条带预抽钻孔超高压水力割缝卸压增透试验研究

雷刚 杜茂

摘要：石屏一矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层为突出煤层，煤层透气性较差，瓦斯治理工程量大，抽采达标时间长，严重制约矿井的采掘接替，通过顺层钻孔采取增透技术，增加了煤体暴露面积，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造良好条件，提高了抽采浓度及抽采效果，减少施钻工程量和抽采达标时间，促进了巷道的安全、快速掘进。应用结果证明该技术非常成熟，效果明显，达到了预期目的。

关键词：煤层；条带预抽瓦斯；超高压；水力割缝；卸压增透

引言：

石屏一矿位于四川省泸州市古蔺县境内，目前采掘接替紧张是制约矿井发展的重要因素之一，随着地质构造复杂多变以及开采深度的延伸，矿井主采的C19煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大，均超过临界值，瓦斯灾害越来越突出，巷道掘进过程中瓦斯影响越来越大，危险性越来越高，大大降低了掘进进度。为了提高煤巷掘进速度，C19煤层必须采取区域瓦斯防治措施。

水力割缝技术广泛应用在煤矿井下瓦斯治理方面[1-3]，该技术通过高压水射流切割媒体，提高煤层局部区域裂隙率和煤层暴露面积，达到提高瓦斯抽采率的目的。现场常用的水力割缝技术为高压纯水射流、高压脉冲射流[4]、高压磨料射流[5-6]或与其他技术等相结合的一体化技术。高压纯水射流在遇到硬煤层时无法实现有效切割；现场采用的磨料射流为前混合磨料，无法保证射流的连续性；一体化技术包括：钻割一体化、钻-冲-割一体化、割缝-压裂结合技术等。

1 超高压水力割缝装置

1.1 GF-100型超高压水力割缝装置结构

GF-100型超高压水力割缝装置主要由金刚石复合片钻头、水力割缝浅螺旋整体钻杆、超高压旋转水尾、超高压清水泵、高低压转换割缝器、超高压软管等组成。

1.2 工作原理

高压旋转水射流割缝增加了煤体暴露面积，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，缝槽上下的煤体在一定范围内得到较充分的卸压，增大了煤层的透气性。缝槽在地压的作用下，周围煤体产生空间移动，扩大了缝槽卸压、排瓦斯范围。在高压旋转水射流的切割、冲击作用下，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成扁平缝槽空间，增加了煤体中的裂隙，可大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，缓和煤体和围岩中的应力紧张状态，既可削弱或消除突出的动力，又可提高煤层的强度，起到防突作用，并提高透气性和瓦斯释放能力。

2 超高压水力割缝试验方案

2.1试验区域概况

此次试验地点为11719机巷（东），地面标高+731.07 m～+946.1 m，埋深282.4 m～497.4 m，该巷道在115回风石门内挂口，挂口坐标：X=3105470.165，Y=35602253.128，顺C19煤层施工。

该巷开口时煤层平均厚度在2.2 m左右，该巷施工至410 m段时煤层平均厚度在1.5 m左右。11719机巷（东）未进行保护层开采，属于未保护区域。通过对石屏一矿的相关基础资料的分析可知，C19煤层原始瓦斯压力P=0.96～1.45 MPa，煤层平均瓦斯含量W=11.37～13.8 m3/t，煤层透气性系数λ=0.8354～1.6770 m2/MPa2d，煤對瓦斯吸附常数a=31.3729～33.922 m3/t，b=1.3364～1.3965 MPa-1，钻孔瓦斯流量衰减系数 =0.0386～0.0487d-1，煤层瓦斯放散初速度△P=18～20；煤层厚度平均3.02 m，正常情况煤层坚固性系数为0.45～0.63。

2.2 现场施工方案

2.2.1 试验钻孔设计

结合矿井实际情况，在11719机巷（东）挂口位置，设计顺层长钻孔进行水力割缝，此次设计钻孔共15个，控制巷道前方60m，巷道两侧15m宽度，其中右帮1#～6#钻孔为水力割缝钻孔，左帮7#—15#为普通（不割缝）钻孔，两种钻孔分别控制相同范围内的瓦斯含量。

