高瓦斯碎软煤层超高压水力割缝增透机理及合理技术参数研究

廉常军

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

我国各大产煤区在长久的成煤期受到频繁的地质构造作用，煤层普遍呈现出透气性低、瓦斯含量高、瓦斯抽采困难等特征[1-2]，造成瓦斯抽采耗时低效。数十年来，国内众多学者对煤层增透技术展开广泛研究[3-8]，取得应用成果的有水力冲孔、水力压裂、松动爆破、气体相变致裂、水力割缝等技术；其中水力割缝技术随着清水泵工作能力的跳跃升级，发展为割缝压力达100 MPa的超高压水力割缝技术。已有研究表明，由于煤层物理结构及地质赋存条件存在差异，采用超高压水力割缝时，其增透机理及合理技术参数存在较大差异[9]。本文以云南省大坪矿区某煤矿开采的C9煤层为试验对象，对高瓦斯碎软煤层超高压水力割缝的增透机理、合理技术参数展开研究，并进行了工程试验。结果表明，超高压水力割缝技术解决了某煤矿C9煤层的瓦斯治理难题。

1 试验煤矿概况

大坪矿区某煤矿赋存有C7煤层、C9煤层、C12煤层、C16煤层共计4层稳定可采煤层，目前主要开采C9煤层和C12煤层。其中，C9煤层因碎软、透气性低、瓦斯含量高、预抽达标时间长，造成矿井生产衔接失调。

试验工作面220901为该煤矿二采区C9煤层首采工作面，走向长640 m，倾向长110 m，埋深为380～460 m，C9煤层结构及瓦斯参数见表1。

表1 二采区C9煤层结构及瓦斯参数

2 超高压水力割缝增透机理研究

2.1 超高压水力割缝装备构成

GF-100型超高压水力割缝成套装备的额定割缝压力能够达到100 MPa，主要包括超高压清水泵、高压远程操作台、超高压软管、超高压旋转水尾、浅螺旋耐高压钻杆、高低压转换割缝器、金刚石钻头等装置。

2.2 超高压水力割缝增透机理

超高压水射流在钻杆旋转引导下环形切割孔壁煤体并将煤屑冲排至孔外，形成大半径扁平缝槽，促使煤体变形、卸压增透，快速高效地抽采煤层瓦斯，具体原理为：①缝槽扩大了钻孔周边煤体的暴露面积；②缝槽间隔分布，缝间煤体在地应力作用下向缝槽内变形移动，促进煤体裂隙拓展、形成瓦斯解析、渗流的贯通通道，提高煤体透气性；③缝槽半径较大，扩大了钻孔径向增透煤体的范围；④缝槽位置可控、可实现钻孔周边煤体均匀变形卸压[10-11]。

借鉴已有研究[9-10]，推演超高压水力割缝增透、高效抽采煤层瓦斯的数学模型见式(1)～式(3)。

Q=Q1+Q2

(1)

(2)

(3)

式中：Q为割缝钻孔单位面积瓦斯涌出量，m3/d；Q1为割缝钻孔单位面积孔壁瓦斯涌出量，m3/d；Q2为割缝钻孔单位面积缝槽瓦斯涌出量，m3/d；K为割缝钻孔影响煤体的渗透率，m2；P0为煤层瓦斯压力，MPa；P1为钻孔抽采负压，MPa；Pn为标准大气压，MPa；R1为钻孔半径，m；R0为煤层半厚度，m；r为缝槽半径，m；L为相邻割缝缝槽间距，m。

钻孔割缝后，钻孔周边煤体的渗透率K可增加数十倍，缝槽半径r可达2.5 m，钻孔孔壁Q1、缝槽Q2的瓦斯涌出量可显著增加，且缝槽带来的裂隙及卸压的作用，使钻孔能长时间维持高浓度瓦斯抽采。同时，相关研究表明[12-15]，水射流在高压作用下进入煤体孔隙能够封堵瓦斯渗流通道，增加煤体吸附瓦斯能力，进而降低煤体的初始瓦斯解吸量及钻屑瓦斯解析指标，减小采掘期间落煤瓦斯涌出量，消除煤层的突出危险性。

3 超高压水力割缝合理技术参数研究

试验煤矿的二采区C9煤层采用双翼布置，C9煤层运输上山布置在采区中间处，其右侧为220901工作面，左侧为C9煤层原始区。本次在C9煤层运输上山左帮垂直布置4个间距为10 m、孔深为70 m的顺层钻孔，依据割缝过程中呈现的排屑、瓦斯、夹钻等状况，对C9煤层合理的割缝压力等技术参数进行实验考察，具体方案见表2。

