低透厚煤層穿層水力割縫增透技術試驗研究

左 楊，阮 杰

（1.河南能源義煤集團技術研究院瓦斯研究所，河南 義馬 472300；2.義煤公司孟津煤礦，河南 義馬 472300）

目前，豫西新安煤田主采煤層為二1 煤層，煤層具有埋深較大、瓦斯壓力大、煤質松軟的特點。由于煤層瓦斯透氣性低、滲透率低，導致鉆孔抽采半徑較小、施工鉆孔量大且工期長，鉆進瓦斯預抽孔時易發生巷道瓦斯超限，并伴隨塌孔、卡鉆、頂鉆和噴孔等動力現象。鉆孔預抽煤層瓦斯的工作前提條件是根據鉆孔之間的相互影響關系確定鉆孔布置方式及參數［1］。因此，鉆孔預抽煤層瓦斯的重中之重在于準確測定鉆孔抽采影響半徑，確定鉆孔布置形式。

1 高壓水力割縫增透機理分析

1.1 割縫槽及裂隙網絡的成形

通常情況下，煤巖體的抗壓強度遠大于抗剪、抗拉強度，發生在煤巖體的破壞通常是剪切破壞和拉伸破壞。水力沖擊作用下破壞煤體導致其掉落并沿鉆孔流出，高壓水進而沖擊深處的煤體［2］。長時間的水力沖擊作用，造成大量煤體流出孔外，沿著鉆孔周圍就形成具有一定深度和寬度的縫槽。由于應力波的反射在被沖擊區域周圍形成拉應力，從而導致微裂隙逐步擴展從而形成裂縫；同時，當煤體的抗拉強度小于拉應力時產生新的微裂隙，由于球面方式傳播是應力波的主要傳播方式，裂縫與縫槽的方向平行。伴隨著水力不斷沖擊形成新的縫槽，進一步形成徑向裂縫和平行裂縫構成鉆孔周圍的煤體裂隙網絡［3］。

1.2 損傷破壞機理

采用水力割縫措施對煤體造成破壞有以下幾個特點：煤體的破壞發生在某個區域；煤體破壞的過程是逐步形成的，內部的細微損傷與裂隙進一步導致煤體的破碎。水射流對煤體的沖擊區域逐步形成裂縫，裂縫不斷擴展延伸，造成裂縫之間互連互通，最終破壞局部煤體。

2 現場試驗及結果分析

2.1 試驗工作面概況

12070 采煤工作面位于孟津煤礦12 采區西翼，二1 煤層具有突出危險性，基本參數如下：堅固性系數為0.12～0.46，瓦斯放散初速度為10.5～24.0，煤體破壞類型為Ⅲ～Ⅴ類。目前在12070 軌道順槽底板巷內取樣5 個，所測二1 煤層原始瓦斯含量為7.41～12.68 m3/t之間，均大于臨界值6 m3/t。

2.2 高壓水力割縫技術影響半徑現場效果檢驗

瓦斯抽采影響半徑是一個隨抽采時間變化的冪函數關系式，X坐標是時間 （d），Y 坐標是半徑（m），通常說抽采半徑是指3 個月的預抽期。現場測定通常采用壓降法或流量法，本次測試采用壓降法［4］。

（1）測試方案設計

試驗鉆孔位置按照最新穿層鉆孔設計，在12070 軌道順槽底抽巷52 m處向里布置兩組試驗鉆孔，每組7 個鉆孔（1 個割縫孔、6 個測壓孔），見圖1。

圖1 水力割縫鉆孔與原措施鉆孔布置

采用壓降法測定影響半徑，布置1 個水力割縫孔和6 個測壓孔，測試半徑分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m，各試驗鉆孔均采用同一施工參數，沿巷道走向按照設計開孔間距施工。平面布置見圖2，測試鉆孔施工參數見表1。

圖2 測壓鉆孔布置平面

表1 高壓水力割縫鉆孔與測壓孔施工參數

施工的高壓脈沖水力割縫鉆孔均采用Φ94 mm鉆頭施工并穿煤，再用Φ113 mm 鉆頭擴孔至見煤點，每個鉆孔巖孔、煤孔長度均安排人員現場準確記錄。割縫時乳化泵的壓力控制在25 MPa，每道縫切縫時間控制在20～30 min。水力割縫、設備布置見圖3。

圖3 高壓脈沖水力割縫設備布置

（2）試驗效果檢驗

各孔壓力值穩定后，分別記錄各孔壓力值。每隔30 min，觀察表中記錄的每一個鉆孔壓力值，割縫后，進行抽放管路連接，第一周每隔1 d，第二周每隔2 d進行數據觀察，然后按每周一次頻率觀察12 周。經過3 個月的觀測，獲得了大量的實驗數據，得到了不同抽采時間不同距離測壓孔的壓力變化曲線。1#～6#孔瓦斯壓力變化情況見圖4。

圖4 鉆孔瓦斯壓力下降曲線

由圖4 分析可知：

①1 號測壓孔連管后，瓦斯壓力降至0.27 MPa；經觀察，瓦斯壓力線性下降2 天，瓦斯壓力下降5天至0.13 MPa，降至原瓦斯壓力的90%以下；隨后，1 號孔氣體壓力逐漸降至0.04 MPa。

