煤層水力割縫技術的研究與應用

張鵬偉

（重慶松藻煤電有限責任公司 石壕煤礦，中國 重慶 401420）

石壕煤礦隸屬重慶松藻煤電有限責任公司，是渝黔地區主要的無煙煤生產基地，瓦斯等級鑒定為煤與瓦斯突出礦井。瓦斯治理一直是礦井生產的重點工作。加強對高瓦斯突出煤層的區域預抽工作是解決井瓦斯問題的重要指導方向，瓦斯治理工作一直采取區域預抽為先，局部治理為輔的治理方針。施工穿層鉆孔預抽煤層瓦斯一直是該礦治理瓦斯問題的重要手段。目前穿層鉆孔預抽受到煤層透氣性差的影響預抽效果不理想，而且預抽時間較長，嚴重影響了礦井保護層工作面的正常接替。因此提高穿層鉆孔透氣性及瓦斯抽采率成了解決該項問題的重點和難點。

1 水力割縫技術簡介

1.1 水力割縫系統

該系統由三部分組成:①高壓泵站，其作用是提供高壓水射流，提供具有割縫能力的水射流的能量；②鉆機，其作用是實現打鉆和退鉆功能；③配套割縫鉆頭鉆桿等，主要作用是輸送高壓水并形成煤體的切割作用。系統如圖1所示。

圖1 水力割縫系統連接圖

1.2 水力割縫增透技術

煤層中瓦斯分力游離瓦斯和吸耐瓦斯，其中吸附瓦斯含量占總含量的80%－90%。而瓦斯的這兩種狀態在－定的條件下又是可以相 互轉化的。瓦斯抽采工作是抽采煤層中的游離瓦斯，因此要想提高抽 放效果，不僅在抽采工藝、封孔質量上有所改進，更重要的是創造條 件讓煤層中的吸附瓦斯轉變成游離瓦斯。

針對高瓦斯低透氣性煤層瓦斯預抽采難的現狀，以及前人研究的瓦斯解吸機理。通過高壓水射流切割作用，可以實現人為增大煤體暴露面積，再造煤層中裂隙及微裂隙，疏通瓦斯流動通道，提高瓦斯解吸、釋放速度，達到實現較高的瓦斯抽采率的目的。高壓水力割縫增透原理如圖2所示。

圖2 水力割縫增透原理圖

2 水力割縫技術的現場試驗

2.1 試驗地點概況

N1632機巷沿6#煤層掘進，在掘進過程瓦斯涌出量較大，經常造成瓦斯超限，且有突出危險性，依據 《防治煤與瓦斯突出規定》要求，結合現場實際惰況，在煤層下方平行工作面機巷，與機巷平距為7m、與煤層下界垂距57m，布置底板抽采巷，實施底板穿層預抽煤巷條帶瓦斯措施（如圖3所示）。高壓水力割縫實施地點選擇N1632機巷條帶對應北三區5#瓦斯巷內的條帶預抽鉆孔，每個鉆場選擇距離N1632機巷最近的兩個鉆孔（交錯布置）進行水力割縫，控制N1632上工作面機巷。試驗地點位于底板茅口灰巖，距煤系M6煤層底板57米垂距，地表高程為+643～+673m，N1632上工作面機巷巷道高程為+217～+376m，其控制M6煤層平均高程在+296m，平均埋深361.7米。

圖3 N1632機巷條帶預抽鉆孔布置圖

2.2 試驗方案

割縫設備的選擇:鉆孔施工采用ZYG-750C型鉆機。高壓水力割縫采用專用的密封鉆桿、鉆頭、切割頭、水變頭、腳踏式高壓閥（可用高壓三通和截止閥替代），使用XQB2B(A)350/80乳化泵對鉆機用水加壓，乳化泵對供水壓力控制在20-25MPa之間。

鉆孔施工:首先采用ZYG-750C型鉆機施工鉆孔至設計層位，記錄好見煤位置，然后退鉆桿，重新采用水力割縫專用鉆桿和切縫器，對6#煤層進行切割（如圖4）。在鉆孔內運用高壓水射流對鉆孔二側的煤體進行切割，在鉆孔二側形成一條具有一定深度的扁平縫槽，利用水流將切割下來的煤塊帶出孔外，由于增加了煤體暴露面積，且扁平縫槽相當于局部范圍內開采了一層極薄的保護層，因此使得鉆孔附近煤體得到了局部卸壓，改善了瓦斯流動條件。

圖4 高壓水流煤層鉆孔割縫示意圖

在N三區5#瓦斯巷條帶孔選擇13#鉆場～26#鉆場進行水力割縫試驗，每個鉆場選擇靠近N1632機巷兩個鉆孔進行水力割縫鉆孔施工情況見表1。

表1 部分割縫孔施工情況統計表

3 應用效果分析

3.1 割縫半徑

為了考察出水力割縫的割縫半徑，先采用直徑Φ75mm金剛石鉆頭在N1631機巷溜煤眼以西巷道南邦施工1個孔深為1m的鉆孔，然后再采用專用水力割縫鉆桿、高壓水力割縫鉆頭對鉆孔進行割縫。然后采用人工沿鉆孔挖掘煤層觀察其割縫效果，并測定割縫的具體尺寸，根據測定結果得出，通過高壓水流在煤層內切割出一個直徑0.8m的裂縫。

