松軟煤層水力割縫卸壓增透技術研究

郭雪勇

（晉能控股煤業集團趙莊煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

國內外研究表明，目前應用較好的煤層瓦斯抽采卸壓增透方法有：松動爆破、預裂爆破、水力擴孔、水力壓裂等，但均存在一定的局限性[1-4]。近幾年，國內高壓水射流技術的發展較快，利用高壓水射流技術在井下瓦斯抽采鉆孔中進行割縫的方法，增加了鉆孔抽采效果，取得一定的成效[5]。該技術為了達到煤層卸壓增透，在切割煤體時利用高壓的射流束進行沖擊，使煤體出現大量裂隙[1]。趙莊煤業煤層松軟、煤層吸附瓦斯能力強，煤層透氣性較差，導致穿層預抽鉆孔抽采效果不理想，嚴重威脅著煤礦日常安全生產、影響了礦井進一步的建設發展。為解決這一問題，以趙莊煤業二盤區北回風巷為工程背景，在北回風巷南幫進行了穿層鉆孔超高壓水力割縫增透試驗；該技術實施后，煤層透氣性增強，鉆孔瓦斯抽采效果得到了明顯的提高，縮短了煤層瓦斯抽采達標時間，取得了良好的效果。

1 礦井概況

趙莊煤業隸屬于山西晉煤集團有限公司，設計生產能力8.00 Mt/a，井田位于沁水煤田東南部，為高瓦斯礦井。

本次試驗地點為二盤區北回風巷，二盤區開采3#煤層。3#煤層厚度為0～6.4 m，傾角5°～10°，原始瓦斯壓力為0.594 MPa，原始瓦斯含量為7.9～11.8 m3/t，堅固性系數f 為0.5 左右。煤層透氣性系數0.463 5～1.747 4 MPa2·d。百米鉆孔初始瓦斯涌出量0.005 2～0.010 5 m3/min·h，百米鉆孔流量衰減系數0.143～0.29 d-1。

3#煤層屬于松軟低透氣性煤層，順層鉆孔預抽瓦斯存在抽采量小、衰減快、預抽期長以及長鉆孔定位不準、分布不均勻等問題，導致煤體瓦斯抽采效果不理想，嚴重影響了煤巷掘進和礦井采掘生產銜接。

目前，礦井煤巷掘進工作面采用底抽巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區域防突措施，主要利用底板巷道向煤巷條帶實施穿層鉆孔進行煤層瓦斯抽采；利用巷道和抽采鉆孔使煤體卸壓，提高煤體的透氣性和堅固性系數，降低地應力、瓦斯壓力和瓦斯含量，從而達到消突的目的。以1308 底抽巷穿層鉆孔布置方式為例，上向穿層鉆孔每個抽采單元為120 m，每組按照5 個鉆孔進行布置，鉆孔終孔間距為5 m，鉆孔覆蓋設計巷道左右兩幫輪廓線外各15 m。穿層鉆孔直徑113 mm，封孔時采用 “二堵一注”封孔工藝。1308 底抽巷穿層鉆孔布置見圖1。

圖1 1308 底抽巷穿層鉆孔布置

2 超高壓水力割縫增透技術

2.1 技術原理

此技術是指在鉆孔煤孔段，通過水射流在煤體內的切割進行人為再造裂隙，增大煤體的暴露面積，有效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，煤體得到充分卸壓[6]。

首先將水壓調節成低壓水模式，使用礦用鉆機將密封鉆桿、高低壓轉換器及打鉆鉆頭鉆至預設地點，啟動高壓水泵，將其壓力設定在指定范圍，通過調節高低壓轉換器的變化，在其噴口處形成水流，對鉆孔內已見煤段進行沖擊，使煤體中產生不同長度和深度的裂槽，沖擊脫落的煤粉隨著水的流動及在鉆桿的傳送作用下被排出孔外，鉆桿與煤層的接觸面積顯著增加[7]。沖擊形成的裂隙使煤層內煤體得以完全卸壓，有利于進行瓦斯抽采，達到水力割縫增透的預期。

2.2 設備組成

由超高壓旋轉水尾、金剛石復合片鉆頭、高低壓轉換器、密封鉆桿、高壓遠程操作臺、超高壓清水泵等組成的水力割縫設備，見圖2。

圖2 超高壓水力割縫設備組成

3 鉆孔參數設計

根據二盤區采掘工作面布置情況，水力割縫增透試驗研究地點選定為北回風巷南幫。此次試驗有3 組對照鉆孔，一共有48 個鉆孔。其中，每排設計4 個鉆孔，第一排到第四排為第一組，排間距4 m；第五排到第八排為第二組，排間距5 m；第九排到第十二排為第三組，排間距6 m；第十三排為未割縫鉆孔進行對照，為消除對照鉆孔之間的試驗影響，將10 m 確定為相鄰兩組間的鉆孔間距。鉆孔設計及施工參數見圖3、表1（每組鉆孔排、間距根據現場情況允許在0.2 m 范圍調整），同一時間在1308 底抽巷采用同一工藝進行對比鉆孔施工。

