煤礦井下高壓水力割縫技術的應用分析

趙愛虎

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030022）

引言

杜兒坪煤礦工作面8 號煤煤層，結構復雜，總厚4.5～6.0 m。局部區域含一層0.0～2.9 m的劣質煤，煤層中含一到兩層夾石，夾石總厚度變化較大為0.1～1.6m，傾向大致為南東向逐漸轉變為南西向，煤巖層傾角1°～11°，平均5°。煤層老頂為平均厚度為8.31 m的石灰巖，直接頂為平均厚度為4.19 m的石灰巖。由于井下瓦斯濃度分布高，因此通常奇怪下均采用普通鉆孔抽采瓦斯方案，但單孔抽采效率低[1]，普通鉆孔平均瓦斯抽采濃度為33.0%，平均瓦斯抽采量為0.011 6 m3/min，需要在井下進行大量的鉆孔才能保證瓦斯抽采效果，不僅影響了井下綜采效率而且也增加了綜采作業安全性。本文提出了一種新的高壓水力割縫增透鉆孔方案，對其割縫卸壓原理，系統組成、工藝實施方案等進行了分析。

1 高壓水力割縫卸壓原理

高壓水力割縫是通過增壓，提升噴出水的動力然后將巖壁進行快速切割并形成切割縫的方法[2]（圖1-3）。在切割過程中首先在巖層中開出一個泄壓孔（圖1-1），利用水將截割下來的巖渣排出，從而達到防沖卸壓和提高瓦斯抽采的目的。

使用水力割縫技術后，縫槽等于在小范圍內形成了一層薄的保護層，其結果是縫槽上下的煤體得到有效的泄壓，提升了煤層的通氣能力，同時使切割縫四周的煤層向著切割槽內產生一定的位移（圖1-2），進一步提升了縫槽排放瓦斯的范圍，降低了預抽時間，實現了防突和快速高效抽采目的[3]。

圖1 水力割縫效果圖

2 水力割縫設備構成

高壓水力割縫系統設備主要由鉆割一體化鉆頭、輸水桿水箱等組成，結構緊湊、使用靈活性高。在切割時候，鉆機作為推進器，不對現有的鉆機進行任何改動，其整體結構如圖2 所示[4]。

圖2 高壓水力割縫系統組成圖

圖2 中，鉆頭是一種能同時進行鉆進和截割的裝置，在進行工作時，高壓鉆桿接旋轉水變，鉆頭正面的水孔出水，然后鉆頭一直鉆進到指定位置，鉆進完成后控制鉆頭退出到截割縫處，然后高壓輸水鉆桿能夠快速地形成高壓水流，從噴射孔內噴出高壓水流，射到巖壁上進行鉆孔割煤。

3 水力割縫工藝方案

水力割縫鉆孔從68307 工作回風巷切眼外側約15 m 處開始，然后到綜采面停采線范圍內開始布置，根據68307 工作面的實際巷道布置情況，同時考慮該面煤層走向以及皮帶巷與單軌吊巷的高差狀態（利于鉆孔施工中排水、排渣），本工作面選取150 個鉆孔為高壓水力割縫鉆孔，每個鉆孔的深度設置為100 m，鉆孔鉆進時的傾斜角為4°，鉆孔的直徑為113 mm，開孔高度底板以上1.5 m，孔與孔之間的距離為8 m，封孔的深度不小于12 m。奇數孔在鉆進時從距離孔底約25 m 處開始，然后采用后退式割縫工藝，每隔8m 進行一次割縫，在離孔口19 m的位置停止截割。偶數孔在截割時則從距離孔底約21 m的位置進行截割，同樣采用后退式割縫工藝，每隔8 m進行一次割縫，在離孔口23 m的位置停止截割。

在進行截割作業的過程中，根據井下巖層的實際情況，調整水壓為80 MPa 以上，將高壓水流的直徑設置為0.5～2 m，將每個位置的截割實際時間設置為5 min，其實際截割參數如表1 所示。

4 應用效果分析

2021 年2 月，西山金信建筑有限公司共在68307 巷施工140 個鉆孔并全部進行水力割縫，現將水力割縫鉆孔與普通鉆孔抽采效果進行對比分析。

水力割縫鉆孔平均瓦斯抽采濃度為68.93%，平均瓦斯抽采量為0.025 m3/min，抽采量最高的水力割縫增透鉆孔6 號、8 號、23 號平均瓦斯抽采量為0.083 m3/min。普通鉆孔平均瓦斯抽采濃度為33.0%，平均瓦斯抽采量為0.011 6 m3/min，水力割縫增透鉆孔平均瓦斯抽采量較普通鉆孔提高2.11 倍以上，顯著地提升了煤礦井下瓦斯抽采效率和可靠性。

5 結論

1）高壓水力割縫是通過增壓，提升噴出水的動力然后將巖壁進行快速切割并形成切割縫的方法能夠實現防突和快速高效抽采目的。

2）高壓水力割縫系統設備主要由鉆割一體化鉆頭、輸水桿水箱等組成，結構緊湊、使用靈活性高。

3）水力割縫增透鉆孔平均瓦斯抽采量較普通鉆孔提高2.11 倍以上，顯著地提升了煤礦井下瓦斯抽采效率和可靠性。