②抽采前6 天，2 號測壓孔基本保持壓力穩定，11 天后壓力基本呈線性下降，第15 天氣體壓力降至0.20 MPa，下降幅度高于90%，此后，孔內氣體壓力降至0.07 MPa。

③3 號觀察孔和2 號觀察孔情況比較相似，基本呈線性下降趨勢，抽采前18 天基本穩定，觀察29 天后的氣體壓力基本呈線性下降，降至0.18 MPa，降幅超過85%，72 天后鉆孔瓦斯壓力降至0.05 MPa。

④4 號、5 號、6 號觀測孔在抽采90 天試驗結束后，基本無變化。

根據水力割縫鉆孔有效影響半徑測試結果可知，在三個月的預抽期期間，采用水力割縫措施后，瓦斯抽采有效影響半徑可達到5 m。

3 現場應用效果檢驗

結合現場實際情況，在12070 軌道順槽底板抽放巷58 m處開始沿巷道向里，每隔10 m施工一排割縫鉆孔，共3 組，總計27 個高壓脈沖水力割縫鉆孔。由于割縫時會有煤體垮落，單孔出煤量大，并伴有嚴重噴孔現象，故進行高壓脈沖水力割縫時，以達到成孔且最佳煤體卸壓效果為原則，最終有23 個鉆孔達到要求。鉆進、縫縫工作一起實施。首先對實施高壓脈沖水力割縫鉆孔進行鉆進直至二1煤層頂板；然后，待退鉆時，對煤層段進行割縫。

3.1 出煤量比對分析

由23 個達標鉆孔可知，總計排出煤量為167.5 t，平均單孔出煤量為7.28 t；原措施鉆孔（未進行水力割縫，單孔控制有效半徑為1.5 m）42 個，累積排出煤量256.4 t，平均單孔出煤量為6.10 t。因此，高壓水力割縫增透技術比原措施鉆孔排煤量更高。

3.2 抽采效果比對分析

根據現場試驗效果，選取12070 軌道順槽底抽巷34～46 m段3 排鉆孔（原措施，未進行水力割縫，單孔控制有效半徑為1.5 m）與水力割縫鉆孔進行瓦斯抽采濃度比對，分析瓦斯抽采初始、48 h、10 d、30 d的抽采濃度效果。由對比結果可知，按照有效影響半徑5 m布置措施孔與原措施進行對比，初始濃度達到65%的鉆孔數量提升32.2%，48 h單孔抽采濃度達到45%以上的鉆孔數量提升23.5%，10 d單孔抽采濃度大于25%的鉆孔數量提升30.6%，30 d單孔抽采濃度大于15%的鉆孔數量提升36.9%，有效提高了瓦斯抽采效率。

3.3 鉆孔數量對比分析

在12070 工作面掘進面的區域防突措施按原設計：需在工作面施工3 排42 個鉆孔，行間距為0.6 m；在采用高壓水力割縫技術之后，工作面布置2 排18 鉆孔，行間距1.0 m，減少打孔數24個，占原設計鉆孔的57.1%。實驗地點鉆孔數原、現設計對比結果可以看出，對比原有防突措施的數據，采用了高壓水力割縫技術之后，12070 工作面軌道順槽底抽巷抽采鉆孔數量減少了57.1%。

3.4 消突執行措施時間對比分析

校檢指標為殘余瓦斯含量W小于6 m3/t，達到了區域防突效果。從鉆孔數量和執行防突措施的過程來看，高壓水力割縫技術減少了執行防突措施的工程量，縮短了執行防突措施的時間；原有執行防突措施的實施時間與實施高壓水力割縫技術防突措施的實施時間對比可以看出，采用了高壓水力割縫技術之后，12070 工作面執行防突措施的時間減少了39.1%。

4 結論

1）分析研究了高壓水力割縫技術作用下煤層增透機理，高壓脈沖水在松軟低透氣性煤體中割縫，使得煤體斷裂損傷，產生宏觀裂紋和微裂隙，引起鉆孔周圍應力場變化，同時高壓脈沖水的脈沖作用和水壓靜態作用促使裂隙發展，卸壓帶范圍和煤層透氣性增大，強化煤層瓦斯解吸的同時增加了瓦斯的運移通道，使煤層透氣性進一步增大，為高效抽采瓦斯奠定了理論基礎。

2）通過12070 軌道順槽底抽巷現場試驗，測定高壓水力割縫技術將瓦斯抽放鉆孔有效影響抽放半徑擴大到5 m。現場實際應用后，通過鉆孔數量、消突時間對比發現，采用高壓水力割縫技術能減少瓦斯抽放鉆孔數量57.1%，縮短防突措施執行時間39.1%，實施穿層水力割縫技術具有擴大鉆孔抽采有效影響半徑范圍，減少鉆孔工程量，提高抽采效果等優點，對提高深部低滲透煤層的瓦斯抽采效果和縮短煤層瓦斯抽采達標時間有顯著作用。