急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术研究

郑三龙，范酒源，王 刚，3，王恩茂

（1.神华集团新疆能源有限责任公司 乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐 830002；2.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590；3.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590）

0 引 言

瓦斯抽采是矿井瓦斯灾害防治与资源化利用的根本，而急倾斜煤层由于地质构造条件导致部分区域煤体的透气性差、瓦斯富集，从而导致瓦斯治理难度大［1-4］。 尤其当上分层煤体开采后，下部煤体将会释放大量瓦斯涌向上分层回采空间，严重威胁回采工作面的安全生产。 因此，提高急倾斜煤层回采工作面底部瓦斯富集区域煤体的透气性，降低底部瓦斯流向上分层回采工作面的浓度对于急倾斜煤层矿井的安全回采非常重要，而煤层水力化增透措施是增加煤体透气性的有效途径。 然而，对于急倾斜煤层回采工作面底部瓦斯富集区域而言，常规的布孔抽采以及单一水力化增透方法达不到瓦斯高效抽采的效果，无法消除采、掘工作面的瓦斯灾害威胁，限制了回采工作面的生产能力。 因此，研发并应用针对急倾斜煤层上分层工作面底部瓦斯富集区域高效卸压增透技术对于促进瓦斯高效抽采具有重要价值［5-6］。

科研实践证明，水射流割缝与高压水力压裂相结合的切槽定向致裂增透技术，因压裂方向精准、范围大、增透效果显著等优势而得到广泛的推广应用［7］。 王耀锋等［8］针对低透煤层瓦斯抽采效率低的技术难题，提出导向槽与控制钻孔交替布置实现定向增透的新技术。 李宗福等［9］采用水力压裂-水力割缝联合方式解决区域煤层透气性差的问题。 李艳增等［10］分析了水力割缝（压裂）综合增透技术的工作原理、设备、工艺以及现场试验情况。 付江伟等［11］提出了基于区域瓦斯治理“钻-割-压-卸-注”水力化集成技术工艺。 闫发志等［12］针对低透气性煤层穿层抽采钻孔卸压不充分的问题，提出了割缝与压裂协同增透技术。 黄炳香等［13］利用预割缝定向水力致裂技术处理煤层坚硬顶板。 但是，将水射流割缝与高压水力压裂结合用于治理急倾斜水平分层开采工作面下部卸压煤体瓦斯的研究较少。 笔者在总结与分析前人研究的基础上，提出水射流割缝与高压水力压裂相结合的切槽定向致裂增透技术解决急倾斜煤层上分层回采工作面下部瓦斯富集区域煤体透气性差、瓦斯抽采效率低的问题。 以神华集团乌东煤矿北区＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷40—400 m 至上分层＋525 m 水平为工程背景，开展了急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术现场试验研究，以保障后期上分层回采工作面的安全生产。

1 煤层切槽定向致裂增透原理

为了弥补单一水力化增透方法的局限性，将水力割缝与水力压裂2 种技术相结合，利用水力割缝定向引导与水力压裂增透范围广的各自技术优势，实现水力割缝辅助水力压裂切槽定向均匀致裂、增透煤层中瓦斯富集区域透气性的目的［14-16］。 其原理为：在煤层瓦斯富集区域施工穿层或者顺层钻孔，采用钻机带动水力割缝浅螺旋钻杆、高低压转换器及金刚石水力割缝钻头旋转钻进至预定割缝位置，开启超高压清水泵，调节至指定压力，形成具有一定压力及流量的超高压水射流。 通过高低压转换器上的喷嘴射出，对钻孔煤孔段的煤层进行旋转切割、冲击，在煤体中形成具有一定宽度与高度的多个不规则的圆盘式缝槽［17-18］。 通过水力切割缝槽卸载钻孔周围应力并形成初始导向裂缝，沿导向槽方向的煤体有效体积应力明显下降，形成层理弱面。 然后对切槽钻孔进行水力压裂，利用切槽形成的层理弱面控制水力压裂方向。 有效提高煤体透气性和卸压增透范围，改变煤体应力场和瓦斯流动场，从而达到煤层整体卸压增透及瓦斯高效抽采的目的［19］，其原理如图1 所示。

2 工程背景

2.1 试验区域概况

乌东煤矿作为新疆主要矿井之一，属于急倾斜煤层，煤层倾角为45°。 其中，北区45 号煤层东翼为瓦斯富集区且煤体的透气性较差。 同时，由于急倾斜煤层地质条件与开采工艺的特殊性，导致其北区＋500 m 水平45 号煤层东翼上分层回采工作面在采用水平分层开采方式时的瓦斯涌出规律与一般缓倾斜煤层存在较大差异。 随着北区＋500 m 水平45号煤层东翼上分层回采工作面的开采，在采空区与瓦斯压力差的作用下，下部煤体卸压瓦斯将通过采动裂隙流向采空区与回采工作面，对井下正常的采掘接替构成较大威胁，如图2 所示。 因此，需治理乌东煤矿北区＋500 m 水平45 号煤层东翼上分层区域内的瓦斯灾害，减少其涌向上分层回采工作面的威胁。