表2 C9煤层超高压水力割缝合理技术参数实验考察方案

3.1 割缝压力确定

Ⅰ号钻孔按照表2中的固定条件，由孔底向孔口依次割缝，割缝压力分别为85 MPa、80 MPa、75 MPa、70 MPa、65 MPa、60 MPa，割缝期间钻孔呈现出来的排屑、夹钻等状况见表3。综合表3分析，确定C9煤层合理割缝压力为75 MPa。

3.2 单缝割缝时间、单缝排屑量、缝槽半径确定

Ⅱ号钻孔使用75 MPa割缝压力、10 m缝槽间距割缝，发现单缝割缝5～6.5 min后，孔口排渣量显著减小，返水显著变清，据此确定C9煤层单缝合理割缝时间为7 min。Ⅲ号钻孔使用75 MPa割缝压力、10 m缝槽间距、7 min单缝割缝时间割缝，发现单缝排渣量为0.34～0.38 t；割缝7 min时孔口返水清澈，排渣量几乎没有，据此确定C9煤层单缝合理排屑量为0.36 t。Ⅲ号钻孔割缝完毕后，使用钻孔窥视仪对Ⅲ号钻孔的6道缝槽进行宽度探测，结果分别为35.4 mm、34.2 mm、27.7 mm、29.4 mm、30.2 mm、27.6 mm，平均宽度为30.7 mm，对缝槽空间形状进行圆饼假设，依据单缝排屑量、缝槽宽度，经理论计算C9煤层缝槽半径约为1.66 m。

3.3 缝槽间距确定

Ⅳ号钻孔使用75 MPa割缝压力、7 min单缝割缝时间，由孔底向孔口依次割缝，缝槽间距分别为2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m，割缝期间钻孔所呈现得排屑、夹钻等状况见表4。综合表4分析，确定C9煤层合理缝槽间距为5.0 m。

表3 不同割缝压力下割缝实验结果

表4 不同缝槽间距下割缝实验结果

4 工业试验及效果考察

4.1 试验方案

在220901工作面运输巷布置2组顺层平行预抽瓦斯钻孔，分别为割缝组和普通组，具体说明见表5。割缝组钻孔首先使用本文第3部分考察确定的合理割缝技术参数进行割缝，单孔割缝14个，相邻钻孔交叉割缝，钻孔割缝完毕后及时下管、封孔、接抽；普通组钻孔施工到设计深度后退钻，及时下管、封孔、接抽。 割缝组和普通组的钻孔布置如图1所示。

表5 超高压水力割缝增透试验方案

4.2 效果考察

4.2.1 抽采瓦斯浓度、瓦斯纯量对比

割缝组和普通组作为两个独立的抽采单元，各单元汇总气流中瓦斯浓度及瓦斯纯流量检测数据如图2所示。 由图2可知：割缝组预抽瓦斯浓度变化范围为73.6%～46.7%、平均为60.2%，瓦斯纯量变化范围为1.69～0.77 m3/min、平均为1.23 m3/min；普通组预抽瓦斯浓度变化范围为42.3%～13.8%、平均为28.1%，瓦斯纯量变化范围为0.68～0.22 m3/min、平均为0.45 m3/min；割缝组抽采瓦斯浓度相对于普通组提高了2.14倍，抽采瓦斯纯流量相对于普通组提高了2.74倍。

图1 超高压水力割缝增透试验钻孔布置图

4.2.2 预抽达标时间对比

根据瓦斯含量取样实测结果，割缝组和普通组预抽区域抽采达标情况对比如下：增透组预抽区域抽采达标时间为62 d，普通组预抽区域抽采达标时间为171 d；割缝后，煤层预抽达标时间相对于普通钻孔预抽时缩短了63.7%。

图2 割缝组和普通组抽采瓦斯浓度及瓦斯纯流量变化曲线图

5 结 论

1) 超高压水力割缝利用超高压水射流环形切割孔壁煤体，形成大半径扁平缝槽，借助地应力促使周边煤体变形、卸压增透，促进瓦斯解析、渗流，实现瓦斯高效快速抽采。

2) 现场实验考察表明，大坪矿区某煤矿C9煤层合理割缝压力为75 MPa，单缝合理排屑量为0.36 t，缝槽半径约为1.66 m，单缝合理割缝时间为7 min，缝槽合理间距为5 m。

3) 大坪矿区某煤矿C9煤层割缝后，钻孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量约分别提高2.14倍和2.74倍，煤层抽采达标时间缩短约63.7%，极大地提高了C9煤层瓦斯治理效率，保障矿井安全高效生产。