高壓水射流割縫技術(shù)卸壓增透機(jī)理及應(yīng)用研究

李 巖

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103）

井下煤田的開采常常伴隨有瓦斯動力災(zāi)害的發(fā)生，這是因?yàn)槊簩觾?nèi)賦存有游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)的瓦斯。當(dāng)煤層埋深較大或者透氣性較差，且煤層內(nèi)瓦斯賦存量較高的情況下，大量積聚在煤層內(nèi)的瓦斯對煤炭資源的開采造成了嚴(yán)重的困擾。針對煤層瓦斯的治理，主要以抽采為主，而為了提高瓦斯的抽采效率，提高煤層的卸壓增透性能就顯得尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔存在打鉆孔徑較小、機(jī)械磨損嚴(yán)重且可能產(chǎn)生火花等不利因素，本文提出了采用高壓水射流割縫技術(shù)對煤體進(jìn)行卸壓增透，進(jìn)而提高后續(xù)瓦斯的抽采效率。

1 工程地質(zhì)概況

潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)所開采的井田范圍坐落于山西長治屯留縣境內(nèi)，井田內(nèi)主采3 號煤層。該主采煤層平均厚度為6.0m，煤層平均傾角為3°，屬于近水平厚煤層開采，采用綜采放頂煤開采工藝。余吾煤業(yè)經(jīng)具有相關(guān)資質(zhì)單位鑒定為高瓦斯礦井，3 號煤層原始瓦斯含量為10.05m3/t，瓦斯壓力為0.5MPa，透氣性系數(shù)為0.912。為有效治理瓦斯，必須針對未開采工作面提前進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采，來降低煤層賦存瓦斯量，為后續(xù)工作面的安全高效開采提供基礎(chǔ)保障。

本文選取余吾煤業(yè)北風(fēng)井西翼采區(qū)內(nèi)的N2205工作面為工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)，其接續(xù)工作面為西側(cè)緊鄰的N2203 工作面，需提前對采掘空間周圍一定范圍內(nèi)的煤體進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采。由于N2205 工作面主采3 號煤層下方為賦存穩(wěn)定的砂巖～粉砂質(zhì)泥巖，因此在N2205 工作面下方10m 位置處掘進(jìn)底板巖層巷道，對N2203 回風(fēng)平巷兩側(cè)的煤體進(jìn)行穿層鉆孔瓦斯預(yù)抽采處理。底板巖層巷道水平方向布置于N2203 回風(fēng)平巷左側(cè)與煤幫相距10m 位置處，以底抽巖巷右側(cè)肩窩位置向3 號煤層中施打穿層鉆孔，對N2203 回風(fēng)平巷兩側(cè)一定范圍內(nèi)煤體進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采處理。穿層鉆孔施工至煤層頂板位置處為止，其孔底位置相互之間間距設(shè)計為5m 間隔，共施工1 組9 個鉆孔，編號從左向右依次為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#和9#。N2205 工作面及其底板巖層瓦斯抽采巷道相對位置關(guān)系的平、剖面圖如圖1所示。

圖1 N2205 工作面及底抽巷平、剖面位置相對關(guān)系

2 高壓水射流割縫技術(shù)

2.1 高壓水射流切割機(jī)理分析

通過采用帶有切割器的鉆頭向底板上方的煤層預(yù)先打穿層鉆孔，然后利用中空鉆桿供給高壓水，通過切割器上方的噴嘴將高壓水轉(zhuǎn)化為水射流噴射出去，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對煤體的切割。高壓水射流對煤體實(shí)施割縫工藝時，通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)及后退操作，實(shí)現(xiàn)在煤體內(nèi)形成較為均勻的盤狀縫隙。高壓水射流割縫機(jī)理及割縫效果如圖2 所示。

圖2 高壓水射流割縫示意圖

由圖2 可知，高壓水射流可以通過高壓泵將后備水箱內(nèi)的水加壓到一定程度，然后通過承壓管路供給到中空鉆桿中，最后通過切割器上面的噴嘴實(shí)現(xiàn)由高壓水向高壓水射流的轉(zhuǎn)變過程。噴嘴噴射出來的高壓水射流根據(jù)距離噴嘴口位置的遠(yuǎn)近依次可劃分為3 個區(qū)域：初始段、過渡段和基本段，其中起主要切割作用的是過渡段水射流。過渡段水射流中心軸位置處的沖擊壓力值大小可用下式表示：

式中：

Ps-過渡段x 位置處水射流的壓力值大小，MPa；

xc-初始段的水射流長度值，cm；

ρ-水射流的平均密度情況，kg/m3；

v0-噴嘴出口位置處的水射流速度大小，m/s；

Pw-供給高壓水的壓力值大小，MPa。

由公式（1）可知，水射流壓力值Ps的大小與過渡段x 位置成反比例關(guān)系，即隨著射流遠(yuǎn)離噴嘴出口位置，水射流的壓力值成反比例函數(shù)衰減。當(dāng)在某一臨界位置處時水射流壓力值將會小于煤體的綜合抗壓強(qiáng)度，此時水射流對煤體的切割效能將大幅度降低，起不到對煤體的進(jìn)一步切割作用。這也從理論的角度說明高壓水射流的割縫尺寸是有限制的，并不能無限地對煤體進(jìn)行切割。