图1 切槽定向致裂增透原理示意Fig.1 Schematic diagram of principle for directional fracturing and anti-reflection of slotting

图2 急倾斜煤层下部瓦斯流动示意Fig.2 Schematic diagram of gas flow in lower part of steeply inclined coal seam

试验区域选择在乌东煤矿北区＋500 m 水平45号煤层东翼南巷40—400 m 至上分层＋525 m 水平。经现场实测：此区域内煤层的瓦斯压力为0.52 MPa，瓦斯流量衰减系数为0.02 d-1，煤层透气性系数λ 为0.1 m2／（MPa2·d）。

2.2 试验区域瓦斯赋存规律

通过现场测试结合室内试验测定试验区域内瓦斯的赋存规律，如图3 所示。

由图3 可知：试验区域在走向方向上煤层瓦斯含量具有西低东高的总体分布趋势，沿着＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷越向东，瓦斯赋存量越大。 所测区域最小相对瓦斯含量为4.12 m3／t，最大相对瓦斯含量为6.26 m3／t，平均相对瓦斯含量为5.07 m3／t。 特别是＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷360 m 上分层区域内煤层测得最大相对瓦斯含量为6.26 m3／t，不符合《煤矿安全规程》（2016）第一百一十五条之规定：“高瓦斯、突出矿井的容易自燃煤层，应当采取以预抽方式为主的综合抽采瓦斯措施和综合防灭火措施，保证本煤层相对瓦斯含量不大于6 m3／t”。 为此提出利用煤层切槽定向致裂技术增透此区域以促进瓦斯高效抽采，解决此区域瓦斯含量赋存量过大的问题。

图3 试验区域瓦斯赋存规律分布Fig.3 Distribution pattern of gas occurrence in test area

3 切槽定向致裂增透技术试验

3.1 试验方案及工艺设备

在试验区域现场共施工10 个钻孔：1、2 号钻孔为瓦斯抽采钻孔，为增透效果对比钻孔；3 号钻孔为割缝钻孔；4—9 号钻孔为切槽致裂钻孔，分别注入不同压力，其中：4、5 号钻孔注水压力为20 MPa，6、7号钻孔的注水压力为30 MPa，8、9 号钻孔的注水压力为40 MPa；10 号钻孔为测压钻孔。 1—10 号钻孔直径为113 mm，长度为50 m，仰角为16°，开孔位置距巷道底板1.8 m，施工钻孔设计如图4 所示。

高压切槽定向致裂增透技术的设备主要由BZW200／56 型乳化液泵站系统、GF-100 型超高压水射流切割一体钻具、高压水路控制装置以及高压管路等主要设备组成，各技术装备实物如图5 所示。

3.2 工艺流程

急倾斜煤层切槽定向致裂增透技术主要包括钻孔、割缝、封孔、定向致裂4 个步骤，各个环节相互结合，可以提高工作效率，节省人力物力，其工艺过程如图6 所示。

依据现场试验方案，采用切槽定向致裂增透乌东煤矿北区＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷40—400 m 至上分层＋525 m 水平煤体的透气性，其现场施工主要的工艺流程为：①依次连接高压切槽定向致裂增透技术的整套装置，按割缝钻孔设计参数施工至50 m；②将高低压转换割缝器停在指定割缝位置，通过调压阀，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，依次对3—9 号钻孔周围煤体进行切割，割缝间距取15 m，每刀割缝时间为5～10 min，形成宽3 ～5 cm、割缝半径为0.6 ～1.8 m 的垂直于钻孔的圆盘状缝槽；③施工完割缝钻孔后，利用封孔器对割缝钻孔孔口进行封孔；④完成封孔工艺后，将4—9 号割缝钻孔进行高压注水定向压裂，以水射流切槽为导向，定向扩大切割缝槽周围煤体的原始裂缝，通过各工序的相互结合，提高乌东煤矿北区＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷40—400 m至上分层＋525 m 水平的透气性，促进此区域内的瓦斯高效抽采。 试验区域定向致裂钻孔如图7 所示。

图4 ＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷钻孔设计示意Fig.4 Borehole design of south lane in east wing of No.45 coal seam at ＋500 m level

图5 切槽定向致裂技术设备实物示意Fig.5 Physical schematic of grooving directional fracturing technology equipment

图6 煤层切槽定向致裂增透技术工艺流程示意Fig.6 Schematic diagram of directional fracturing and anti-reflection technology of coal seam

