堅硬煤層超高壓水力割縫增透技術研究
2025-09-15 00:00:00王浩昌侯典臣
科技創新與應用 2025年24期
中圖分類號：U467.48 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0065-04
Abstract：InChinacoalseamshavelowpermeabilityanditisdificultforgasextractiontomeetstandards.Inorderto improvegasextractioneficiencyandatthesametimesolvetheproblemofpooslagremovalefectoftraditionalhydraulic measures，asetofultra-highpressurehydraulicslitingwithaworkingpressureofmorethan9OMPaisused.Theultra-high presure hydraulicslottedpressurerelief andpermeabilityenhancementtechnologyuseswaterasthemedium toscourandpeel offthecoalbodyaroundtheborehole，increasethenumberofcracksinthecoalbody，andimprovetheeficiencyofgas extraction.Itis the development direction of coal minegas disaster prevention measures one of the directions.
Keywords：hardcoalseam;ultra-hghpressure;hydraulicseamcutingpressurereliefandpermeabilityimprovementgasextraction
趙固二礦西翼措施巷二，煤層瓦斯含量在 9.33～ 14.80m3/t 之間，原始區域實測瓦斯壓力為 0.16～ 0.36MPa ，鉆孔瓦斯流量衰減系數在 0.1036～0.1546d-1 之間，二 1 煤層煤的堅固性系數在0.86～1.92，瓦斯放散初速度 ΔP 在28～42。
趙固二礦二 1 煤層煤質堅硬、透氣性差，穿層鉆孔有效影響半徑小，巷道百米鉆孔工程量達到 10000m 以上，鉆孔工程量大，抽采效率低，抽采達標時間長，嚴重制約了礦井采掘接替效率，尋求一種快速卸壓增透的瓦斯治理措施，以期解決施工底板穿層預抽鉆孔數量多、抽采達標時間長等難題。
1礦井基本概況
趙固二礦位于焦作煤田東部，西南距焦作市 55km 東南距新鄉市 37km ，設計生產能力180萬 Δt/a 井田范圍內以二 
煤層為開采煤層，總含煤面積約 37.0km2 ?？傎Y源儲量3.39億t，可采儲量1.40億t。
二，煤煤層平均傾角 4° ，煤層平均厚度 6m ，屬近水平厚煤層，煤層賦存穩定，煤層不易自燃，煤塵無爆炸危險性，屬低水、低灰、特低硫、低磷、高發熱量優質無煙煤。
2超高壓水力割縫試驗方案
2.1試驗割縫鉆孔設計
為了便于考察對比，在西膠帶大巷5橫貫位置設計施工2組穿層鉆孔進行工程試驗，鉆孔布孔方式 4m× 5m ，巖層距煤層方向距離不小于 15m ，每組施工鉆孔15個，均勻控制煤層巷道兩幫輪廓線外 30m ，鉆孔穿過煤層進行巖層深度不小于 1m 0
2.2割縫鉆屑量統計
為了考察計算割縫前后縫槽深度及寬度，現場采用窺視的方法和統計割縫后從鉆孔內沖出的煤量來表明。
對試驗孔進行超高壓水力割縫試驗后，用固定測量器具對抽采鉆孔的出煤量進行測定；對比孔在施工結束后，采用同樣的方法稱重。
2.3鉆孔瓦斯涌出初速度考察
為了考察超高壓水力割縫對鉆孔瓦斯涌出的影響，需測量割縫鉆孔與未割縫鉆孔的鉆孔瓦斯流量。試驗孔在進行超高壓水力割縫后立即測量其鉆孔瓦斯流量；對比孔同樣在打鉆結束后測量其鉆孔瓦斯流量，與試驗孔進行對比，并記錄數據。
