超高壓水力割縫技術在N1103膠帶順槽中的應用

宋顯鋒

(潞安集團余吾煤業有限公司)

余吾煤業主采3#煤層，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.081 1～0.252 5 d-1,透氣性系數為0.524～1.741 5 m2/(MPa2·d)，堅固性系數為0.44～0.53，屬于可抽放-較難抽放煤層。采用順層鉆孔對回采工作面預抽時，鉆孔施工量大，抽采效率低，導致抽采達標時間長，由于礦井目前采掘接替緊張，因此，尋求一種快速卸壓增透的措施顯得尤為重要[1]。通過調研發現，利用高壓水在已施工的鉆孔中對煤體割縫、鉆擴孔，即水力割縫，能夠將鉆孔直徑增大，增加抽放效果，從而縮短抽采達標時間。為此，在N1103膠帶順槽采用順層鉆孔超高壓水力割縫技術治理瓦斯[2]。

1 超高壓水力割縫技術原理

高壓旋轉水射流割縫能夠增加煤體暴露面積，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卸壓，增大了煤層的透氣性[3]。縫槽在地壓的作用下，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，水力割縫技術原理見圖1。

圖1 順層鉆孔超高壓水力割縫技術示意

2 現場應用

7月31日在N1103膠順開展順層鉆孔超高壓水力割縫試驗，設計施工15個割縫試驗孔、15個對比孔，開孔高度為1.8 m，方位角為270°，傾角為2°，鉆孔間距為5 m。截止到8月18日4點班，累計完成15個試驗孔割縫。試驗孔開孔角度、方位角為2°、270°，割縫過程中最高壓力為100 MPa，單刀割縫時間為5～7 min，其中90 MPa割縫時間為3 min以上，割縫間距為3，4，5 m。表1為N1103膠順試驗孔成孔參數[3]。

15個試驗鉆孔割縫壓力為90 MPa，現場跟班可以發現，返渣為小顆粒煤塊、煤泥，粒度為0.5～1.5 cm，在高壓水和螺旋鉆桿的共同作用下，返渣順利排到孔口，割縫過程中未出現明顯噴孔、夾鉆現象。各試驗孔單刀出煤量統計數據見表2。

N1103膠順單孔割縫數量為17～28刀，單刀割縫時間為6～10 min，單孔割縫時間為180～409 min，平均單孔割縫時間為293 min，單孔出煤量為4.75～9.52 t，15#試驗孔煤質變硬，出煤量僅為2.2 t。總體計算，平均單孔出煤量為6.55 t，平均每刀割縫排屑量為0.3 t。

表1 N1103膠順超高壓水力割縫試驗孔成孔情況

表2 N1103膠順超高壓水力割縫試驗鉆孔出煤量

割縫半徑理論計算為

M=πr2hKγ，

式中，M為割縫后排出煤屑量，t；r為割縫后縫隙的等效半徑，m；h為割縫后縫隙的高度，m；K為割縫后產生煤屑的碎漲系數，1.1～1.3；γ為煤的密度，1.39 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0.3 t的條件下，割縫后形成縫槽半徑為0.85 m，與超高壓水力割縫預計割縫深度1.5～2.0 m相差較大。

通過在3#試驗孔右側1.5，2.5 m施工40 m深鉆孔，發現2個鉆孔均未出現串孔情況，可以初步認為3#試驗孔在30～40 m孔深因割縫產生的裂隙未延伸至1.5 m，即割縫半徑小于1.5 m，這與理論計算結果基本吻合[4]。

3 效果考察

每個試驗孔割縫完畢后，安裝單孔流量計進行數據觀測，同時為對比割縫效果，選擇同一區域的5個新成普通鉆孔進行數據觀測對比[4]。在抽采時間一致的情況下，選擇1#～5#試驗孔與5個普通孔瓦斯流量進行對比，結果見圖2。

圖2 鉆孔抽采純量變化情況

由圖2可以看出：

(1)試驗孔剛抽時，抽采純量均較高，基本在0.06 m3/min以上，其中4#試驗孔最高，抽采純量為0.597 m3/min，隨著抽采時間的增加，各試驗孔純量先出現下降，又出現小幅度上升，隨后又下降并趨于穩定，各試驗孔在抽采6～10 d后穩定在0.02～0.03 m3/min，分析原因采用超高壓水力割縫卸壓增透措施后，割縫鉆孔內部煤體暴露面積增大，煤體卸壓，促進煤體瓦斯解析，煤層透氣性顯著增加，鉆孔煤壁大量游離瓦斯涌出，造成了初期流量較大的情況；隨著時間的推移，鉆孔附近煤體瓦斯含量顯著下降，而此時由于抽采時間較短，深部瓦斯尚未運移至鉆孔處，造成了流量顯著下降的現象,隨著后期抽采時間的繼續增加，深部瓦斯將陸續運移至鉆孔處，則出現瓦斯流量上升的現象,流量上升后煤體游離瓦斯不斷減少，吸附瓦斯開始解析，二者達到一個相對平衡狀態，即抽采流量出現下降并趨于穩定。

(2)5個普通孔抽采純量穩定在0.01～0.04 m3/min，且變化幅度不大。分析原因為在相同抽采負壓、抽采時間條件下，割縫鉆孔由于瓦斯釋放較快，透氣性好，割縫鉆孔前期抽采流量較高，隨著抽采時間的增加，割縫孔內煤體應力趨于平衡，瓦斯解析速度降低，抽采純量相應降低，而對比孔未采取卸壓措施，故鉆孔內部瓦斯解析速率變化較小，即對比孔抽采流量變化幅度較小。

通過對比5個試驗孔和5個普通孔抽采量數據(圖3)發現，試驗孔單孔最高抽采純量、平均抽采純量為0.597，0.06 m3/min，普通孔單孔最高抽采純量、平均抽采純量為0.043 ，0.018 m3/min，試驗孔、普通孔萬米抽采量分別為3.58，1.33 m3/min，二者相差2.69倍。

圖3 試驗孔和普通孔抽采量對比

4 結 語

通過在N1103膠順采用順層鉆孔超高壓水力割縫技術，能夠增加煤壁暴露面積，改變瓦斯流動狀態，增加煤體透氣性，有效提高鉆孔抽采流量，單孔抽采純量增大至普通孔的3.33倍，瓦斯含量下降幅度大，縮短了煤層瓦斯抽采達標時間。該技術對于煤層瓦斯治理具有廣闊的應用前景。