發展的重要因素之一，隨著地質構造復雜多變以及開采深度的延伸，礦井主采的C19煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，均超過臨界值，瓦斯災害越來越突出，巷道掘進過程中瓦斯影響越來越大，危險性越來越高，大大降低了掘進進度。為了提高煤巷掘進速度，C19煤層必須采取區域瓦斯防治措施。

水力割縫技術廣泛應用在煤礦井下瓦斯治理方面[1-3]，該技術通過高壓水射流切割媒體，提高煤層局部區域裂隙率和煤層暴露面積，達到提高瓦斯抽采率的目的?，F場常用的水力割縫技術為高壓純水射流、高壓脈沖射流[4]、高壓磨料射流[5-6]或與其他技術等相結合的一體化技術。高壓純水射流在遇到硬煤層時無法實現有效切割；現場采用的磨料射流為前混合磨料，無法保證射流的連續性；一體化技術包括：鉆割一體化、鉆-沖-割一體化、割縫-壓裂結合技術等。

1 超高壓水力割縫裝置

1.1 GF-100型超高壓水力割縫裝置結構

GF-100型超高壓水力割縫裝置主要由金剛石復合片鉆頭、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉水尾、超高壓清水泵、高低壓轉換割縫器、超高壓軟管等組成。

1.2 工作原理

高壓旋轉水射流割縫增加了煤體暴露面積，給煤層內部卸壓、瓦斯釋放和流動創造了良好的條件，縫槽上下的煤體在一定范圍內得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性?？p槽在地壓的作用下，周圍煤體產生空間移動，擴大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。在高壓旋轉水射流的切割、沖擊作用下，鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，形成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態，為瓦斯排放創造有利條件，改變了煤體的原始應力和裂隙狀況，緩和煤體和圍巖中的應力緊張狀態，既可削弱或消除突出的動力，又可提高煤層的強度，起到防突作用，并提高透氣性和瓦斯釋放能力。

2 超高壓水力割縫試驗方案

2.1試驗區域概況

此次試驗地點為11719機巷（東），地面標高+731.07 m～+946.1 m，埋深282.4 m～497.4 m，該巷道在115回風石門內掛口，掛口坐標：X=3105470.165，Y=35602253.128，順C19煤層施工。

該巷開口時煤層平均厚度在2.2 m左右，該巷施工至410 m段時煤層平均厚度在1.5 m左右。11719機巷（東）未進行保護層開采，屬于未保護區域。通過對石屏一礦的相關基礎資料的分析可知，C19煤層原始瓦斯壓力P=0.96～1.45 MPa，煤層平均瓦斯含量W=11.37～13.8 m3/t，煤層透氣性系數λ=0.8354～1.6770 m2/MPa2d，煤對瓦斯吸附常數a=31.3729～33.922 m3/t，b=1.3364～1.3965 MPa-1，鉆孔瓦斯流量衰減系數 =0.0386～0.0487d-1，煤層瓦斯放散初速度△P=18～20；煤層厚度平均3.02 m，正常情況煤層堅固性系數為0.45～0.63。

2.2 現場施工方案

2.2.1 試驗鉆孔設計

結合礦井實際情況，在11719機巷（東）掛口位置，設計順層長鉆孔進行水力割縫，此次設計鉆孔共15個，控制巷道前方60m，巷道兩側15m寬度，其中右幫1#～6#鉆孔為水力割縫鉆孔，左幫7#—15#為普通（不割縫）鉆孔，兩種鉆孔分別控制相同范圍內的瓦斯含量。

2.2.2 效果考察方法及內容

此次設計的兩種不同鉆孔，預抽范圍及瓦斯含量均相同，施工完畢后全部進行聯網并抽。在此基礎上經過抽采后，分別對割縫前、割縫后，以及割縫與不割縫鉆孔的瓦斯含量、濃度、單孔流量等數據的收集、對比，包括巷道掘進前期和割縫后掘進期間的預測指標（K1值、S值）變化情況進行分析。

2.2.3 水力割縫試驗現場實施流程

（1）依次連接金剛石復合片鉆頭（Φ94 mm）、高低壓轉換割縫器、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、利用礦方正常鉆進的低壓水尾及低壓水管路，按割縫鉆孔設計參數施工至設計深度。要求對所有超高壓鉆桿連接前進行內外沖洗并確保鉆桿內無煤屑等殘留物。

