大直徑長鉆孔定向水力割縫增抽瓦斯技術及應用

蘇士龍，高海海，郭凡勇，李文剛，衛國華，畢德純

(1.山西華晉吉寧煤業有限責任公司， 山西 臨汾 042100； 2.遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001)

煤礦瓦斯是我國煤礦重特大災害事故的首要致災因素，我國80%以上的礦井都具有瓦斯含量高、煤層滲透性低、吸附特性高、煤儲層壓力大、瓦斯抽采量低、抽采成本高等特點[1]，導致瓦斯抽采困難。目前，國內外科研人員通常采用密集鉆孔抽放、水力沖孔、加砂致裂預抽、擴大鉆孔直徑等手段來增加煤層裂隙，提高煤層透氣性，以提高瓦斯抽采效率，消除煤層突出危險性。裴昌合等[2]研究了千秋煤礦21121綜放工作面利用大直徑水平長鉆孔抽放瓦斯的技術方法和效果，得出了采用高位鉆場大直徑水平長鉆孔瓦斯抽放技術具有抽放流量大，鉆孔利用率高，抽放效果穩定等優點。李艷增[3]利用導向槽和控制鉆孔共同定向作用實現導向槽鉆孔與控制鉆孔間煤體的定向水力壓穿，實現了煤層卸壓和增加煤層透氣性。王念紅等[4]研究了水力割縫前后瓦斯抽放濃度變化以及割縫后巷道內的變化，得出水力割縫技術提高抽放濃度和抽放量的效果明顯。蔡峰等[5]研究了井下煤層水力割縫強化增透技術，實現了煤層氣的強化增透和抽采，有效地解決了煤層氣抽采的時效性難題,為相似條件下的煤層氣強化抽采提供借鑒。這些技術在礦井瓦斯治理中發揮了很好的作用，但并沒有把這幾項技術系統地結合起來應用，存在割縫結束后，由于割縫孔內水壓高，易發生噴孔和塌孔現象，不宜直接排水的問題，為此有必要探索新的增透技術，提高瓦斯抽采效率。

以華晉吉寧煤業有限責任公司2107膠帶巷為研究背景，采用大直徑長鉆孔定向水力割縫技術[6-8]增加煤層透氣性，促進瓦斯解吸，通過孔口保壓技術，保證孔內壓力緩慢降低，直至降低至煤層瓦斯壓力后，開始排水作業。由于水力割縫實施后增透方向的隨機性，使應力集中無法順利釋放，易誘發事故。因此，采用定向水力割縫增透技術[9-10]，來實現煤層卸壓促進瓦斯抽采。

1 試驗礦井概況

華晉吉寧煤業有限責任公司主要開采層為2#煤層，位于山西組中下部，全區穩定可采。煤層厚度5.69～7.20 m，平均6.30 m，含0～2層夾矸，一般含1層夾石，夾矸厚度0～0.42 m，平均0.24 m，結構簡單。頂底板一般為泥巖或粉砂巖，泥巖占60%左右，厚度在1.70～3.20 m，底板多為泥巖或粉砂巖，泥巖占60%～70%，厚度2.20～3.50 m，該煤層屬穩定的全區可采煤層。2#煤層絕對瓦斯壓力為0.42 MPa，最大相對瓦斯涌出量21.79 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量137.54 m3/min，煤層透氣性系數為0.023 008～0.085 813 m2/(MPa2·d)，均小于0.1 m2/(MPa2·d)，原煤瓦斯含量平均8.23 m3/t，屬較難抽放煤層，煤層堅固性系數f=0.6，屬于高瓦斯礦井。在2107膠帶運輸巷取樣，煤樣工業分析結果為水分Mad0.82%，灰分Ad36.29%，揮發分Vdaf20.74%，固定碳FCad42.15%.

2 水力割縫增透機理

水力割縫技術主要是利用高壓水射流對鉆孔的煤層段進行切割。首先設計施工鉆孔，然后在鉆孔內利用高壓水射流沿孔對煤體進行切割，同時通過高壓水射流鉆桿沿鉆孔軸向移動擴大鉆孔煤層段直徑，并利用水流將切割下來的煤體排出孔外，煤層在地應力和瓦斯壓力作用下產生不均勻的變形和破壞，甚至可以使相鄰鉆孔相互貫通，為瓦斯的解吸和流動提供通道。由于高壓水射流強烈的切割、沖擊作用，鉆孔周圍部分煤體被高壓水擊落沖走，形成較深的孔洞空間，增加了煤體的暴露面積，使周圍煤體發生激烈的位移和膨脹，增加了煤體中的裂隙、改變了煤體的物理性質，并導致原始應力重新分布；同時伴隨煤體膨脹變形，影響范圍逐漸擴大，孔隙增加，透氣性增大，導致較遠處的瓦斯也不斷地涌向孔道，其結果是抽出的瓦斯量遠大于原煤瓦斯量，提高抽放效率，有效降低割縫附近煤體的煤層瓦斯含量。由于鉆孔附近的煤體在一定范圍內得到較充分的卸壓，瓦斯含量減小，煤層透氣性增加，從而有效地抽放瓦斯，達到消除煤與瓦斯突出的作用[11-12].