2.2.2 效果考察方法及内容

此次设计的两种不同钻孔，预抽范围及瓦斯含量均相同，施工完毕后全部进行联网并抽。在此基础上经过抽采后，分别对割缝前、割缝后，以及割缝与不割缝钻孔的瓦斯含量、浓度、单孔流量等数据的收集、对比，包括巷道掘进前期和割缝后掘进期间的预测指标（K1值、S值）变化情况进行分析。

2.2.3 水力割缝试验现场实施流程

（1）依次连接金刚石复合片钻头（Φ94 mm）、高低压转换割缝器、水力割缝浅螺旋整体钻杆、利用矿方正常钻进的低压水尾及低压水管路，按割缝钻孔设计参数施工至设计深度。要求对所有超高压钻杆连接前进行内外冲洗并确保钻杆内无煤屑等残留物。

（2）根据煤孔段长度，按3 m割一刀，计算该钻孔所需割缝刀数，退钻割缝至距离孔口20 m。

（3）将高低压转换割缝器停在指定割缝位置，关闭静压水，换接超高压旋转水尾，连接超高压管路，不相关人员撤离至警戒线外。再次检查确认施工环境及设备安全后，先开启钻机带动钻杆以适当速度旋转，然后再开启超高压清水泵，首次启动空载2～3 min以上，待孔口返水后，通过远程操作台上的调压阀，泵压由低到高缓慢、匀速增压：10 MPa→15 MPa →20 MPa →30 MPa→50 MPa→80 MPa→90 MPa→100 MPa，水经过超高压软管进入钻杆内，最后从高低压转换割缝器上的喷嘴射出，对煤层周边煤体进行切割，每刀割缝时间为2～5 min。

（4）割缝过程中若遇堵孔、憋孔现象，先缓慢将高压泵压力降低至10～15 MPa，低压冲洗2～3 min，待孔口返水正常后在缓慢调压至100 MPa，继续割缝作业。割缝过程若遇喷孔或瓦斯超限现象，立即停止作业，分析喷孔或瓦斯超限原因，处理完成并恢复正常后方可继续割缝作业。

（5）切割一刀结束后，先将超高压清水泵泵压回零，在关闭超高压清水泵，开启钻机，撤卸3根钻杆，重新连接超高压旋转水尾及超高压管路，再次开启超高压清水泵，控制调压螺母，将泵压缓慢、匀速增加至100 MPa，继续进行割缝作业。

（6）重复上述3、4、5步骤，完成预计割缝刀数。

（7）钻孔割缝完成后，孔内返水正常且无憋孔、堵孔等异常现象，先将超高压清水泵泵压缓慢回零，再关闭超高压清水泵，切断电源，撤卸钻杆并堆放整齐，高低压转换割缝器、金刚石复合片钻头、超高压旋转接头妥善保管。

3 应用效果及分析

3.1割缝钻孔排屑量统计及分析

割缝试验压力为90 MPa，由于煤层整体硬度不大，在超高压水的作用下，煤体被切割为小颗粒或煤泥状，在水和螺旋钻杆的共同作用下，顺利排到孔口，割缝过程中会出现间歇憋孔现象，但不影响割缝作业的正常进行，割缝过程中无瓦斯涌出异常现象。

统计分析11719工作面机巷（东）1～6#割缝孔，割缝刀数4～11刀，单刀割缝时间4～5 min，单孔出煤量2～4.5 t，平均单孔出煤量为3.31 t，平均每刀割缝排屑量为0.42 t。

M=π×r2×h×K×γ （1）

式中：M——割缝后排出煤屑量，t；

K——煤量损失不均衡系数0.8～0.95，根据矿井的返水返渣情况此处按0.85取值（60 m顺层钻孔，煤层整体硬度较低，在超高压水及螺旋钻杆共同作用下，排除的煤屑呈粉末状）；

r——割缝后缝隙的等效半径，m；

h——割缝后缝隙的宽度，m，考虑到缝槽为外宽内窄不规则槽形，割缝后缝隙的平均宽度按4 cm计算；

γ——煤的容重，石屏一矿C19煤层容重γ=1.55 t/m3。

把割缝形成的缝隙视为一个圆柱体，根据式（1）反算在每刀平均排出煤屑量M=0.42 t的条件下，割缝后形成缝槽半径：r=1.59 m

3.2抽采效果分析

3.2.1 抽采流量分析

9个普通钻孔8月2日～9月3日的平均单孔纯量0.015 m3/min、6个割缝钻孔8月2日～9月3日的单孔抽采纯量平均值为0.117 m3/min，割缝钻孔单孔抽采纯量是普通钻孔单孔抽采纯量的7.8倍，因此，采用超高压水力割缝工艺后，钻孔瓦斯抽采效率得到大幅提高。

