基于綠塘煤礦超高壓水力割縫增透試驗的研究

楊華富

（大方綠塘煤礦有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551700）

1 工程地質(zhì)條件

6中S204回風(fēng)順槽為6中S204工作面的回風(fēng)巷道，煤層厚度平均3.55m，平均傾角6°，沿6中煤層傾向向上掘進，煤層底板標高處于+1800～+1900之間，地表標高為+1985～+2275m，埋深處于185～425m。6中S204回風(fēng)順槽實測煤層瓦斯含量7～15m3/t，瓦斯壓力為 0.23-1.10MPa，堅固性系數(shù) f為 0.46～0.55，瓦斯放散初速度平均為34，煤層透氣性系數(shù)0.3424～1.2752，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.0112～0.0404。

2 超高壓水力割縫增透技術(shù)原理

超高壓水力割縫技術(shù)就是通過對水流進行加壓處理，使水流能夠高速的噴射而出，從而切割、沖擊鉆孔段的煤層，切割完的煤體會釋放一定程度的應(yīng)力并形成一條不連續(xù)的裂縫，在煤體內(nèi)原始應(yīng)力和瓦斯壓力的雙重作用下，煤體的破壞和破壞又會進一步加劇，在合適的條件下，甚至能夠貫通相鄰的鉆孔，加大瓦斯流動性。水力割縫之后的鉆孔內(nèi)部形成的眾多裂隙，有助于瓦斯的流動和釋放，使得抽取瓦斯的難度會很大程度的降低，抽取效率也會增加。

3 6中S204回風(fēng)順槽現(xiàn)場試驗鉆孔

3.1 鉆孔設(shè)計方案

6中S204回風(fēng)順槽煤巷條帶共設(shè)計7個順層鉆孔，其中2、4、6#鉆孔進行水力割縫，每隔3m割一刀，每個鉆孔割縫12-13刀，其余1、3、5、7#鉆孔為卸壓抽采孔。其鉆孔布置設(shè)計平面圖如圖1所示。

圖1 6中S204回風(fēng)順槽煤巷條帶順層鉆孔布置設(shè)計平面圖

3.2 割縫鉆孔排屑量統(tǒng)計

表1 6中S204回風(fēng)順槽的2、4、6#割縫鉆孔

在 6中S204回風(fēng)順槽 H3+158-218m的 2、4、6#鉆孔割縫試驗過程，每個鉆孔割縫12-16刀，每刀排屑量統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

3.3 割縫縫槽半徑分析

試驗階段煤孔段割縫間距為3m，以2、4#割縫鉆孔進行分析，割縫刀數(shù)為12-16刀，單刀割縫實際時間約3-5min，單孔割縫時間約為3小時，單孔出煤量3.8-4.2t，平均每刀割縫排屑量為0.26-0.32t。其割縫半徑計算公式如式（1）所示。

式中：π為圓周率3.14；M為割縫后排出煤屑量t；r為割縫后縫隙的半徑m；H為割縫后縫隙的高度m，根據(jù)地面試驗割縫后產(chǎn)生縫隙的高度約為0.01m；K為割縫后產(chǎn)生煤屑的碎漲系數(shù)，K=1.1～1.3；γ為煤的容重，γ=1.55t/m3。

把割縫形成的縫隙視為一個圓柱體，根據(jù)公式(1)反算在每刀平均排出煤屑量M=0.26-0.32t的條件下，割縫后形成縫槽半徑r=2.02～2.24m。

3.4 水力割縫合理壓力確定

在進行6中S204回風(fēng)順槽H3+158-218m的4#鉆孔割縫試驗時，分別試驗30、50、70、100MPa割縫壓力的返渣情況。

當割縫試驗壓力小于70MPa時，煤體被切割為均為的小顆粒，粒度為0.5～1.5cm，在水和螺旋鉆桿的共同作用下，順利排到孔口，割縫過程中未出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，6中S204回風(fēng)順槽回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.30%，無瓦斯涌出異常現(xiàn)象。當割縫壓力增大至100MPa時，鉆孔孔口返渣量大，偶有堵孔現(xiàn)象，因此確定6中S204回風(fēng)順槽煤層的割縫的合理壓力為60-70MPa。