（2）根據煤孔段長度，按3 m割一刀，計算該鉆孔所需割縫刀數，退鉆割縫至距離孔口20 m。

（3）將高低壓轉換割縫器停在指定割縫位置，關閉靜壓水，換接超高壓旋轉水尾，連接超高壓管路，不相關人員撤離至警戒線外。再次檢查確認施工環境及設備安全后，先開啟鉆機帶動鉆桿以適當速度旋轉，然后再開啟超高壓清水泵，首次啟動空載2～3 min以上，待孔口返水后，通過遠程操作臺上的調壓閥，泵壓由低到高緩慢、勻速增壓：10 MPa→15 MPa →20 MPa →30 MPa→50 MPa→80 MPa→90 MPa→100 MPa，水經過超高壓軟管進入鉆桿內，最后從高低壓轉換割縫器上的噴嘴射出，對煤層周邊煤體進行切割，每刀割縫時間為2～5 min。

（4）割縫過程中若遇堵孔、憋孔現象，先緩慢將高壓泵壓力降低至10～15 MPa，低壓沖洗2～3 min，待孔口返水正常后在緩慢調壓至100 MPa，繼續割縫作業。割縫過程若遇噴孔或瓦斯超限現象，立即停止作業，分析噴孔或瓦斯超限原因，處理完成并恢復正常后方可繼續割縫作業。

（5）切割一刀結束后，先將超高壓清水泵泵壓回零，在關閉超高壓清水泵，開啟鉆機，撤卸3根鉆桿，重新連接超高壓旋轉水尾及超高壓管路，再次開啟超高壓清水泵，控制調壓螺母，將泵壓緩慢、勻速增加至100 MPa，繼續進行割縫作業。

（6）重復上述3、4、5步驟，完成預計割縫刀數。

（7）鉆孔割縫完成后，孔內返水正常且無憋孔、堵孔等異?，F象，先將超高壓清水泵泵壓緩慢回零，再關閉超高壓清水泵，切斷電源，撤卸鉆桿并堆放整齊，高低壓轉換割縫器、金剛石復合片鉆頭、超高壓旋轉接頭妥善保管。

3 應用效果及分析

3.1割縫鉆孔排屑量統計及分析

割縫試驗壓力為90 MPa，由于煤層整體硬度不大，在超高壓水的作用下，煤體被切割為小顆?；蛎耗酄?，在水和螺旋鉆桿的共同作用下，順利排到孔口，割縫過程中會出現間歇憋孔現象，但不影響割縫作業的正常進行，割縫過程中無瓦斯涌出異?，F象。

統計分析11719工作面機巷（東）1～6#割縫孔，割縫刀數4～11刀，單刀割縫時間4～5 min，單孔出煤量2～4.5 t，平均單孔出煤量為3.31 t，平均每刀割縫排屑量為0.42 t。

M=π×r2×h×K×γ （1）

式中：M——割縫后排出煤屑量，t；

K——煤量損失不均衡系數0.8～0.95，根據礦井的返水返渣情況此處按0.85取值（60 m順層鉆孔，煤層整體硬度較低，在超高壓水及螺旋鉆桿共同作用下，排除的煤屑呈粉末狀）；

r——割縫后縫隙的等效半徑，m；

h——割縫后縫隙的寬度，m，考慮到縫槽為外寬內窄不規則槽形，割縫后縫隙的平均寬度按4 cm計算；

γ——煤的容重，石屏一礦C19煤層容重γ=1.55 t/m3。

把割縫形成的縫隙視為一個圓柱體，根據式（1）反算在每刀平均排出煤屑量M=0.42 t的條件下，割縫后形成縫槽半徑：r=1.59 m

3.2抽采效果分析

3.2.1 抽采流量分析

9個普通鉆孔8月2日～9月3日的平均單孔純量0.015 m3/min、6個割縫鉆孔8月2日～9月3日的單孔抽采純量平均值為0.117 m3/min，割縫鉆孔單孔抽采純量是普通鉆孔單孔抽采純量的7.8倍，因此，采用超高壓水力割縫工藝后，鉆孔瓦斯抽采效率得到大幅提高。

3.2.2抽采濃度對比分析

通過抽采鉆孔的檢測分析，鉆孔在11719機巷（東）抽采濃度處于10%～25%區間內，割縫鉆孔在第二循環抽采濃度大部分保持在20%～60%區間范圍內，濃度提高了2-2.4倍。因此，水力割縫能有效提高鉆孔瓦斯抽采濃度。

