水力切割瓦斯增透技术在夹岩水利枢纽工程中的应用

林琦 苏艳菲 杨路通 朱晔

摘要：针对夹岩水利枢纽工程水工隧洞过煤层与瓦斯突出问题，应用水力增透技术及高压水射流钻割一体化煤层增透设备进行瓦斯抽放效果分析，研究过煤层瓦斯抽采效率。研究与实践表明：超高压水力切割煤层增透技术适用于硬煤层，且最佳切割压力为75～80 MPa;实测切割钻孔抽采44 d内的单钻孔瓦斯，抽采总量最高达4 090.15 m3，是未切割原始钻孔相同时间内抽采总量的2.51～11.47倍，减少了瓦斯抽放时间，并提高了抽放效率。

关键词：瓦斯渗透技术;水力切割;过煤层;水工隧洞;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：TV554文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.019

Abstract： In the light of gas problem in hydraulic tunnel crossing coal seam of Jiayan Hydro-complex Project in Guizhou Province， gas pumping effect and efficiency of increasing coal seam permeability by the integrated drilling and cutting equipment of high pressure water jet are analyzed. The research and practice showed that： the technology of ultra-high pressure hydraulic cutting is suitable for hard coal seam， the best cutting pressure is 75～80 MPa; the total drained gas of single borehole is up to 4 090.15 m3 within 44 days， which is 2.51～11.47 times more than that from the original uncut borehole. So， the technology can greatly reduce gas drainage time and improve gas drainage effect.

Key words： gas permeability technology; hydraulic cutting; coal seam crossing; hydraulic tunnel; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

Landslide treatment of traffic tunnel to material stockyard of Jiayan Hydro-complex Project

1 研究背景

煤与瓦斯突出是指在开挖煤层时，煤在瓦斯、地应力等共同作用下呈粉碎状态向采掘巷道空间急剧抛出并伴随大量瓦斯涌出的现象，具有发生突然、过程猛烈等特征，若不能及时预警并消除威胁，将会掩埋施工人员、设备，甚至发生爆炸危害。

通过渗透技术等措施提高煤层瓦斯抽放率，是降低煤与瓦斯突出危害的重要措施，科研与工程技术人员围绕渗透特性和抽采方法进行了大量研究。在危害性研究方面，杜志刚等[1]针对过煤层瓦斯隧道，采用属性数学理论建立隧道瓦斯突出危险性预测模型，对其危险性进行了评价。在渗透性方面，王福军等[2]针对大佛寺低阶煤瓦斯储层的渗透性进行了研究，认为瓦斯在垂直层理方向的运移受渗透性影响更大;祝捷等[3]测量了多种条件下的煤样应变与瓦斯渗透率，建立了三维变形煤的渗透率模型;田卫东等[4]分析了孔隙率测试方法在含瓦斯煤渗透特性方面的应用研究，认为需加强多物理场耦合作用对渗透性的影响研究。在渗透技术及瓦斯抽采方面，李瑞超等[5]以氧化钙、萘系减水剂、缓凝剂等材料配置新型静态爆破剂，并研究了爆破孔形状对压裂效果的影響;王晓蕾[6]则分析了压裂技术以及压裂效果数值模拟中存在的问题，认为数值模拟应综合多种影响因素进行压裂效果模拟分析;王一帆[7]采用立体交叉钻孔技术对顺层瓦斯进行抽放效果研究，发现其优于平面交叉布孔和平行布孔等传统方法。

关于过煤层瓦斯渗透特性的研究较多，但在渗透技术应用等方面仍需进一步探索。为此，本文针对夹岩水利枢纽及黔西北供水工程（以下简称“夹岩工程”）中水工隧洞过煤层煤与瓦斯突出问题，探索使用水力增透措施解决水工隧洞过煤层的瓦斯抽采难题，为水工隧洞过煤层煤与瓦斯突出综合防治提供了新的思路。

2 水力增透技术原理

煤层中瓦斯分为游离瓦斯和吸附瓦斯，其中吸附瓦斯含量占总含量的80%～90%，两种状态在一定条件下可相互转化。而瓦斯抽放的主要目标是游离瓦斯，为提高抽放效果，常采用诸如密集钻孔预抽、深孔预裂爆破等强制增透技术将煤层中的吸附瓦斯转变成游离瓦斯，但密集钻孔预抽存在抽采量衰减极快、抽采率低等问题，深孔预裂爆破则装药困难，且有引燃引爆瓦斯危险，因此本文探索采用水力增透措施进行瓦斯抽采。

目前，水力增透措施主要包括水力压裂、水力冲孔和水力割缝3种，其中，水力压裂为增压增透，水力冲孔和水力割缝属于泄压增透。一般认为[3-4]煤体轴向应力-渗透率-时间规律如图1所示，即当煤体结构比较完整时，在加压的弹性阶段，随着压力升高，煤体孔隙率减小，渗透率在第一个阶段比较小（I区）;随着压力增大，煤体发生塑性变形，随着煤体内部损伤的发展演化，发生破裂，产生裂隙，且裂隙相互导通，使煤体在此阶段渗透率迅速增大（II区），表明硬煤可通过压裂产生裂隙的方式增透，此区域为压裂的有效区域;随着煤体的持续压缩，煤体逐渐被压实，煤体颗粒进一步破碎、变小，同时发生裂隙闭合、孔隙度减小，渗透率迅速降低（III区），该阶段表明，对于煤体结构比较差的三四类煤，不能直接通过对煤体进行压裂（增压增透）的方式增透。此时进行卸载试验，随着压力减小，由于煤体内部被卸压，有利于瓦斯解吸，同时孔隙度增加，渗透率逐渐增大（IV区），当压力小于某一值时，渗透率迅速增大（V区）;如果继续加载，随着压力增大，渗透率又迅速减小（VI区），这种现象表明，对软煤不能通过压裂的方式来增透，只能通过卸压方式来提高煤体渗透率。