圖3 鉆孔設計

表1 鉆孔設計參數

4 水力割縫增透抽采效果分析

為了更直觀明顯的通過數據對比分析水力割縫技術試驗效果，選取等效直徑割縫鉆孔的瓦斯抽采濃度、百米抽采純量與未割縫鉆孔的變化進行數據對比及曲線分析。

4.1 割縫鉆孔及對比鉆孔抽采瓦斯流量數據分析

兩組未割縫對比鉆孔測量瓦斯流量結果見表2。

表2 對比鉆孔與水力割縫鉆孔瓦斯抽象流量

由表2可知，水力割縫鉆孔與對比鉆孔在測定時間內，鉆孔瓦斯流量隨時間變化在測定4 天內，割縫鉆孔的平均瓦斯流量0.028 m3/min，對比鉆孔的平均瓦斯流量是0.012 m3/min，割縫鉆孔平均瓦斯流量是對比鉆孔的2.33 倍，瓦斯抽采效率有了很大提高。

4.2 割縫鉆孔及對比鉆孔抽采濃度分析

在北回風巷南幫進行水力割縫對照試驗時，水力割縫鉆孔施工完成后，立即封孔接入井下的瓦斯抽采系統；每天分別對試驗孔及對比鉆孔的瓦斯抽采濃度及純量變化數據進行記錄及整理，最終將得到的瓦斯濃度以及流量的數據分別做成相對于時間變化的相關曲線見圖3。

水力割縫鉆孔與對比鉆孔在接抽7 個月時間內鉆孔瓦斯抽采平均濃度見圖4。由圖分析可知，截止到3月19日，割縫鉆孔瓦斯濃度在28.7%～50.3%之間，平均為40.2%。排除其中一個月由于封孔漏氣導致鉆孔抽采濃度下降的數據后，可得出割縫鉆孔在接抽時間內平均濃度為33.0%。同樣，由圖3可以得出對比鉆孔在接抽時間內鉆孔濃度在14.8%～32.2%之間，平均為22.2%。從而可得到割縫鉆孔平均瓦斯抽采濃度是對比鉆孔的1.49 倍。

圖4 割縫鉆孔與對比鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線

4.3 割縫鉆孔及對比鉆孔抽采純量對比分析

由圖5可看出，由于割縫后鉆孔內煤體暴露面積急劇增大，割縫鉆孔在割縫初期鉆孔平均百米抽采純量較大，割縫鉆孔百米抽采純量在0.510～0.260 m3/min 之間，平均為0.337 m3/min。之后同樣由于封孔漏氣導致抽采純量降低，在全部重新封孔接抽后，割縫鉆孔平均百米抽采純量明顯上升，割縫鉆孔平均百米抽采純量在0.220～0.145 m3/min 之間，平均為0.197 m3/min。由此可得出，超高壓水力割縫鉆孔平均百米鉆孔抽采純量是對比鉆孔的3.02 倍。所以，高壓水力下進行割縫，鉆孔附近煤體卸壓效果明顯，煤層透氣性效果更加顯著，鉆孔抽采瓦斯效果加強。

圖5 割縫鉆孔與對比鉆孔平均百米抽采純量變化曲線

5 結論

1）用高壓水力進行煤巖層割縫能夠有效增加鉆孔內煤體的暴露面積，使得煤體可以更好的卸壓，瓦斯可以更好的釋放。趙莊煤業3#煤層試驗結果表明，鉆孔抽采瓦斯濃度的平均值比此項工藝實施之前提高了1.49 倍，瓦斯流量的平均值比此項工藝實施之前提高了3.02 倍,鉆孔抽采瓦斯濃度以及流量都有了顯著的提升，能有效地提升區域瓦斯抽采能力。

2）根據趙莊煤礦的地質條件，相對于順層鉆孔，穿層鉆孔割縫增透工藝技術更適合趙莊煤礦的瓦斯治理；并對穿層割縫鉆孔布置方式及參數進行了確定，達到了研究目的。

3）趙莊煤業3#煤層松軟煤層水力割縫卸壓增透技術，可為條件相似礦井的煤層提供技術參考和借鑒。