突出特厚煤層超高壓水力化增滲技術及應用

何小軍HE Xiao-jun

（河南省新鄭煤電有限責任公司，新鄭 451184）

0 引言

煤與瓦斯突出主要是由地應力和瓦斯壓力共同作用下發生，這種說法一直得到許多學者一致贊同。然而，現場統計發現煤與瓦斯突出并未是瓦斯壓力起到主要作用[1]，例如，鄭州礦區有些煤礦瓦斯壓力小于煤與瓦斯突出鑒定臨界值0.74MPa，通過現場施工發現，煤層瓦斯壓力雖小，但是煤層瓦斯含量卻很大，煤層最大瓦斯含量接近20m3/t，該煤層具有煤與瓦斯突出危險性。為何該煤層測得瓦斯壓力較小的原因進行分析可知：該煤層屬于非常松軟煤層，煤層透氣性系數非常低，游離瓦斯占比小于10%，通過現場施工裸孔，孔口測得瓦斯濃度小于2%，絕大多數都是1%左右，鉆孔瓦斯涌出量小，鉆孔施工后出現塌孔，從而影響瓦斯抽采效果。

為了消除該煤層的突出危險性，一方面需要對于松軟特厚煤層采取底板巷穿層鉆孔抽采工作面瓦斯，消除煤層突出危險性。另外需要對該煤層進行卸壓增透，加大煤層裂隙為瓦斯運移產生通道[2-3]。

目前，我國超過80%以上的煤礦為地下開采，煤層埋深的增大，煤層透氣性變小，尤其是對松軟特厚煤層，透氣性更小，雖然煤層節理、裂隙發育好，但是煤層瓦斯流通的通道不連通，這樣對煤層瓦斯抽采增加難度，為了更好的消除煤層突出性。采用普通抽采鉆孔很難抽出煤層瓦斯[4-6]。為了抽采松軟特厚煤層瓦斯，相關研究學者進行了大量的試驗研究。其中：劉旭東[1]等通過高壓水力“割-壓”鉆孔周圍煤體潤濕范圍演化特征，為“割-壓”聯合增透條件煤層水分滲流規律，從而判斷水力壓裂技術的有效范圍；周雷[7]等通過理論研究水力壓割聯合增透理論，提出了壓割聯合增透模型，進行了數值模擬壓割聯合增透的裂隙發育規律，驗證了聯合增透的效果；林柏泉[8]等研究了水力化技術措施條件下多場耦合作用機理，驗證了水力化增透技術在松軟煤層中應用效果，結果表明水力化增透作用下增加了煤層的透氣性系數，抽采達標時間縮短了50%。

鑒于此，筆者鑒于趙家寨煤礦采掘接替現狀，決定采用超高壓水力割縫增透技術，增加極松軟低透氣性煤層滲透率，進一步擴大煤體裂隙。最后，通過理論分析、現場試驗，驗證了超高壓水力割縫增透技術，對提高極松軟煤層透氣性系數具有良好的效果。

1 松軟特厚煤層賦存特征

趙家寨煤礦主要可采煤層為二1 煤層，煤層瓦斯賦存規律呈西高東低的特征，最大煤層瓦斯壓力0.48MPa，瓦斯壓力整體偏小，但是瓦斯含量整體較大。目前研究的區域附近最大瓦斯含量為18.11m3/t，煤層透氣性系數0.078～0.178m2/（MPa2·d），測得二1 煤的堅固性系數f 值為0.09～0.31，瓦斯放散初速度ΔP 為15.7～22。

本次走向需要消突的區域為14201 上付巷煤巷回風聯巷，該巷道長度140m，傾向消突控制范圍上幫向上37.4m、下幫向下50m；煤層厚度2～26.4m，平均5.5m，煤層部分區域含有夾矸1～2 層，夾矸厚度0.10～2.27m，夾矸巖性多為泥巖和炭質泥巖，煤層結構整體簡單。

2 碎軟煤層水力割縫增滲技術

2.1 水力割縫原理

通過超高壓水力壓裂后，煤體瓦斯含量一定程度降低，壓裂孔周邊煤體應力一定幅度降低[9-10]。此時，通過超高壓水力割縫技術，對松軟煤體進一步卸壓，煤體內部孔裂隙大大增加[11-12]。創造了瓦斯運移和釋放的通道，提升瓦斯抽采效率，進而降低瓦斯含量與壓力，達到消突的目的[13]。水力割縫鉆孔與普通鉆孔增滲消突機制對比圖如圖1 所示。

圖1 水力割縫增透原理圖

2.2 水力割縫設備

水力割縫成套裝置主要包括金剛石鉆頭、水力割縫淺螺旋高壓密封鉆桿、超高壓旋轉水尾、超高壓清水泵、高低壓轉換割縫器、超高壓軟管、安全防脫等安全設施，其組成結構如圖2 所示。