对硬煤而言，使煤体结构破坏可提高储层渗透率，因此利用水力压裂（泄压增透）方式实施增透是可行的，而夹岩工程中水工隧洞现已揭露煤层10层，煤层倾向与洞向近一致，厚度在0.3～3.0 m，常见厚度1.0～1.5 m，均为优质无烟煤，可采用泄压增透方式。

3 高压水射流钻割一体化煤层增透设备

夹岩工程中采用高压水射流钻割一体化煤层增透设备，设备由水箱、高压泵、高压软管、泄压阀、高压螺旋接头、钻机、高压密封钻杆、钻头及切割头组成，水射流切割压力可达到100 MPa、水流流量达125 L/min，设备结构见图2。该设备对于中硬及硬煤层、不具备自喷能力的高瓦斯煤层能够快速切割，大大提高煤层透气性，对于一般硬度煤层及软煤层，其切割效果基本与水力冲孔措施相同，效果较好。

4 现场试验与分析

4.1 试验方案

本次切割增透效果考察试验地点确定在夹岩工程，该隧洞穿越地层以峰丛洼地岩溶地貌为主，地表海拔1 300～1 750 m，最大埋深435 m。掌子面揭露地层岩性为二迭系上统龙潭组（P3l）泥岩、砂岩夹煤层，现已揭露煤层10层，煤层倾向与洞向近一致，煤层为具有煤与瓦斯突出危险煤层。为此，首先进行切割水压适用性对比试验;优选操作水压后进行瓦斯抽采量对比。其中，切割水压优选试验设计6个钻孔，其中2个水力切割钻孔，4个观察孔，切割半径考察钻孔布置示意见图3。该组钻孔主要通过考察出水钻孔与钻割钻孔的间距确定切割孔的半径大小，具体布置参数见表1。针对2号和5号切割孔在孔深28，25 m和22 m处切割，分别采用55，75 MPa和98 MPa进行切割试验。瓦斯抽采测量试验则设计考察钻孔3个，非切割对比钻孔3个。

4.2 切割水压优选

对比不同水压下排水排渣效果（见图4）可知，在55 MPa水压切割时，钻缝内流出来的水稍浑浊，但伴随的煤渣较少，切割效果不明显;在75 MPa水压切割时，钻缝内流出来的水明显浑浊，伴随排出的煤渣较多，切割排渣效果非常明显;在98 MPa水压下钻缝内的煤渣排泄量非常大、含煤粉浓度非常高，水接近稠糊状。但是，由于在切割过程中切割煤粉量较大，钻孔排除量远低于切割下来的煤粉量，导致钻缝内存留的煤粉越来越多，切割约3 min后，钻机运转的阻力明显加大，钻孔出水量和排渣量减小。

综合以上切割压力的切割效果与排渣效果，同时兼顾切割效率，可初步判断该煤层合理切割压力在75～80 MPa之间。

4.3 瓦斯抽采数据分析

由表2和图5可以看出，切割完毕、联网抽采后的第1 h（当日15：00）测量的切割钻孔单孔混合瓦斯抽采量达到1.007 2 m3/min，纯瓦斯抽采量达到0.535 9 m3/min。次日3：10、6：10和10：00测定的7号切割钻孔单孔混合瓦斯抽采量均为0.179 5 m3/min，纯瓦斯抽采量持续稳定在0.080 0 m3/min。

抽采44 d时，钻孔瓦斯抽采总量最大值达4 090.15 m3，平均钻孔瓦斯抽采总量为3 622.48 m3，此数据是未切割10号对比钻孔瓦斯抽采总量1 442.85 m3的2.51倍，是未切割11号对比钻孔瓦斯抽采总量310.86 m3的11.47倍，也是未切割12号对比钻孔瓦斯抽采总量326.89 m3的11.08倍。

5 結 语

通过在夹岩工程水工隧洞过煤层瓦斯增透技术的应用实践，认为采用高压水射流钻割一体化煤层增透设备，通过泄压增透方式抽采瓦斯是一种合理有效的方法：①超高压水力切割煤层增透技术适用于硬煤层，且最佳切割压力为75～80 MPa;②与传统方法对比，该方法不仅瓦斯抽采量大，还缩短了抽采时间，抽采效率较高。

参考文献：

[1] 杜志刚，张小东，王晓东.  基于属性数学理论的隧道瓦斯突出危险性评价[J].  地下空间与工程学报，2019，15（6）： 1866-1873.

[2] 王福军，张亚潮，窦成义，等.  大佛寺低阶煤瓦斯储层的渗透性及其关键受控因素分析[J].  煤矿安全，2019，50（11）：154-157.

[3] 祝捷，唐俊，王琪，等.  含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析[J].  煤炭学报，2019，44（6）： 1764-1770.

[4] 田卫东，张群.  含瓦斯煤渗透特性参数—孔隙率同步测试方法的研究进展[J].  矿业安全与环保，2019，46（3）： 1866-1873.

[5] 李瑞超，唐一博，薛生.  低渗透煤层钙基材料静态压裂增透技术实验研究[J].  煤矿安全， 2016，47（12）：4-7.

[6] 王晓蕾.  低渗透煤层提高瓦斯采收率技术现状及发展趋势[J].  科学技术与工程，2019， 19（17）：9-17.

[7] 王一帆.  基于立体交叉钻孔的低渗透煤层瓦斯抽采技术研究[J].  煤矿机械，2018，39（2）： 29-30.

（编辑：唐湘茜）