松軟煤層穿層鉆孔水力沖孔與水力割縫卸壓增透效果研究

譚東升 張世杰 燕 林

（1.平煤集團十二礦，河南 平頂山 467000；2.鄭煤集團白坪煤業，河南 登封 452400）

鄭煤集團白坪煤礦主采二1 煤層，屬于典型的松軟低透氣性突出煤層[1]，目前主要采取底板巖巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯，同時輔以水力化增透卸壓技術提高煤層瓦斯滲透率，增強抽采效果。當前水力化增透卸壓技術主要包括水力割縫、水力沖孔等[2-3]。為了考察兩種增透卸壓技術在白坪煤礦的實際效果，進行了對比試驗研究，以期找出更加適合松軟低透氣性突出煤層增透卸壓方法。

1 煤層卸壓增透工藝介紹

1.1 水力沖孔

水力沖孔措施主要用在底板抽放巷道中，先向突出煤層施工穿層鉆孔，見煤后用高壓水射流進行沖孔，使煤層突出能量在可控的條件下緩慢釋放，逐漸形成若干直徑較大的孔洞，破壞煤巖層原有的應力平衡狀態，孔洞周圍煤體向孔洞方向發生不同幅度的位移，促使應力狀態重新分布，在煤層形成裂隙的同時促進煤體卸壓。同時在鉆孔與鉆孔之間的煤體形成裂隙網，溝通了整個煤層的瓦斯流動空間，煤層瓦斯透氣性顯著提高[4]。

水力沖孔過程排出了大量的瓦斯和一定數量的煤炭，因此在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區域。在這個安全區域內，水力沖孔既消除了突出的動力，又改變了突出煤層的性質，因而破壞了突出發生的基礎條件，起到了有效的防治突出效果。

1.2 水力割縫

高壓水力割縫是通過高壓水泵加壓產生的高壓水為介質，高壓水通過高低壓轉換割縫器的噴嘴內噴出，形成一股能量高度集中的細束高壓水流，高壓水流有非常強的穿透、沖蝕能力，完成對煤體的強烈沖擊，從而對煤體形成切割和破碎。高壓水射流在抽采鉆孔煤層范圍內上、下來回切割，通過切割后的鉆孔周圍形成一條具有深度扁平縫槽，利用水流將切割下來的煤帶出孔外，從而增加煤體的暴露面積，為瓦斯排放創造有利條件。扁平的縫槽相當于局部范圍內開采了保護層，改變了煤體的原應力，使抽采鉆孔附近煤層局部卸壓，改善了煤層中的瓦斯流動狀態，提高了煤層的透氣性和降低煤層應力狀態[5]，從而達到煤層增透卸壓的目的。

2 水力沖孔和水力割縫工藝對比分析

兩種卸壓增透工藝均能改變煤巖體的原始應力，增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率。但在一些方面仍然有所不同，不同點有以下兩個方面：

（1）出口水壓不同。水力沖孔工藝采用金剛石PDC 鉆頭出水口對煤層反復沖刷，出口壓力相對較小；水力割縫工藝的高低壓轉換割縫器開啟壓力在10～15 MPa 之間，達到額定開啟壓力割縫器才能打開釋放高壓水，切割煤體水壓維持在10 MPa左右。

（2）在煤層中形成的空間形式不同。水力沖孔工藝對煤層進行反復沖孔之后會形成“梨形”空洞，空洞與空洞之間形成裂隙，構成卸壓裂隙網；水力割縫工藝依靠高低壓轉換割縫器在煤層范圍內上、下來回切割，切割后的鉆孔周圍形成一條具有深度扁平縫槽，從而達到增加煤層透氣性的目的。

3 兩種卸壓增透方法效果對比分析

為了對比分析水力沖孔和水力割縫兩種工藝的增透卸壓效果，在白坪煤礦13031 底抽巷進行現場卸壓增透效果試驗，記錄兩種卸壓增透方式的施工時間，持續跟進單孔瓦斯濃度衰減變化，選取松軟煤層穿層鉆孔最佳的卸壓增透工藝。

3.1 現場鉆孔布置方式

試驗鉆孔選取在13031 底抽巷4#鉆場處，鉆場共設置8 個試驗鉆孔，B1～B4 號鉆孔采用水力沖孔增透卸壓方式，B5～B8 號鉆孔采用水力割縫增透卸壓方式。試驗鉆孔具體施工參數見表1。

3.2 不同卸壓增透工藝效果對比分析

3.2.1 施工工效

在鉆機施工過程中，分別記錄兩種卸壓增透工藝鉆孔施工時間、卸煤時間和卸煤量，水力沖孔卸煤標準按照每米煤孔至少卸煤1 t，水力割縫按照每米煤孔切割一刀，每刀切割時間至少1 h，同時控制每個鉆孔的卸煤量一定。記錄數據見表2。

表1 試驗鉆孔施工參數

表2 兩種卸壓增透工藝施工工效表

8 個鉆孔累計穿煤79.8 m，平均穿煤9.9 m，卸煤量82.12 t。從表中可以看出，兩組鉆孔的施工時間是相同的，在卸煤量大致相同的情況下，水力沖孔的卸煤時間要遠遠小于水力割縫的卸煤時間。水力沖孔能在更短的時間達到增透效果，縮短施工時間，節約成本。從施工工效來看水力沖孔優于水力割縫。

3.2.2 抽放效果

鉆孔成孔后24 h 內聯網抽放，對每個聯網抽放的單孔連續14 d 測量其瓦斯濃度，根據井下測量的瓦斯濃度和觀測時間繪制出水力沖孔和水力割縫的瓦斯平均濃度對比曲線圖。觀測結果如圖1。

圖1 不同增透卸壓工藝鉆孔平均瓦斯濃度變化圖

從圖1 可以看出，隨著時間的延長，兩種卸壓增透方式的平均瓦斯濃度都在不斷地衰減，但水力沖孔的瓦斯濃度始終高于水力割縫的平均瓦斯濃度。抽采10 d 以后，水力沖孔的平均瓦斯濃度逐漸穩定在35%左右，水力割縫的平均瓦斯濃度在第14 d 時已下降至14%左右。在整個抽采周期內水力沖孔比水力割縫的平均瓦斯濃度高出16%。

4 結論分析

從施工工效來看，與水力割縫相比水力沖孔的整個施工時間減少了26.7%，節約了成本。從瓦斯抽放效果來看，水力沖孔的平均瓦斯濃度始終高于水力割縫，在整個抽采周期內水力沖孔比水力割縫的平均瓦斯濃度高出16%。綜合分析，在松軟低透氣性煤層中，水力沖孔的卸壓增透效果要優于水力割縫的卸壓增透效果。