高压水射流割缝对煤层瓦斯抽放影响分析

姜 峰

(汾西矿业集团曙光煤矿，山西 孝义 032308)

高压水射流技术的原理是利用高压水泵或其他装置将水压升至高压状态之后，高压水从内径很小的高压喷嘴中喷出，利用高压水流的冲击力完成切割、破碎和清洗等工作。高压水射流割缝抽放瓦斯也是利用高压水射流的切割和破碎作用切割煤体，产生裂隙，使煤层卸压增透，从而提高瓦斯抽放效率[1-2]。

为了增大研究的全面性，本次研究选取的模拟矿井煤质较硬，研究在硬煤中人工裂隙的闭合特性及其与瓦斯抽放的关系。

1 工程概况

某矿是有煤与瓦斯突出发生危险的矿井，矿井瓦斯相对涌出量达170.47 m3/t，绝对涌出量达53.59 m3/min。单个掘进面的瓦斯涌出量也超过了5 m3/min。并且，该煤田煤质较硬，煤层瓦斯渗透性较低，采用传统瓦斯抽放方法时抽放有效半径小，抽放效率低。

该矿井田是一个小型闭合向斜构造，受矿区构造应力作用及煤化作用的影响，使得矿井生产并储存了大量瓦斯，且本井田储气构造为封闭式，非常有利于瓦斯的聚集。瓦斯分布特点为沿井田煤层露头由浅入深，基本上呈现环形状态向延伸水平及向斜轴附近聚集增高，矿井西南部(上五采区周围)瓦斯含量相对大于东部，其瓦斯含量已处于高度危险状态，随时都有发生煤与瓦斯突出的危险。瓦斯分布受井田内不同地段中的次一级小型构造影响使得煤体结构在遭到破坏后对瓦斯吸附能力增强，但却降低了瓦斯在煤层中的运移能力，因此,分布特征主要表现在矿西南部瓦斯压力比北部高。在上一采区含量及吸附力增大,渗透性降低,2#-2煤层瓦斯相对涌出量增高。

经资料分析，煤矿范围内不同煤层顶板岩性对瓦斯含量有着不同的影响，但影响不大。总的态势为,泥岩分布区瓦斯含量相对高于砂岩分布区，特别是2#-2煤层顶板在3#钻孔周围的炭质泥岩似乎比泥岩封闭性更强，这也是五采区附近瓦斯压力高，发生煤与瓦斯突出的另一个主要原因。

2 瓦斯抽放方案

32211工作面走向长1 102 m～1 076 m，面积222 156 m2。开采井田内2#煤层，该煤层节理发育，容易片帮。局部范围内,2#煤层剩余煤厚变化较大，自北东向南西逐渐变厚，属于特厚稳定缓倾斜煤层。工作面局部范围煤层产状变化较大。

32211工作面的相对瓦斯涌出量为13.15 m3/t，绝对瓦斯涌出量为49.52 m3/min。试验地点在32211工作面机巷后段130 m范围内，在这段共选择了6个钻场的18个钻孔。

根据32211综采工作面煤层地质条件、瓦斯情况等，提出了高压水射流割缝强化瓦斯抽放技术方案。试验段布置在32211综采工作面机巷后段，如第188页图1所示。

图1 32211工作面试验段布置图

钻孔参数与切割方案：

高压水射流切割钻孔基本参数主要包括：1) 钻孔直径；2) 钻孔间距和布置；3) 钻孔深度；4) 钻孔倾角；5) 切割位置；6) 人工裂隙间距。根据高压水切割的要求，其钻孔参数确定为：

1) 孔直径：Φ100 mm；

2) 钻孔间距：1.5 m。所用钻孔均为该工作面已经布置并完成的钻孔，即，在32211后段机巷的后部130 m内使用6个钻场的18个钻孔进行切割试验；

3) 钻孔深度：80 m～150 m；

4) 钻孔倾角与煤层倾角接近，试验将根据已成孔的情况确定；

5) 切割位置：从孔底开始切割，沿钻孔方向后退式切割，当距孔口5 m处停止切割；

6) 人工裂隙间距：1.5 m，即，每退一根钻杆切割一次。

切割方法：利用煤矿常用的MK-5S钻机的进退钻进行切割；切割设置：根据钻杆长度(1.5 m)，每退一次钻，进行一次切割；切割时间：3 min。

3 各钻孔瓦斯流量随时间变化

试验结果表明，高压水射流割缝对于低透气性煤层的增透作用明显。经高压水射流切割形成人工裂隙后，煤层中瓦斯赋存条件得到改变。煤体的暴露面积大大增大，瓦斯解吸速度加快，游离态瓦斯大大增加[3-4]。同时，由于人工裂隙的形成，煤层原岩应力平衡被打破，煤层中的原有裂隙得到扩展，并且新形成了很多裂隙，使得煤层的透气性大大增强，煤层瓦斯流动明显加速，为瓦斯抽放创造了条件。但随着人工裂隙随时间的闭合，瓦斯抽放量亦随着时间的增加而降低。图2为高压水射流切割煤层前、后的瓦斯日抽放量曲线图(由于钻孔数量较多，文中列出1#、2#、3#、4#、8#、12#、14#、17#为例)。

图2 割缝前、后钻孔瓦斯流量变化曲线图

从图2瓦斯割缝前、后的钻孔日瓦斯抽放量曲线图可以明显看出，切割后瓦斯日抽放量大大增加，平均是切割前的3倍～8倍，效果明显。但是，分析切割后的瓦斯曲线图可看出，在切割后的1 d～5 d各个钻孔的瓦斯抽放量几乎呈现直线上升状态，但是，过了瓦斯流量高峰期之后，一般在切割后的第六天，瓦斯日抽放量开始下降，有的下降明显，有的呈现忽高忽低的波动状态，有的钻孔从切割后的十几天开始，钻孔瓦斯日抽放量恢复到切割前的水平。更有些钻孔，如,4#、12#、14#和15#钻孔，从切割后的大约十几天开始，钻孔日瓦斯抽放量甚至低过了切割前的水平。

随着时间的推移，钻孔瓦斯日抽放量的下降，这主要是因为，切割后人工裂隙的闭合是必然的，所以，瓦斯抽放量才减小[5]。所以，为了延长瓦斯抽放效率的持续时间，应该做到以下几点：

1) 要使人工裂隙的厚度尽可能大；

2) 人工裂隙的半径不能太大也不能太小；

3) 人工裂隙的间距应尽可能小；

4) 钻孔倾角最好与煤层倾角一致；

5) 人工裂隙的布置最好避开水平构造应力的影响。

4 结论

通过以上分析可以看到，在经过高压水射流切割煤层之后，瓦斯抽放量和瓦斯浓度都比割缝前提高了数倍。但随着时间的延长，因为人工裂隙的闭合以及煤层中应力的变化，瓦斯抽放量会随着时间衰减，在一定时间后，瓦斯抽放量重新趋于稳定，但却是一个相当低的水平。

通过瓦斯抽放数据可知，将研究结果用于现场操作之后，瓦斯抽放效率大大提升。人工裂隙和钻孔的布置应该选择最优布置方案，尽量延长瓦斯抽放时间，提高瓦斯抽放效率。