4 超高壓水力割縫增透抽采效果分析

4.1 割縫前后抽采純量對比分析

超高壓水力割縫鉆孔施工完成后立即封孔聯(lián)抽，每天分別對試驗孔及頂板抽采巷鉆場預(yù)抽鉆孔的抽采純量觀測及記錄，并對頂板抽采巷抽采鉆孔割縫前及上一評價單元順層鉆孔的單孔抽采純量數(shù)據(jù)進行了收集，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖2、圖3所示。

由圖2分析可知，采用高壓水力割縫后，順層鉆孔單孔平均抽放純量為0.031～0.059m3/min，與上一評價單元采順層鉆孔平均單孔抽放純量為0.013～0.018m3/min相比單孔瓦斯抽放純量提高了2.4倍以上；由圖3分析可知，采用高壓水力割縫前，8號鉆場平均單孔抽放純量為0.00036～0.00205m3/min，采用高壓水力割縫技術(shù)后，單孔平均抽放純量為0.026～0.058m3/min，可見采用采用高壓水力割縫后，頂抽巷平均單孔抽放純量提高了72倍以上。

圖2 順層鉆孔單孔割縫前后平均純流量對比

圖3 頂抽巷穿層鉆孔割縫前平均純流量對比

4.2 割縫前后抽采達標時間對比分析

本試驗段實施高壓水射流切縫技術(shù)的鉆孔施工及割縫時間為3d，預(yù)抽時間為13d，效果檢驗指標最大殘余瓦斯含量為7.3m3/t，達到了消突和抽采達標的標準，并進行巷道掘進。

表2 時情況對比表

從表2鉆孔施工時間、抽采達標時間的數(shù)據(jù)對比可以看出：實施高壓水射流割縫鉆孔工程量減少，抽采達標用時得以減少。實施高壓水射流割縫與未實施高壓水射流割縫用時情況對比數(shù)據(jù)可以分析得到，煤層實施高壓水射流割縫后，抽采達標時間縮短85%以上，達到了預(yù)期的目標。

4.3 掘進期間驗證指標及回風(fēng)瓦斯?jié)舛确治?/h3>

6中S204回風(fēng)順槽（H3+158-218m）掘進期間實測的區(qū)域驗證的鉆屑瓦斯解吸指標K1值處于0.02～0.16ml/g.min1/2之間、鉆屑量 S值處于1.6～2.0kg/m之間，均未超過《防突規(guī)定》推薦的工作面突出預(yù)測指標臨界值0.5ml/g.min1/2、6.0kg/m且所測指標較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，期間炮后回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.24%，最大絕對瓦斯涌出量為1.17m3/min，未出現(xiàn)異常瓦斯涌出的情況，實現(xiàn)了4天掘進40m的煤層巷道安全快速掘進。

4.4 節(jié)約鉆孔工程量分析

在6中S204回風(fēng)順槽外段沿6中煤層掘進過程中，按上一個評價單元設(shè)計，需施工51個順層預(yù)抽孔和173個頂板穿層排孔。在采用超高壓水力割縫技術(shù)之后，煤巷條帶每60m循環(huán)僅施工順層預(yù)抽鉆孔數(shù)至7個，每循環(huán)可減少鉆孔工程量11937m，其中減少順層鉆孔工程量約3060m和穿層鉆孔工程量約8877m。

5 結(jié) 論

采用超高壓水力割縫增透措施在綠塘煤礦6中S204回風(fēng)順槽（H3+158-218m）進行了現(xiàn)場試驗，并對其抽采效果進行考察分析，得出如下結(jié)論：

1）綠塘煤礦6中煤層采用超高壓水力割縫增透措施后經(jīng)濟效益和安全效益提高明顯，煤層透氣性顯著增加，瓦斯抽采效率大幅度提高。

2）超高壓水力割縫技術(shù)可以提高預(yù)抽鉆孔抽采量，順層割縫單孔平均抽放純量為0.031～0.059 m3/min，是采用原工藝鉆孔的2.4倍以上；頂板巷穿層割縫單孔平均抽放純量為0.026～0.058m3/min，是割縫前的72倍以上。

3）超高壓水力割縫技術(shù)可以大幅減少預(yù)抽鉆孔工程量，減少預(yù)抽鉆孔工程量11937m，與原計劃相比，減少大約3個月的抽采時間，也大幅度縮短抽采達標時間。

4）6中S204回風(fēng)順槽（H3+158-218m）掘進期間的區(qū)域驗證指標不超標和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔怀蓿蜻M速度明顯提高，利于實現(xiàn)安全生產(chǎn)。