圖2 超高壓水力割縫工藝示意圖

①水力割縫器：水力割縫時當水力壓力小于15MPa，水從割縫器前端噴出，鉆機可以正常鉆進，如圖3 所示；當水壓壓力大于15MPa，前端封閉，高壓水從割縫器側面射出如圖4 所示。

圖3 水壓小于15MPa 正常鉆進過程

圖4 水壓大于15MPa 正常割縫退鉆過程

②高壓軟管：主要連接超高壓旋轉水尾與超高壓清水泵。

③淺螺旋鉆桿：采用高強度無縫鋼管制作而成，鉆桿長度1000mm，外徑73mm，壁厚13mm，抗扭強度大于7200N·m。

④旋轉水尾：采用高壓動密封設計，工作壓力為150 MPa，流量為400L/min。

2.3 水力割縫設計優化

結合趙家寨煤礦目前瓦斯抽采實際情況，在工作面14201 上付巷回風聯巷掘進前，采用底板巷施工穿層鉆孔結合水力割縫，提高掘進煤巷條帶區域瓦斯抽采效率，實現快速降低煤層瓦斯含量。達到消突的為目的[14]。為提高割縫效率，底板巷穿層鉆孔設計為8×8 模式，即為單組扇形鉆孔孔間距設計為8m，每組設計鉆孔16 個，組間距也為8m。

底板巷穿層鉆孔從左到右鉆孔編號分別為1#～16#孔，鉆孔終孔點位置為穿過煤層頂板0.92m，上付巷回風聯巷上幫控制范圍37.4m，下幫控制范圍50m，終孔間距8m；鉆孔割縫從8#、9#鉆孔分別向兩側依次進行割縫。

圖5 底板巷穿層鉆孔水力割縫設計示意圖

3 水力化增滲效果分析

3.1 水力割縫半徑

水力割縫壓力為60MPa 左右，底板巷穿層鉆孔水力割縫時沖出大量煤粉，通過割縫卸煤量增加[15]，煤粉顆粒大小為0.01cm 左右，在高壓水射流和螺旋鉆桿的共同作用下，工作面14201 上付巷回風聯巷掘進工作面累計完成水射沖刷32 個鉆孔，每個鉆孔共沖刷次數3～7 刀，每次沖刷時間40～80min，平均單孔沖出煤粉量為7.2t[16]，平均每刀沖刷排屑量為1.2t。

π——圓周率3.14；

M——水射流沖刷后排出煤粉量，t；

r——水射流沖刷后縫隙的半徑，m；

h——縫隙的高度，根據地面試驗割縫后產生縫隙的高度為0.03～0.05m；

K——割縫后煤的損失率，K=0.85～0.95；

γ——煤的密度，t/m3。

根據公式（1）反算在每刀平均排出煤屑量M=1.2t 的條件下，割縫后形成縫槽半徑：r=2.51m。

3.2 瓦斯抽采純量分析

根據14201 上付巷回風聯巷割縫鉆孔抽采純量統計將平均單孔日抽采純量繪制如圖6 所示。

圖6 平均單孔純量變化趨勢

由圖可知：針對于14201 上付巷回風聯巷超高壓水力割縫增滲工藝后鉆孔抽采純量進行了統計分析，超高壓水力增滲鉆孔施工完成后，平均單孔日抽采純量大幅增加，平均單孔抽采純量峰值達到68.48m3/d。抽采39d 后，平均單孔日抽采純量出現衰減，平均值仍然保持在30.52m3/d。是未割縫區域鉆孔的瓦斯抽采純量12.42m3/d 的2.5 倍，割縫工藝后的抽采純量增加顯著。

3.3 殘余瓦斯含量測定

14201 上付巷回風聯巷在二1 煤層中掘進，該區域煤層平均瓦斯含量8.91m3/t。超高壓水力割縫增滲鉆孔抽采28d 后，在底抽巷施工3 個穿層鉆孔測量殘余瓦斯含量結果分別為5.61m3/t、4.71m3/t、5.74m3/t，數據顯示使用壓割工藝增加煤巖透氣性后，煤層瓦斯抽采效率得到顯著提升。

4 結論

①總結了松軟煤層水力割縫理論，并對水力割縫鉆孔設計進行了優化。②采用超高壓水力割縫增滲工藝后，瓦斯抽采日純量平均為30.52m3/d，是未割縫區域鉆孔的瓦斯抽采純量12.42m3/d 的2.5 倍，割縫工藝后的抽采純量增加顯著。③該區域煤層平均瓦斯含量8.91m3/t。割縫后鉆孔抽采28d 后，瓦斯含量降低到5.74m3/t，達到了突出煤層消突的目的。