2.4瓦斯抽采效果考察
超高壓水力割縫效果主要表現在瓦斯抽采純量是否顯著提高。統計割縫孔與未割縫孔的日抽采量及抽采濃度，即可表征割縫孔與未割縫孔的鉆孔瓦斯抽采難易程度。
對比孔在鉆孔施工完成后立即封孔聯抽，試驗孔在割縫完成后進行封孔聯抽。試驗孔與對比孔分別單獨安裝在線計量裝置，用于統計每組鉆孔的混合濃度及混合流量。
2.5抽采有效半徑考察
本次抽采有效半徑考察采用實測殘余含量加理論計算確定。
按照河南省煤礦瓦斯防治規定將殘余瓦斯含量 6m3/t 作為確定鉆孔抽采有效半徑的依據。試驗考察區 域抽采瓦斯總量可按下式計算
Q#H，Ξ=M×（W-6）
式中： M 為抽采鉆孔控制區域煤層質量；W為抽采鉆孔控制區域煤層瓦斯含量， m3/tc
抽采的鉆孔數量則按下式計算
N=Q#H：/Q#，
式中： Q#1/?′ 為試驗考察區域需抽采瓦斯總量， m3;Q 單一是進行抽采計量，二是對抽采量數據進行擬合分析，利用積分求解出不同時間的單孔抽采量。
3超高壓水力割縫試驗效果分析
趙固二礦超高壓水力割縫試驗效果考察第一次選擇割縫組鉆孔G225、G226與對比組鉆孔D222、D229進行對比考察；第二次選擇割縫組鉆孔G245、G246與對比組鉆孔D221D223進行對比考察。現分別從瓦斯抽采濃度、鉆孔瓦斯流量、瓦斯抽采純量及有效抽采半徑等方面進行對比分析。
3.1割縫組鉆孔排屑量統計分析
根據 G225.G226.G245.G246 組割縫鉆孔割縫實際情況，可以得出，60個割縫措施鉆孔平均出煤 0.8t ，平均每刀出煤 0.2t
此處用單刀出煤量反算等效割縫半徑如下
M=VxKxγ， 式中： V 為割縫后形成的圓柱體體積， m3;M 為割縫后排 出煤屑量， Ψt;K 為不均衡系數取 0.8;γ 為煤的容重， γ= 1.52t/m3 0
經計算，在出煤量為 0.2t. ，縫槽寬度為 0.02m 的情況下，割縫深度未 1.58m ；縫槽寬度為 0.05m 的情況下，縫槽深度為 1.02m ，考慮到煤質堅硬，結合窺視情況分析，綜合判斷割縫鉆孔形成的割縫深度為 1.2m 左右。
割縫措施孔鉆孔出氣量 0.003～0.129m3/min ，平均為0.034m3/min ，原生鉆孔出氣量 0～0.026m3/min ，平均為0.003m3/min ，割縫措施鉆孔單孔平均出氣量為對比組的10倍以上。
以上數據充分表明，在鉆孔內進行割縫后，鉆孔內形成了多個與鉆孔垂直的卸壓縫槽，隨著煤體的破碎，鉆孔影響區域擴大，瓦斯在鉆孔內的大量解析，單個鉆孔出氣量提升明顯，瓦斯治理效率顯著提高，割縫鉆孔與對比鉆孔瓦斯自排量變化曲線如圖1所示。
圖1割縫鉆孔與對比鉆孔瓦斯自排量變化曲線圖
3.2鉆孔瓦斯抽采效果對比分析
3.2.1 瓦斯抽采混量對比分析
因試驗過程中對抽采鉆孔封孔方式進行了優化，因此將第一次選擇的割縫組鉆孔命名為原割縫組鉆孔，第二次選擇的割縫組鉆孔命名為新割縫組鉆孔。將割縫組鉆孔和對比組鉆孔接入同一的抽采系統進行抽采，測定記錄瓦斯抽采混量數據。通過測定數據分析，原割縫鉆孔單組鉆孔瓦斯抽采混合流量 0.11～0.92m3/min ，單組鉆孔平均產氣流量 0.29m3/min 在相同的抽采時間內，對比組單組鉆孔混合抽采流量 0.042～0.42m3/min ，平均產氣流量 0.12m3/min 。第一組割縫鉆孔平均瓦斯抽采混合流量是對比組鉆孔的平均混合流量的2.42倍，原割縫組與原對比組鉆孔平均產氣混合流量曲線如圖2所示。
用同樣的方法，測定記錄的新割縫組鉆孔混合抽采流量為 0.13～0.42m3/min ，單組鉆孔平均產氣流量 0.21m3/min? 對比組鉆孔在優化后的封孔方式下，單組鉆孔混合抽采流量 0.21～0.04m3/min ，平均產氣流量 0.09m3/min. 。優化封孔方式后割縫組鉆孔混合平均出氣流量是對比組的鉆孔混合平均產氣流量的2.33倍，新割縫組與新對比組鉆孔平均抽采產氣混合流量曲線如圖3所示。
3.2.2 瓦斯抽采純量對比分析