水力割縫系統是由水箱、高壓水泵、溢流閥、操作臺、鉆機、分水器、密封鉆桿、一體化鉆頭等組成，水力割縫工藝系統見圖1.

1—水箱 2—高壓水泵 3—溢流閥 4—操作臺 5—鉆機6—分水器 7—密封鉆桿 8—一體化鉆頭圖1 水力割縫工藝示意圖

3 水力割縫增透技術應用

3.1 水力割縫鉆孔設計

實驗地點在華晉吉寧煤業有限責任公司2#煤層2107膠帶運輸巷(圖2)，巷道高3 m. 該礦原采用兩排d133 mm，長為200 m的密集鉆孔進行瓦斯抽采，采用定向水力割縫技術。在鉆孔設計時需要考慮的問題是既要達到卸壓、增透效果，又要減少鉆孔的數量降低成本，依據該巷道沿頂板掘進的特征，該實驗鉆孔設計見圖3.

圖2 試驗地點位置圖

圖3 鉆孔布置圖

3.2 試驗過程

首先用鉆機鉆出深150 m、d133 mm的鉆孔，然后將高壓水射流高壓密封專用鉆桿(d73 mm)與高壓水射流專用鉆頭一體化裝置送入孔底，每組鉆孔應按照從里到外的順序對預定的割縫位置進行割縫。割縫結束后，采用封孔器封孔。將封孔器用推桿送至鉆孔15 m深處，向封隔器內注入高壓水，壓力達到設定值后即可開始割縫試驗。對所有鉆孔按照抽采鉆孔要求進行封孔，封孔長度8 m以上，將鉆孔分別安裝流量計后，接入瓦斯抽采系統進行瓦斯抽采效果考察。

4 水力割縫卸壓增透效果分析

為了評估瓦斯抽采效果，2019年7月1日—2019年9月30日，每天測試普通孔、割縫孔瓦斯抽采參數變化，割縫鉆孔瓦斯抽采參數變化曲線(由于篇幅原因，僅列出7#與10#鉆孔)見圖4，未割縫孔瓦斯抽采參數變化曲線(僅列出補2#與補7#鉆孔)見圖5，割縫孔與未割縫孔的相關參數見表1，2.

圖4 割縫鉆孔瓦斯抽采參數變化曲線圖

圖5 普通鉆孔瓦斯抽采參數變化曲線圖

由表1和表2可知，試驗孔平均瓦斯抽采純量0.028 2 m3/min是普通孔平均瓦斯抽采純量0.003 5 m3/min的8.06倍。采用水力割縫后，試驗孔平均瓦斯抽采流量0.094 6 m3/min是普通鉆孔平均瓦斯抽采流量0.017 2 m3/min的5.5倍，表明水力割縫后有效增加了煤層透氣性。由此可見，水力割縫效果顯著，具有卸壓增透作用，有助于瓦斯抽采。普通孔與割縫孔平均瓦斯濃度對比見圖6.

表1 割縫鉆孔瓦斯抽采參數表

表2 普通鉆孔瓦斯抽采參數表

圖6 普通孔與割縫孔平均瓦斯濃度對比圖

由圖6可看出，普通孔30天、60天和91天的平均瓦斯濃度分別為25.29%、21.68%、19.84%，而割縫孔在30天、60天和91天的平均瓦斯濃度分別為26.74%、26.59%、26.57%. 同普通孔相比，60天后割縫孔瓦斯抽采提高率分別為5.73%、22.65%、33.92%. 由此可見，水力割縫顯著提高了瓦斯抽采效果，具有卸壓增透作用。

5 結 論

1) 采用水力割縫后平均抽采流量是普通鉆孔的5.5倍，試驗孔平均瓦斯抽采純量是普通孔平均瓦斯抽采純量的8.06倍，表明水力割縫有效增加了煤層透氣性。

2) 通過分析瓦斯抽采濃度可以看出，60 d后同普通孔相比，割縫孔瓦斯抽采提高率分別為5.73%、22.65%、33.92%，得出水力割縫后瓦斯抽采濃度增加明顯，表明水力割縫增透促抽瓦斯效果比較顯著。

3) 水力割縫時割出大量煤，煤層暴露面積和卸壓范圍增加，切割排出大量煤炭本身也緩解了煤體的應力狀況，為瓦斯抽采提供了有利條件。