3.2 割縫影響范圍

為了考察出采取了水力割縫措施的鉆孔的割縫影響范圍，選取其中5個鉆場，對整個鉆場的所有鉆孔的抽采濃度進行了測定，測定結果詳見表2。

表2 割縫鉆場抽采濃度考察統計表

從表中數據看出，每個鉆場的鉆孔濃度存在中間高，兩邊低的規律，特別是靠近割縫鉆孔的那個孔，濃度較高，說明該孔在水力割縫效果影響范圍內，由于鉆孔間距為7m,從而可以判斷水力割縫影響半徑大于鉆孔間距，即水力割縫影響半徑大于7米。然而相鄰的第二個孔鉆孔濃度普遍偏低，說明鉆孔水力割縫影響半徑小于兩倍鉆孔間距，水力割縫影響半徑小于14米，從考察出水力割縫影響半徑在7至14米之間。

3.3 瓦斯排放效果對比

現場施工中，為了更好的對比高壓水力割縫措施的效果，在同一條巷道里選擇了不同的鉆場位置進行分別施工考察。試驗了2組沒有采取高壓水力割縫措施的鉆孔，與采用了高壓水力割縫措施的鉆孔進行對比。在施工鉆場回風側安裝了一臺瓦斯檢測探頭，用于考察施工鉆場高壓水力割縫前后孔內瓦斯自然排放量的對比，試驗考察數據如表3所示。

表3 施工鉆場割縫前回風瓦斯濃度考察記錄

從上表可以看出割縫后鉆場回風側風流中的瓦斯濃度提高了0.18%～0.26%，這是由于水力割縫作用在煤體中形成了大量的人為裂隙，因形成裂隙而增加煤體暴露面積使瓦斯流動通道順暢、瓦斯壓力降低，解吸速度就會加快，并經鉆孔進入施工巷道內，造成瓦斯巷內風流中瓦斯濃度升高，說明采取水力割縫措施后，降低煤層瓦斯流動的阻力，使煤層內的瓦斯得到釋放。

3.4 瓦斯抽采效果對比

3.4.1 抽采濃度對比

在同一巷道內，分別選擇10個未采取高壓水力割縫措施的鉆孔和10個采取了高壓水力割縫措施的鉆孔對其抽采濃度進行測定，并進行對比分析，試驗測定結果如表4所示。

表4 割縫和未割縫鉆孔抽采濃度對比表

通過對比可以看出割縫前單孔濃度最高為67%，最低為11%，平均濃度為33.7%；采取高壓水力割縫措施后，孔內瓦斯抽采濃度大幅度提高，其中單孔濃度最高為88%，最低為14%，平均濃度為51.9%，與未采取水力割縫措施的鉆孔相比，平均單孔濃度提高18%，抽采效果增加比較明顯。

3.4.2 抽采純量對比

分別選擇1個水力割縫鉆孔和未水力割縫鉆孔，采用瓦斯流量表計量。水力割縫鉆孔平均流量為0.007457m3/min，未水力割縫鉆孔平均流量為0.005257m3/min，由此可以看出，經過水力割縫鉆孔比未割縫鉆孔瓦斯抽采流量平均提高44%，繪制出鉆孔抽采瞬時流量對比圖（詳見表5及圖5）。

表5 割縫鉆孔與未割縫鉆孔抽采流量統計表

圖5 割縫孔和未割縫孔抽采流量隨時間變化圖

沒有采取水力割縫鉆孔在剛開始抽采幾天內，濃度先是穩定在一定范圍內，然后逐漸降低，流量基本穩定。這是因為沒有采取水力割縫措施，鉆孔在剛形成的一段時問內，瓦斯較客易釋放。但是隨著時問推移，濃度越來越低，說明鉆孔有效影響半徑有限。采取水力割縫鉆孔由于水力割縫作用在煤體中形成了大量的入為裂隙，因形成裂隙而增人煤體暴露面積使瓦斯流動通道順暢、瓦斯壓力大大降低，解吸速度就會大大提高，從而保證抽采濃度和流量都保持較高。

由于高壓水力割縫技術在強化瓦斯抽采方面有比較明顯的效果，實驗小組在N1631下工作面機巷穿層上山揭煤抽放點實施了水力割縫措施，通過N1631下工作面南中部穿層上山揭煤抽放點比較。N1631下工作面機巷穿層上山抽采達標所需時間為10個月，而N1631下工作面南中部穿層上山抽采至達標則需要12.5個月，因此，采用水力割縫之后，對有利于縮短煤層瓦斯抽采周期，節約抽采成本。

4 結論

通過對高壓水力割縫技術在底板穿層預抽煤層鉆孔試驗，得出以下結論:

4.1 高壓水力割縫技術可以有效提高鉆孔影響半徑，當割縫壓力為25MPa左右時，能對切割出一個直徑0.8m裂縫，使煤巖應力發生變化，產生更多的裂縫，形成卸壓瓦斯通道，從而提高鉆孔有效抽采半徑7～14m。

4.2 高壓水力割縫技術的應用增大了單孔瓦斯抽采量44%，提高了單孔瓦斯抽采濃度18%。尤其針對高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯抽采治理工作具有非常重要的意義。

4.3 鑒于高壓水力割縫技術在強化瓦斯抽采方面的較好效果，將其應用在石門消突揭煤方面，有效縮地短了揭煤抽采周期2～3個月。

［1］林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術[M].徐州:中國礦業大學出版社，1998.

［2］孫家駿.水射流技術[M].徐州:中國礦業大學出版社，1992.

［3］林青，李寶玉，林柏泉.高壓磨料水力割縫防突技術[J].煤礦安全，2005.