高壓水力割縫技術在瓦斯抽采中的應用

孟亞帥

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦，山西 古交 030200）

1 引言

瓦斯抽采效率低一直是困擾煤礦生產的一大難題。提高瓦斯抽采效率的關鍵在于改變瓦斯賦存壓力場，促進瓦斯由吸附態轉為游離態并自由逸出。水力割縫可以對煤層進行卸壓處理，有效改善瓦斯逸出路徑[1]，延展煤層裂隙，提高煤體滲透率。對掘進面或回采面的瓦斯預抽孔進行水力割縫處理均可有效抽采瓦斯，并在掘進和回采過程中有效降低煤塵，改善作業環境。

現有水力割縫設備限于注水壓力不足而難以發揮該技術的優勢，亟需發展高壓水力割縫技術[2]。因此本文利用自主研制的高壓水力割縫系統，大幅提高注水壓力，對鎮城底礦煤層32211 掘進工作面進行割縫處理，收集相關數據，全面分析高壓水力割縫技術抽采瓦斯的具體效果。

2 試驗工作面簡介

鎮城底礦屬于瓦斯礦井，隨著開采水平延伸，高瓦斯區域不斷增多，亟需更為有效的瓦斯抽采技術?，F場試驗選在西山煤電鎮城底礦的32211 工作面，該工作面西鄰ⅪⅤ勘探線，東臨Ⅻ勘探線，位于F16 斷層南西，32229 采空區北東。該工作面標高1953～1991 m，地面標高2378～2171 m，走向長1108～1082 m，面積222 178 m2。試驗地點在32211運輸巷掘進頭，推進距離560 m，巷道斷面面積為21.6 m2，風速為0.6 m/s。

3 高壓水力割縫系統

3.1 增壓機理

為克服以往同類設備割縫壓力、流量不足的弊端，本系統采用兩臺天津通潔高壓泵制造有限公司生產的BZW40/30 型煤層注水泵并聯使用。該泵額定工作壓力為30 MPa，結構緊湊，體積小，單位重量水功率高，適用于井下復雜工作環境。為進一步提高注水壓力，模仿液壓增壓缸結構加工水壓增壓缸接入水泵出口。普通水管不足以承受超高壓水，因而采用鍋爐用鋼加工為Φ20 mm 的無縫鋼管螺紋連接，并在水管出口接入特制的錐直型高壓水射流噴嘴，出水口最高出水壓力可達75 MPa。

3.2 高壓水力割縫系統

根據高壓水力割縫技術原理以及工作面的應用條件，本項目擬采用的高壓水力割縫系統由如圖1所示部分組成。

圖1 高壓水力割縫系統

4 高壓水力割縫施工工藝

工作面鉆孔布置如圖2 所示，共布置3 個割縫孔，間距2 m，割縫孔四周1 m處布置觀測孔，共4個。位于工作面中心的割縫孔豎向割縫作業，兩側割縫孔水平割縫作業。割縫孔中利用高壓水射流設備由里向外后退作業，切割煤體。完成作業后，在兩側觀測孔布置測量設備，觀察割縫作用效果。

圖2 工作面鉆孔布置圖

為了確定合理的工藝參數，評價瓦斯抽放效果，結合模擬試驗結果，制定了如下高壓水力割縫抽采瓦斯的施工方案。

4.1 割縫孔施工工藝

割縫孔直徑Φ80 mm，深度100 m，施工完成后，放入直徑為Φ20 mm 的無縫鋼管作為割縫管；割縫孔末端擴孔封孔，擴孔直徑為Φ120 mm，深度為20 m。施工完成后，將封孔管前端包裹聚氨酯材料后放入割縫孔，并將封孔管與煤層之間的空隙用后退注漿法封孔，如圖3 所示。

圖3 導向孔壁后注漿封孔示意圖

4.2 觀測孔施工工藝

在割縫孔兩側水平間距1 m 處各布置一個觀測孔。觀測孔直徑Φ40 mm，深度為20 m，施工完成后，放入直徑為Φ16 mm 的鋁塑管，長度為10 m。鋁塑管前端2 m 處用聚氨酯材料緊密包裹，鋁塑管與煤層之間同樣用后退注漿封孔。封孔材料凝固后，在鋁塑管末端安裝測試閥門及壓力表，如圖4 所示。

圖4 瓦斯壓力測試孔封孔示意圖

4.3 割縫速度的確定

該工作面煤層瓦斯壓力為0.61 MPa，煤的堅固性系數為f=1.6，煤層透氣性系數為6.7 m2MPa-2d-1。實驗室采用相似材料模擬煤層進行試驗，發現水壓70 MPa、作用半徑900 mm 時，橫向割縫速率不大于18 m/h。割縫過程中，由于瓦斯在煤層內賦存的非均勻性，工作面瓦斯含量變化也呈非均勻性，割縫速度直接決定瓦斯逸出速度。因此初始割縫速率為18 m/h，當巷道瓦斯濃度大于0.8%時，為避免發生煤與瓦斯突出事故，必須依照安全操作規程，依據工作面瓦斯含量適時調節鉆機割縫速度。

5 水力割縫抽放瓦斯測試結果及分析

5.1 高壓水力割縫后觀測孔瓦斯壓力測量結果

完成高壓水力割縫作業后，即開始對割縫孔兩側觀測孔進行瓦斯壓力測量。據觀測，煤層中原始瓦斯壓力為0.12～0.48 MPa。測量結果如表1 所示。

由表1 可知，完成高壓水力割縫作業后，觀測孔內瓦斯壓力隨時間逐步增大至割縫前壓力的三倍左右，并逐漸穩定。由此表明經過高壓水力割縫作業后，煤層中的瓦斯釋放速率明顯增加。

5.2 高壓水力割縫作業瓦斯抽放效果分析

高壓水力割縫作業完成后，將工作面布置的所有抽放管路的測量數據進行記錄，如表2 所示。根據實測結果，計算鉆孔抽放率[3]：

η=Q/（H×R×L×ρ×X）×100

式中：Q 為累計抽出的純瓦斯量，m3；H 為巷道高度，取3 m；R 為割縫長度，取1.8 m；L 為鉆孔深度，取80 m；X 為噸煤瓦斯含量，取7.19 m3/t；ρ 為煤的容重，取1.42 t/m3。

表1 觀測孔瓦斯壓力隨時間變化關系

表2 瓦斯抽放量隨時間的變化統計表

由表2 可以看到，高壓水力割縫作業24 h 后，工作面混合氣體抽放量明顯上升，純瓦斯含量同比例上升；十余天后，混合氣體總量增至初始狀態的三倍以上，百米鉆孔抽放純瓦斯速度最高可達4.29 m3/h。由此可見，高壓水力割縫作業后，工作面煤體內部產生持續性變化，煤體結構破碎性明顯增加，瓦斯逸出速率持續加快，充分說明高壓水力割縫抽采瓦斯具有持久性明顯效果。

6 結論

對高壓水力割縫技術抽采瓦斯的工業應用試驗，取得了預期效果，得到了如下結論：高壓水力割縫技術可以有效增加工作面煤層瓦斯釋放速率，當水壓達到70 MPa 時，有效作用半徑可達900 mm；累計抽放一個月，抽放率可到26.49%。