同時為進一步分析割縫后鉆孔的抽采效果，對割縫組鉆孔與對比組鉆孔瓦斯抽采純量進行了考察分析。根據測定結果原割縫組瓦斯抽采純流量 0.03～ 0.08m3/min ，平均瓦斯抽采純流量 0.04m3/min 。在同一抽采系統內，原對比組孔瓦斯抽采純流量 0.005～ 0.05m3/min ，平均為 0.01m3/min 。將原割縫組鉆孔與對比組鉆孔產氣流量對比可得，經割縫后平均抽采純流量提高3倍（圖4），原割縫組與原對比組鉆孔平均抽采純量曲線如圖4所示。
用同樣的方法測定的新割縫組孔瓦斯抽采純流量0.04～0.09m3/min ，平均抽采純流量 0.06m3/min 新對比組孔抽采純流量 0.01～0.04m3/min ，平均為 0.02m3/min 。將新割縫組鉆孔與對比組鉆孔產氣流量對比可得，經割縫后平均抽采純流量提高2倍，新割縫組與對比組組孔抽采純流量變化曲線如圖5所示。
3.3抽采有效半徑對比分析
抽采有效半徑的是抽采鉆孔設計布置的依據，有效抽采半徑是否提高，是考察超高壓水力割縫試驗效果的重要參數。通過對割縫組鉆孔區域瓦斯原始含量及殘余含量的測定對比分析，產氣量實測數據計算和依據擬合曲線推算的抽采半徑對比分析，分別確定割縫組鉆孔有效抽采半徑和對比組鉆孔有效抽采半徑。
3.3.1 割縫組鉆孔抽采有效半徑分析
1）依據實測抽采數據計算抽采半徑。按照西膠帶大巷區域實測原始瓦斯含量最大值 15m3/t ，鉆孔控制有效區域 75m ，煤層厚度 6m ，容重 1.52t/m3 ，計算控制區域需抽采瓦斯量 24624m3 。按照不同的抽采達標時長（ 30～ 180d ，割縫后單孔平均抽采純流量計算鉆孔施工區域抽采達標時間需要的鉆孔數為78～17個，據此計算鉆孔有效抽采半徑為 0.98～2.13m 。
2）依據擬合曲線推算抽采半徑。將割縫鉆孔每日抽采數據進行擬合，擬合得出抽采衰減負指數曲線，數據相關性達 95% 以上，表明其衰減負指數曲線能有效代表西膠帶大巷割縫鉆孔單孔抽采瓦斯規律，可根據該抽采衰減負指數曲線公式積分解算西膠帶大巷割縫鉆孔抽采半徑。
由此推算割縫組鉆孔在抽采 30～180d 時間內，割縫組鉆孔有效抽采半徑 0.91～2.05m ，由此確定抽采 180d 的割縫組鉆孔有效抽采半徑為 2.05m
3.3.2對比組鉆孔抽采有效半徑分析
采用上述同樣的方法對對比組抽采鉆孔有效抽采半徑進行分析，確定對比組鉆孔在抽采 30～180d 的時間內，有效抽采半徑為 0.51～1.04m ，確定抽采 180d 對比組鉆孔有效抽采半徑為 1.04m?
3.3.3殘余瓦斯含量測定結果
在同一抽采系統內，將割縫組鉆孔連續抽采 150d 后，分別在距割縫組鉆孔0.5、1、1.5及 2m 位置取樣，測定小于 6m3/t 的區域在 1.5m 以內，大于 6m3/t 的區域在2m 位置，與線性擬合的結果，連續抽采 150d 鉆孔有效抽采半徑 1.87m 結果一致。
對于對比組鉆孔，所測殘余瓦斯含量在 0.5m 位置均小于 6m3/t ，在 1m 位置殘余瓦斯含量均大于 6m3/t ，可得出對比鉆孔在抽采 150d 后的有效抽采半徑應在 0.5～ 1m ，與抽采半徑計算結果 0.97m 相吻合。
4結論
在趙固二礦通過試驗考察、分析割縫鉆孔的出煤量、瓦斯自排量、瓦斯抽采量，并與未割縫鉆孔進行對比，得出以下結論：
1）割縫措施孔鉆孔出氣量 0.003～0.129m3/min ，平均為 0.034m3/min ，原生鉆孔出氣量 0～0.026m3/min ，平均為0.003m3/min ，割縫措施鉆孔單孔平均出氣量為對比組的10倍以上。
2）研究了適用于趙固二礦二煤層底板穿層鉆孔的超高壓割縫工藝技術，并完善了與之相配套的割縫防噴孔工藝及超高壓作業安全保障技術。
3）割縫前后瓦斯抽采量由提高了2～3倍，大大提高了瓦斯抽采效率，割縫效果顯著。
4）在抽采 150d 割縫鉆鉆孔有效抽采半徑（ 2.05m） 是對比組鉆孔有效抽采半徑（ （1.04m） 的1.97倍，能夠有效優化鉆孔布置，減少鉆孔工程量。
參考文獻：
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