低透氣性煤層水力割縫增透技術試驗研究

王 坤

(山西潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046102)

引 言

我國高瓦斯礦井煤層透氣性普遍較差，瓦斯抽采主要面臨著抽采鉆孔濃度低、流量衰減快、抽采時間長等問題[1-2]。同時，隨著煤礦開采深度的逐步增加，瓦斯涌出量急劇增大，瓦斯頻繁超限，嚴重制約煤礦安全生產，因此增加煤層透氣性成為提高礦井瓦斯抽采效率的關鍵性技術問題[3]。

水力割縫作為一種新型卸壓增透技術，目前很多學者對其進行了大量的理論與實踐研究。李曉紅等[4]模擬了高壓脈沖水射流瞬時動載荷作用下煤體裂隙場的變化規律，結果表明沖擊載荷作用可有效提高煤層透氣性；林柏泉等[5]研究了基于瓦斯治理的鉆割抽一體化技術，并開發了相應配套設備進行了應用；王正帥[6]將水力割縫技術應用于碎軟突出煤層瓦斯抽采，研究表明水力割縫鉆孔與普通抽采空相比，日單孔抽采純量至少提高2倍以上；劉孔智等[7]進行了高壓水射流自旋式割縫試驗，試驗發現水力切割鉆孔百米瓦斯自排量和瓦斯抽采量分別是非切割鉆孔的5.6和4.5倍。

1 水力割縫技術及增透機理

水力割縫技術是在20世紀50年代發展起來的一種新型切割技術，具有良好的切割、粉碎功能、且不產生粉塵，加工安全等優點，適用于存在易燃易爆物質和封閉的環境中，為我國水力增透技術的發展起到了促進作用[8]。

一般情況下，低滲透性煤層內部孔隙和裂隙都很小，通過強制增透技術措施，可有效增大煤體暴露面積,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放率的目的。水力割縫是首先在煤層中打一鉆孔，鉆機帶動高壓水鉆頭旋轉，利用高壓水射流對鉆孔兩側的煤體切割形成一個或多個縫槽，類似于在煤層內開采一個極小的巷道，改變煤層本身的內部結構，形成局部卸壓的條件，提高煤層透氣性，進而達到強化瓦斯抽采的目的[9-10]。

2 超高壓水力割縫設備

高壓水力割縫裝置主要由金剛石水力割縫鉆頭、水力割縫淺螺旋鉆桿、超高壓旋轉水尾、超高壓清水泵、高低壓轉換割縫器、超高壓膠管等組成。超高壓水力割縫工藝系統如第100頁圖1所示。

3 現場應用試驗

3.1 試驗地點概況

常村煤礦位于山西省屯留縣東部，礦區東西寬7.4 km，南北長17 km，面積約為107.381 8 km2。本礦采用立井單水平盤區式開采，2014年核定生產能力800萬t，屬高瓦斯礦井。

2105工作面回采3#煤層，煤層標高為+460 m，埋深500 m，煤層平均厚度為6.0 m，煤層傾角3°～5°。3#煤層屬于全區穩定可采煤層，該煤層位于山

圖1 超高壓水力割縫工藝示意圖

西組的中下部，是礦區主采煤層，該煤層的瓦斯基本參數，如表1所示。該工作面已施工部分順煤層鉆孔抽采，瓦斯抽采濃度較低，其瓦斯抽采效果可為評價順層鉆孔高壓水力割縫增透強化預抽效果提供良好的參照系。

表1 3#煤層瓦斯基本參數表

3.2 水力割縫試驗方案

3.2.1 切割半徑考察鉆孔布置

河北作為資源型缺水省份，由于降水少，沒有大江大河過境，客水資源嚴重不足等因素，每年實際用水量遠遠超過了水資源承載能力，尤其是地下水超采問題十分突出，無論是超采時間之長、超采數量之大，還是超采范圍之廣、超采危害之重，均已威脅到經濟社會的可持續發展，后果令人擔憂。為從根本上解決地下水超采問題，按照國家試點工作總體部署，將地下水超采治理作為改善生態環境的三件大事之一，突出重點，抓住關鍵，全力以赴打好超采治理攻堅戰。