3.2.2抽采浓度对比分析

通过抽采钻孔的检测分析，钻孔在11719机巷（东）抽采浓度处于10%～25%区间内，割缝钻孔在第二循环抽采浓度大部分保持在20%～60%区间范围内，浓度提高了2-2.4倍。因此，水力割缝能有效提高钻孔瓦斯抽采浓度。

3.3抽采达标时间分析

抽采钻孔抽采有效时的瓦斯总量可按下式计算：

（2）

式中： —抽采钻孔控制区域长度、宽度， ；

—抽采钻孔控制区域煤层厚度， ；

—抽采钻孔控制区域煤层密度， ；

—抽采钻孔控制区域煤层瓦斯含量， ；

—确定的抽采率

钻孔控制区域需要抽采瓦斯量为：

Q=L1×L2×h×γ×W×η= 60×17×2.2×1.45×（10.14-8）=6963 m3

注：施钻前对巷道前方测定了两个残余瓦斯含量（9.26 m3、10.14 m3），此处取10.14 m3。

3.4减少工程量对比

此次设计控制11719机巷（东）前方60 m，两帮外沿倾斜方向各15 m，其中6个水力割缝钻孔和9个普通钻孔各控制了一半范围。水力割缝钻孔总工程量为320.4 m、普通钻孔总工程量为461.8 m，因此控制范围相同的情况下，水力割缝钻孔比施工普通钻孔减少工程量923.6-640.8=282.8 m，减少率30.6%。因此割缝不仅很好的消除了工作面前方巷道的突出危险性，而且在减少工程量方面有很大的作用。

3.5水力割縫对掘进的影响

（1）残余瓦斯含量：7月29日，施工两个钻孔进行瓦斯含量测定，1#为9.26 m3，2#为10.14 m3；9月19日恢复掘进时再次施工3个钻孔进行瓦斯含量测定，1#为7.13 m3，2#为6.86 m3、3#为6.24 m3。

（2）K1值：可以从表1看出，机巷联巷在施工时（未采取割缝措施）仅施工12.1m就预测超标，排放孔效果又较差，而11719机巷（东）水力割缝后7天内一次掘进了21.5 m；K1值数据记录见表1、表2所示，水力割缝前K1值平均为0.41，割缝后掘进期间K1值平均为0.22，相对较水力割缝前下降46.3%，掘进期间预测指标明显降低。

4 结论

通过对超高压水力割缝技术在顺层钻孔预抽煤层瓦斯的理论及现场研究，得出以下结论：

（1）采用超高压水力割缝后，割缝压力80 MPa～90 MPa，割缝间距为3～4 m，每刀割缝时间为4～5 min；平均每刀割缝排屑量为0.38t，割缝缝槽宽度为4 cm，割缝缝槽的等效半径为1.59 m，平均单钻孔排屑量为3.31t，降低了工作面突出危险性，割缝措施有效保证了掘进工作面安全快速掘进。

（2）采用超高压水力割缝工艺后，割缝钻孔单孔抽采纯量为普通钻孔7.8倍，浓度提高了2-2.4倍，大幅提高了钻孔瓦斯抽采效率，钻孔抽采时间缩短80.7%。

（3）采取超高压水力割缝增透技术后，钻孔抽采半径增大，施工工程量减少了30.6%。

总之，虽然矿井煤层透气性差、断层影响区域多，但只要采取了超高压水力割缝后，能够使煤体充分卸压，那么发生突出的煤层条件就会根本改变，就会取得较好的防突效果。此外超高压水力割缝工艺在技术上较先进、处理瓦斯效果好，经济上也较为合理，随着矿井瓦斯灾害越来越严重，现有预防措施又存在一定局限性，超高压水力割缝技术的优越性将逐步显现出来，它可能成为煤矿一项比较有生命力的局部和区域防突措施。

参考文献

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（作者单位：川南煤业泸州古叙煤电有限公司石屏一矿）