3.3抽采達標時間分析

抽采鉆孔抽采有效時的瓦斯總量可按下式計算：

（2）

式中： —抽采鉆孔控制區域長度、寬度， ；

—抽采鉆孔控制區域煤層厚度， ；

—抽采鉆孔控制區域煤層密度， ；

—抽采鉆孔控制區域煤層瓦斯含量， ；

—確定的抽采率

鉆孔控制區域需要抽采瓦斯量為：

Q=L1×L2×h×γ×W×η= 60×17×2.2×1.45×（10.14-8）=6963 m3

注：施鉆前對巷道前方測定了兩個殘余瓦斯含量（9.26 m3、10.14 m3），此處取10.14 m3。

3.4減少工程量對比

此次設計控制11719機巷（東）前方60 m，兩幫外沿傾斜方向各15 m，其中6個水力割縫鉆孔和9個普通鉆孔各控制了一半范圍。水力割縫鉆孔總工程量為320.4 m、普通鉆孔總工程量為461.8 m，因此控制范圍相同的情況下，水力割縫鉆孔比施工普通鉆孔減少工程量923.6-640.8=282.8 m，減少率30.6%。因此割縫不僅很好的消除了工作面前方巷道的突出危險性，而且在減少工程量方面有很大的作用。

3.5水力割縫對掘進的影響

（1）殘余瓦斯含量：7月29日，施工兩個鉆孔進行瓦斯含量測定，1#為9.26 m3，2#為10.14 m3；9月19日恢復掘進時再次施工3個鉆孔進行瓦斯含量測定，1#為7.13 m3，2#為6.86 m3、3#為6.24 m3。

（2）K1值：可以從表1看出，機巷聯巷在施工時（未采取割縫措施）僅施工12.1m就預測超標，排放孔效果又較差，而11719機巷（東）水力割縫后7天內一次掘進了21.5 m；K1值數據記錄見表1、表2所示，水力割縫前K1值平均為0.41，割縫后掘進期間K1值平均為0.22，相對較水力割縫前下降46.3%，掘進期間預測指標明顯降低。

4 結論

通過對超高壓水力割縫技術在順層鉆孔預抽煤層瓦斯的理論及現場研究，得出以下結論：

（1）采用超高壓水力割縫后，割縫壓力80 MPa～90 MPa，割縫間距為3～4 m，每刀割縫時間為4～5 min；平均每刀割縫排屑量為0.38t，割縫縫槽寬度為4 cm，割縫縫槽的等效半徑為1.59 m，平均單鉆孔排屑量為3.31t，降低了工作面突出危險性，割縫措施有效保證了掘進工作面安全快速掘進。

（2）采用超高壓水力割縫工藝后，割縫鉆孔單孔抽采純量為普通鉆孔7.8倍，濃度提高了2-2.4倍，大幅提高了鉆孔瓦斯抽采效率，鉆孔抽采時間縮短80.7%。

（3）采取超高壓水力割縫增透技術后，鉆孔抽采半徑增大，施工工程量減少了30.6%。

總之，雖然礦井煤層透氣性差、斷層影響區域多，但只要采取了超高壓水力割縫后，能夠使煤體充分卸壓，那么發生突出的煤層條件就會根本改變，就會取得較好的防突效果。此外超高壓水力割縫工藝在技術上較先進、處理瓦斯效果好，經濟上也較為合理，隨著礦井瓦斯災害越來越嚴重，現有預防措施又存在一定局限性，超高壓水力割縫技術的優越性將逐步顯現出來，它可能成為煤礦一項比較有生命力的局部和區域防突措施。

參考文獻

[1]袁波，康勇，李曉紅，等. 煤層水力割縫系統性能瞬變特性研究[J]. 煤炭學報，2013，38（12）：2153-2157.

[2]李曉紅，王曉川，康勇，等. 煤層水力割縫系統過渡過程能量特性與耗散[J]. 煤炭學報，2014，39（8）：1404-1408.

[3]鄒全樂，林柏泉，劉廳，等. 割縫預抽后煤瓦斯吸附特性的變化特征[J]. 巖石力學與巖石工程，2014，33（10）：2117-2124.

[4]林柏泉，劉廳，鄒全樂，等. 割縫擾動區裂紋擴展模式及能量演化規律[J]. 煤炭學報，2015，40（4）：719-727.

[5]李德玉，吳海進，王春利. 煤層水力割縫噴嘴特性的數值研究[J]. 煤炭學報，2010，35（4）：686-690.

[6]張欣瑋，盧義玉，湯積仁，等. 煤層水力割縫自吸磨料噴嘴特性與參數[J]. 東北大學學報（自然科學版），2015，36（10）：1466-1481.

（作者單位：川南煤業瀘州古敘煤電有限公司石屏一礦）