水力割缝技术在金河煤矿瓦斯抽放中的应用

白文秀++赫海全

摘 要：煤层瓦斯是一种优质高效的洁净能源，同时又是威胁煤矿安全生产的主要灾害源之一。有效地抽采煤层中的瓦斯是减少矿井瓦斯事故的最有效方法之一，而我国多数煤层属于低渗透煤层，解决低渗透层瓦斯抽采已成为确保煤矿安全生产、提高煤矿生产效率的关键问题。金河煤矿七采区煤层透气性差，为缩短七采区瓦斯抽采达标时间和减少钻孔工程量，该文进行了高压水力切割增透抽采瓦斯技术及其应用研究。

关键词：低渗透煤层 瓦斯抽采 割缝 增透 高压水射流

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（c）-0032-03

Hydraulic Slotting Technology in Low Permeability Coal Seam Gas Drainage Application

Bai Wenxiu He Haiquan

（Gold River Mine Yaojie Coal and Electricity Group Co. Ltd.， Lanzhou Gansu， 730000， China）

Abstract：Coal seam gas is a kind of high quality and efficient clean energy， and it is also one of the main disaster sources that threaten the safety of coal mine production. Effective gas drainage in coal seam is one of the most effective methods to reduce the mine gas accident， and most of China's coal seam belongs to low permeability coal seam， solve the low permeability gas drainage to ensure the safety of coal mine production， has become a key issue to improve the production efficiency of the coal mine. Jinhe coal mine seven mining area coal seam permeability， reduce drilling volume to shorten the 7 area gas drainage time and standard， this paper Ar pressure hydraulic cutting technology and Its Application Research on gas drainage.

Key Words：Low permeability coal seam； Gas drainage； Cutting； Permeability； High pressure water jet

金河煤礦经过矿井升级改造，年核定的综合生产能力为120万t，其一号井的开拓方式为平峒开拓，现七采区是主要生产采区，地质构造极为复杂，煤层埋藏深度平均为663 m，主要可采煤层为煤二层，平均厚度为18.91 m，煤层比较稳定，小断裂发育，煤层的连续性和完整性遭到严重破坏，由于受到地质条件方面的限制，油页岩保护层工作面无法布置；17204工作面在近几年进行了瓦斯抽放，原本计划于2014年开始开采，但由于该区域残存的吨煤瓦斯含量还大于《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值8 m3/t[1]，制约17204工作面的开采工期。17204工作面是金河煤矿七采区设计的第一块煤二层工作面，由于七采区煤层的透气性较差，所以其地应力比较集中，且瓦斯压力也较高，这是该矿防突工作的重点和难点。如何消除七采区构造复杂区域煤二层的突出危险，对工作面安全掘进和回采具有十分突出的意义。随着生产主战场向七采区的转移，靠现有单一瓦斯抽放钻孔方法进行瓦斯抽放效果不佳的矛盾日益突出，为了缩短七采区瓦斯抽采达标的时间同时减少钻孔工程量，决定在金河煤矿实施煤层高压水力切割增透抽采瓦斯技术。当然，这对于该矿的安全生产也极具现实意义。以17204工作面下部底抽巷穿层钻孔煤层段进行高压水射流割缝为研究对象，确定该技术实施前后的瓦斯抽放效果，考察局部强化抽放的实际效果。

1 项目实施原理

钻孔水射流式煤层割缝形成装置是利用高压水射流，使钻孔的煤层段人为再造裂隙，大大增加了裂隙与空气接触，相当于煤体与空气的接触面增加了，这样一来这些小裂隙就构成了瓦斯流动通道，使得瓦斯解吸速度加快，提高煤层的透气性，降低了煤层瓦斯的抽放难度，煤层瓦斯的释放速度大大提高，最终起到卸压作用，达到加快瓦斯抽放的目的[2-3]。高压水射流钻孔、割缝（瓦斯抽放孔）一体化作业的施工工艺为：第一步，钻孔。射流钻孔无论从施工设备来说还是从工艺上来说都与传统钻孔是相同的，射流钻孔时只需将钻孔深度钻到所需孔深即可，并不需要其他的操作。第二步，在退钻过程中，按照需要的间距对已经形成的瓦斯抽放孔进行切割，当达到设计的停切位置时就停止切割[4-5]。该矿采用了KFS98-65型钻孔水射流式煤层割缝形成装置，其主要技术参数见表1，高压水射流钻割一体化施工工艺见图1。

