高壓水射流割縫對煤層瓦斯抽放影響分析

姜 峰

(汾西礦業集團曙光煤礦，山西 孝義 032308)

高壓水射流技術的原理是利用高壓水泵或其他裝置將水壓升至高壓狀態之后，高壓水從內徑很小的高壓噴嘴中噴出，利用高壓水流的沖擊力完成切割、破碎和清洗等工作。高壓水射流割縫抽放瓦斯也是利用高壓水射流的切割和破碎作用切割煤體，產生裂隙，使煤層卸壓增透，從而提高瓦斯抽放效率[1-2]。

為了增大研究的全面性，本次研究選取的模擬礦井煤質較硬，研究在硬煤中人工裂隙的閉合特性及其與瓦斯抽放的關系。

1 工程概況

某礦是有煤與瓦斯突出發生危險的礦井，礦井瓦斯相對涌出量達170.47 m3/t，絕對涌出量達53.59 m3/min。單個掘進面的瓦斯涌出量也超過了5 m3/min。并且，該煤田煤質較硬，煤層瓦斯滲透性較低，采用傳統瓦斯抽放方法時抽放有效半徑小，抽放效率低。

該礦井田是一個小型閉合向斜構造，受礦區構造應力作用及煤化作用的影響，使得礦井生產并儲存了大量瓦斯，且本井田儲氣構造為封閉式，非常有利于瓦斯的聚集。瓦斯分布特點為沿井田煤層露頭由淺入深，基本上呈現環形狀態向延伸水平及向斜軸附近聚集增高，礦井西南部(上五采區周圍)瓦斯含量相對大于東部，其瓦斯含量已處于高度危險狀態，隨時都有發生煤與瓦斯突出的危險。瓦斯分布受井田內不同地段中的次一級小型構造影響使得煤體結構在遭到破壞后對瓦斯吸附能力增強，但卻降低了瓦斯在煤層中的運移能力，因此,分布特征主要表現在礦西南部瓦斯壓力比北部高。在上一采區含量及吸附力增大,滲透性降低,2#-2煤層瓦斯相對涌出量增高。

經資料分析，煤礦范圍內不同煤層頂板巖性對瓦斯含量有著不同的影響，但影響不大。總的態勢為,泥巖分布區瓦斯含量相對高于砂巖分布區，特別是2#-2煤層頂板在3#鉆孔周圍的炭質泥巖似乎比泥巖封閉性更強，這也是五采區附近瓦斯壓力高，發生煤與瓦斯突出的另一個主要原因。

2 瓦斯抽放方案

32211工作面走向長1 102 m～1 076 m，面積222 156 m2。開采井田內2#煤層，該煤層節理發育，容易片幫。局部范圍內,2#煤層剩余煤厚變化較大，自北東向南西逐漸變厚，屬于特厚穩定緩傾斜煤層。工作面局部范圍煤層產狀變化較大。

32211工作面的相對瓦斯涌出量為13.15 m3/t，絕對瓦斯涌出量為49.52 m3/min。試驗地點在32211工作面機巷后段130 m范圍內，在這段共選擇了6個鉆場的18個鉆孔。

根據32211綜采工作面煤層地質條件、瓦斯情況等，提出了高壓水射流割縫強化瓦斯抽放技術方案。試驗段布置在32211綜采工作面機巷后段，如第188頁圖1所示。

圖1 32211工作面試驗段布置圖

鉆孔參數與切割方案：

高壓水射流切割鉆孔基本參數主要包括：1) 鉆孔直徑；2) 鉆孔間距和布置；3) 鉆孔深度；4) 鉆孔傾角；5) 切割位置；6) 人工裂隙間距。根據高壓水切割的要求，其鉆孔參數確定為：

1) 孔直徑：Φ100 mm；

2) 鉆孔間距：1.5 m。所用鉆孔均為該工作面已經布置并完成的鉆孔，即，在32211后段機巷的后部130 m內使用6個鉆場的18個鉆孔進行切割試驗；

3) 鉆孔深度：80 m～150 m；

4) 鉆孔傾角與煤層傾角接近，試驗將根據已成孔的情況確定；

5) 切割位置：從孔底開始切割，沿鉆孔方向后退式切割，當距孔口5 m處停止切割；

6) 人工裂隙間距：1.5 m，即，每退一根鉆桿切割一次。

切割方法：利用煤礦常用的MK-5S鉆機的進退鉆進行切割；切割設置：根據鉆桿長度(1.5 m)，每退一次鉆，進行一次切割；切割時間：3 min。

3 各鉆孔瓦斯流量隨時間變化

試驗結果表明，高壓水射流割縫對于低透氣性煤層的增透作用明顯。經高壓水射流切割形成人工裂隙后，煤層中瓦斯賦存條件得到改變。煤體的暴露面積大大增大，瓦斯解吸速度加快，游離態瓦斯大大增加[3-4]。同時，由于人工裂隙的形成，煤層原巖應力平衡被打破，煤層中的原有裂隙得到擴展，并且新形成了很多裂隙，使得煤層的透氣性大大增強，煤層瓦斯流動明顯加速，為瓦斯抽放創造了條件。但隨著人工裂隙隨時間的閉合，瓦斯抽放量亦隨著時間的增加而降低。圖2為高壓水射流切割煤層前、后的瓦斯日抽放量曲線圖(由于鉆孔數量較多，文中列出1#、2#、3#、4#、8#、12#、14#、17#為例)。

圖2 割縫前、后鉆孔瓦斯流量變化曲線圖

從圖2瓦斯割縫前、后的鉆孔日瓦斯抽放量曲線圖可以明顯看出，切割后瓦斯日抽放量大大增加，平均是切割前的3倍～8倍，效果明顯。但是，分析切割后的瓦斯曲線圖可看出，在切割后的1 d～5 d各個鉆孔的瓦斯抽放量幾乎呈現直線上升狀態，但是，過了瓦斯流量高峰期之后，一般在切割后的第六天，瓦斯日抽放量開始下降，有的下降明顯，有的呈現忽高忽低的波動狀態，有的鉆孔從切割后的十幾天開始，鉆孔瓦斯日抽放量恢復到切割前的水平。更有些鉆孔，如,4#、12#、14#和15#鉆孔，從切割后的大約十幾天開始，鉆孔日瓦斯抽放量甚至低過了切割前的水平。

隨著時間的推移，鉆孔瓦斯日抽放量的下降，這主要是因為，切割后人工裂隙的閉合是必然的，所以，瓦斯抽放量才減小[5]。所以，為了延長瓦斯抽放效率的持續時間，應該做到以下幾點：

1) 要使人工裂隙的厚度盡可能大；

2) 人工裂隙的半徑不能太大也不能太小；

3) 人工裂隙的間距應盡可能小；

4) 鉆孔傾角最好與煤層傾角一致；

5) 人工裂隙的布置最好避開水平構造應力的影響。

4 結論

通過以上分析可以看到，在經過高壓水射流切割煤層之后，瓦斯抽放量和瓦斯濃度都比割縫前提高了數倍。但隨著時間的延長，因為人工裂隙的閉合以及煤層中應力的變化，瓦斯抽放量會隨著時間衰減，在一定時間后，瓦斯抽放量重新趨于穩定，但卻是一個相當低的水平。

通過瓦斯抽放數據可知，將研究結果用于現場操作之后，瓦斯抽放效率大大提升。人工裂隙和鉆孔的布置應該選擇最優布置方案，盡量延長瓦斯抽放時間，提高瓦斯抽放效率。