2.2 高壓水射流卸壓增透機(jī)理分析

通過對高壓水射流切割的盤狀縫槽進(jìn)行橫向剖面，對該半徑為r 的圓形縫槽周圍煤體內(nèi)的應(yīng)力變化和裂隙變化規(guī)律進(jìn)行分析，其具體示意情況如圖3 所示。

圖3 縫槽周圍煤體裂隙發(fā)育度示意圖

由圖3 可知，較大的縫槽直徑將會導(dǎo)致其周圍煤體內(nèi)的應(yīng)力集中程度較高，進(jìn)而煤體在較高的應(yīng)力集中載荷作用下發(fā)生破壞，這也導(dǎo)致煤體內(nèi)的塑性區(qū)范圍增大。而塑性區(qū)內(nèi)的煤體主要由大量裂隙生成區(qū)和新生微裂隙區(qū)組成，裂隙發(fā)育程度較高，透氣性能較好，有利于瓦斯的解析和釋放。根據(jù)滲透率指標(biāo)也可以看出來，在塑性區(qū)范圍內(nèi)，煤體的滲透率k值基本均遠(yuǎn)高于初始徑向滲透率k0值?？梢?，通過在煤體內(nèi)切割縫槽，能夠?qū)崿F(xiàn)對鉆孔周圍煤體大范圍的卸壓增透效果。當(dāng)間隔一定距離施工一排鉆孔并進(jìn)行割縫處理后，將會在一定范圍內(nèi)的煤體內(nèi)形成大范圍連續(xù)的裂隙區(qū)域，從而使得原本透氣性較差的煤體性能得到改善，對于后續(xù)瓦斯的抽放起到了很好的鋪墊作用。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 煤體卸壓增透效果觀察

通過對原煤、普通鉆孔和高壓水射流割縫鉆孔周圍煤體進(jìn)行取樣，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用Hitachi SU-8010 型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對不同的煤樣進(jìn)行觀察，得到煤樣在放大20000 倍的條件下的孔隙結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 不同煤樣放大20000 倍孔隙結(jié)構(gòu)照片

根據(jù)圖4 中不同煤樣放大20000 倍的孔隙結(jié)構(gòu)照片可知，原煤中孔隙結(jié)構(gòu)分布較少，說明煤炭的透氣性能較差；而當(dāng)對其施工普通鉆孔時，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育度有所增加，但是整體對煤體的改善效果不佳；當(dāng)采取高壓水射流割縫技術(shù)后，煤體整體呈現(xiàn)較為破碎的狀態(tài)，煤體內(nèi)裂隙發(fā)育程度高，且均勻分布有不同直徑大小的孔隙結(jié)構(gòu)，對煤體的卸壓增透效果明顯。

3.2 瓦斯抽采效果分析

如果所有鉆孔均采用高壓水射流割縫工藝，將會大大增加現(xiàn)場工程量，且施工效率低下，勞力、經(jīng)濟(jì)成本投入較高。為了提高施工效率，采用高壓水射流割縫鉆孔和普通鉆孔相交替的方法，具體施工方案如圖5 所示。

圖5 煤層內(nèi)交替式鉆孔布局示意圖

普通鉆孔的瓦斯抽采濃度和采取交替式鉆孔布局后的瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)曲線如圖6 所示。

圖6 不同工藝下的瓦斯抽采濃度

根據(jù)圖6 可知，普通鉆孔區(qū)域內(nèi)煤層的瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)變化曲線（A、B、C 和D）普遍低于55%，而交替式鉆孔區(qū)域內(nèi)煤層的瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)變化曲線（E、F、G 和H）普遍保持在55%～85%之間，平均濃度基本為普通鉆孔區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯抽采濃度的1.8 倍左右。通過瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)的對比進(jìn)一步驗(yàn)證了高壓水射流割縫技術(shù)對煤層的卸壓增透效果顯著，有利于低透氣性煤層的瓦斯預(yù)抽采，進(jìn)而為后續(xù)工作面的安全高效回采提供了保障。

4 結(jié)論

（1）對高壓水射流割縫技術(shù)的切割機(jī)理、卸壓增透機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，系統(tǒng)闡述了采用高壓水射流對煤體割縫能夠?qū)崿F(xiàn)煤體的整體卸壓增透效果。

（2）現(xiàn)場對原煤、普通鉆孔和高壓水射流割縫鉆孔周圍煤體進(jìn)行取樣，通過對煤樣的放大觀察證明了割縫區(qū)域周圍的煤體孔隙率發(fā)育程度高，為瓦斯的解析和釋放提供了良好的通道環(huán)境。

（3）通過瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)的對比進(jìn)一步驗(yàn)證了高壓水射流割縫技術(shù)對煤層的卸壓增透效果顯著，有利于低透氣性煤層的瓦斯預(yù)抽采。