在3#煤層2105工作面運輸順槽距離開口900 m～920 m施工6個鉆孔，孔徑均為94 mm，其中2個水力切割鉆孔，4個觀察孔。該組鉆孔主要通過考察出水鉆孔與切割鉆孔的間距確定切割孔的半徑大小。

3.2.2 瓦斯抽放量考察鉆孔布置

在3#煤層2105工作面運輸順槽距離開口930 m～960 m施工6個鉆孔，鉆孔間距6 m，孔徑94 mm，孔深80 m，其中1號～3號鉆孔為切割孔，4號～6號為對比考察孔，如圖2所示。

圖2 瓦斯抽放量鉆孔布置圖

每個鉆孔施工完畢后，要求立即封孔聯網抽采，6個鉆孔均安裝孔板流量計，詳細考察鉆孔瓦斯抽采效果。鉆孔連抽后要求每天測定單孔瓦斯抽采負壓、流量、濃度等參數。

3.2.3 百米鉆孔瓦斯自排量考察鉆孔布置

在2105工作面軌順施工4個鉆孔，鉆孔間距6 m，孔徑94 mm，孔深80 m，其中7、8號為切割孔，9號、10號為對比考察孔，如圖3所示。

圖3 百米瓦斯自排量鉆孔布置圖

要求每個鉆孔施工完畢后，用4分鍍鋅管立即進行封孔，單孔4分鍍鋅管長度不低于12 m，封孔完畢后，安裝燃氣表進行鉆孔瓦斯自排量測定，對兩組鉆孔的瓦斯自排量進行對比考察。

3.3 試驗效果分析

3.3.1 水力切割半徑考察

現場實際觀察鉆孔出水情況，如表2所示，由出水情況可判斷切割半徑可達1.5 m。

表2 切割半徑考察鉆孔出水情況

3.3.2 瓦斯抽放量考察

瓦斯抽放量考察鉆孔3個，非切割對比鉆孔3個，在切割完畢后立即對鉆孔進行封孔聯網抽采，記錄六個鉆孔施工后次日起的數據，每天觀測一次，共44 d。各鉆孔日瓦斯抽采純量隨抽采時間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 鉆孔瓦斯抽采量對比圖

由圖4可知，1號～3號切割鉆孔日抽采量明顯比4號～6號非切割鉆孔高，且瓦斯抽采量衰減速度慢，高流量抽采時間長。通過對各鉆孔瓦斯抽采量進行累加得到瓦斯抽采總量統計表，如表3所示。

表3 鉆孔瓦斯抽采總量統計表

由表3可知，1號～3號切割鉆孔瓦斯抽采總量明顯比4號～6號非切割鉆孔高，2號鉆孔瓦斯抽采總量最高為4 090 m3，是5號非切割鉆孔瓦斯抽采總量311 m3的13.15倍。

3.3.3 百米瓦斯自排量考察

通過觀測燃氣表12 d的數據得到各鉆孔瓦斯涌出量，如表4所示。

表4 鉆孔瓦斯涌出總量統計表

由表4可知，8號切割鉆孔瓦斯涌出總量最高為6 438 m3，是10號非切割鉆孔瓦斯自排量的6.03倍。

4 結論

1) 采用水力割縫技術后，煤層鉆孔瓦斯抽采量顯著提升，單鉆孔瓦斯抽采總量最高達4 090 m3，瓦斯抽采量最大提高到13.15倍。

2) 由于割縫后鉆孔暴露面積和卸壓影響范圍增大，造成瓦斯涌出量大幅度增加，切割鉆孔的瓦斯自排量是非切割鉆孔的6.03倍。

3) 鉆孔水力割縫后，改變了煤層本身的內部結構，形成局部卸壓的條件，提高了鉆孔的瓦斯抽采量及瓦斯抽采效率，縮短了瓦斯抽采達標時間，為我國低透氣性煤層瓦斯的治理提供了一條可借鑒的新方法、新工藝。