根据该矿生产接续及防突、瓦斯抽放要求，将KFS98-65型水射流式煤层割缝形成装置在17204底抽巷七、八、两个钻场进行实施，因为金河矿17204底抽巷已经完成的穿层抽放钻孔的孔径全部都是75 mm，这远远小于水力割缝装置切割头所需要的孔径，所以要先把已施工的钻孔进行扩大，以满足水力割缝装置切割头所需的94 mm的孔径要求[6-7]，之后再进行水力切割。

2 项目应用

2.1 17204底抽巷七钻场试验情况

在17204底抽巷七钻场选用17204-1回风顺槽巷道轮廓线10 m范围的10个钻孔对煤层段进行割缝，钻孔布置及参数见图2。

由七钻场扩孔情况可以看出，七钻场由于塌孔十分严重，所以无法进行切割，因此改用高压水力冲孔，以增大钻孔抽放浓度，冲孔后比冲孔前抽放浓度平均增大了9.3%、流量平均增大了0.19 m3/min。

2.2 17204底抽巷八钻场试验情况

在17204底抽巷八钻场选用17204-1进风顺槽巷道轮廓线10 m范围的10个钻孔对煤层段进行割缝，钻孔布置及参数见图3。

由八钻场割缝情况看，八钻场割缝后比割缝前抽放浓度平均增大了9.99%、流量平均增大了0.07 m3/min。单孔CH4平均抽放浓度从1.21%增大到3.0%，相对增大了1.79%，单孔CH4绝对抽放量从5.62 m3/d增大到14.69 m3/d，单孔CH4抽放量相对增大了9.07 m3/d（见图4）；单孔CO2平均抽放浓度从5.03%增大到8.94%，相对增大了3.91%，单孔CO2绝对抽放量从24.63 m3/d增大到43.77 m3/d，單孔CO2抽放量相对增大了19.14 m3/d，即单孔混合抽放量增大了28.21 m3/d。10个钻孔共切割43刀，共排出煤粉2.15 m3，即2.86T，八钻场因8个钻孔扩孔及割缝塌孔严重，总体上效果不佳（见图5）。

3 结论

KFS98-65型钻孔水射流式煤层割缝形成装置是通过高压水将煤层从煤体剥落，这样一来抽采钻孔内煤体暴露面积将会大大增加，从而达到理想的煤层瓦斯抽采效果。根据17204底抽巷七、八钻场煤层水力割缝情况综合分析，水力割缝技术达到了理想的瓦斯抽放效果，大大提高了瓦斯抽放效率，现将效果分析如下。

（1）单孔煤层瓦斯的抽放浓度平均提高了21.538%，甚至有些已达到30.5%，单孔CH4抽放浓度从3.58%增大到7.705%，增大了4.125%，单孔CO2平均抽放浓度从14.069%增大到31.482%，增大了17.413%。

（2）单孔瓦斯抽放流量平均提高0.158 m3/min，部分情况达到0.26 m3/min。

（3）单孔CH4绝对抽放量从11.60 m3/d增大到42.47 m3/d，单孔CH4抽放量增大了30.87 m3/d，增大266%；单孔CO2绝对抽放量从45.36 m3/d增大到173.6 m3/d，单孔CO2抽放量增大了128.24 m3/d，增大282.7%，即单孔混合的抽放量增大了159.11 m3/d。

参考文献

[1] 朱志敏，沈冰，蒋刚.煤层气开发利用现状与发展方向[J].矿产综合利用，2006（6）：40-42.

[2] 冯增朝.低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究[D].太原：太原理工大学，2005.

[3] Xianyu Huang.Eerly Diagenesis of Peat Lipids and Their Responses to the Climate Changes Over the Past 13ka：Evidence from the Dajiuhu Peat Deposit[D].北京：中国地质大学，2009.

[4] 赵阳升，杨栋，胡耀青，等.低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究[J].煤炭学报，2001，26（5）：455-458.

[5] 刘明举，孔留安，郝富昌，等.水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用[J].煤炭学报，2005，30（4）：451-454.

[6] 孙平.煤层气成藏条件与成藏过程分析[D].重庆：重庆大学，2007.

[7] 国家发展和改革委员会.煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十一五”规划[R].2006.