图7 定向致裂钻孔平面示意Fig.7 Plan view of directional fracturing borehole

3.3 增透效果分析

3.3.1 瓦斯抽采纯量对比分析

现场工艺试验共实施10 个钻孔，其中，1—2 号钻孔为瓦斯抽采钻孔，3 号钻孔为割缝钻孔，4—9 号钻孔为切槽定向致裂钻孔，10 号钻孔为测压孔。 为考察割缝、切槽定向致裂增透效果，选取典型的3 种不同类型的钻孔进行增透后瓦斯抽采效果分析，如图8 所示。

图8 不同钻孔每日平均瓦斯抽采纯量曲线Fig.8 Curves of daily average gas drainage volume of different boreholes

从图8 可知：1 号普通抽采钻孔在抽采60 d 内每日平均钻孔瓦斯抽采纯量在0.005 ～0.030 m3／min，平均为0.012 m3／min；3 号割缝钻孔在抽采60 d内每日平均钻孔瓦斯抽采纯量在0.023 ～0.100 m3／min，平均为0.036 m3／min。 4 号切槽定向致裂钻孔在抽采60 d 内每日平均钻孔瓦斯抽采纯量在0.052～0.242 m3／min，平均为0.080 m3／min。 从每日平均钻孔瓦斯抽采纯量上得出：割缝钻孔是普通钻孔的3.0 倍，切槽定向致裂钻孔是割缝钻孔的2.2倍，而切槽定向致裂钻孔是普通钻孔的6.7 倍。 因此，对于在乌东煤矿北区＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷40—400 m 至上分层＋525 m 水平区域内实施切槽定向致裂增透技术达到了高效促抽瓦斯的效果。 同时还可以分析出：与对煤层单一实施水力割缝技术而言，在割缝的基础上对缝槽进行定向压裂，其增透效果明显强于单一水力割缝技术。

3.3.2 增透后抽采影响范围分析

采用瓦斯压力法分析在试验区域内实施切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术后，4 号切槽定向致裂钻孔在注水压力为20 MPa 条件下的增透直接扰动范围及抽采影响范围。 根据方案设计在4 号切槽定向致裂钻孔周围共施工不同距离的6 个瓦斯压力测定钻孔，分别为4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6 号瓦斯压力测定钻孔。 4-1 号瓦斯压力测定钻孔距离4 号切槽定向致裂钻孔为3 m，其余5 个瓦斯压力测定钻孔间距分别为1 m。 4 号切槽定向致裂钻孔增透作业前后各个瓦斯压力钻孔的瓦斯压力变化如图9 所示。

图9 4 号切槽定向致裂钻孔作业前后瓦斯压力钻孔压力变化示意Fig.9 Schematic of gas pressure hole pressure changes before and after No.4 slotting directional fracturing drilling operation

由图9 可知：与4 号切槽定向致裂钻孔相邻的瓦斯压力测试孔4-1、4-2、4-3、4-4 号钻孔的瓦斯压力均有不同程度的降低。 随着距离4 号切槽定向致裂钻孔越远，4-5、4-6 号瓦斯压力测试孔的瓦斯压力相比于切槽致裂施工前有所升高。 其中，4-4 号瓦斯压力测试孔约降低0.04 MPa，而4-4 号瓦斯压力测试孔距离切槽致裂钻孔的距离为6 m，表明：在乌东煤矿北区＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷40—400 m 至上分层＋525 m 水平区域内实施切槽定向致裂增透技术后，4 号切槽定向致裂钻孔在注水压力为20 MPa条件下的增透直接扰动范围约为6 m。

4 号切槽定向致裂钻孔连管抽采后，不同阶段各个测压钻孔瓦斯压力如图10 所示。

图10 4 号切槽定向致裂钻孔周围瓦斯压力分布Fig.10 Distribution of gas pressure around No.4 slotting directional fracturing drilling hole

由图10 可以得出：抽采30 d 后，4 号切槽定向致裂钻孔周围瓦斯压力继续下降，其中4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6 号钻孔相对于原始瓦斯压力分别下降了0.12、0.15、0.12、0.07、0.04、0.04 MPa。 抽采70 d 后，4 号切槽定向致裂钻孔周围瓦斯压力继续下降，其中4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6 号钻孔相对于原始瓦斯压力分别下降了0.20、0.19、0.21、0.15、0.11、0.12 MPa，从变化趋势可以看出：随着抽采时间的增长，离切槽致裂钻孔距离较远的测压钻孔的压力下降幅度较大，表明：随着抽采时间的增长，切槽致裂钻孔抽采影响范围逐渐增大；其中最远的测压孔4-6 号的压力下降了0.12 MPa，表明70 d的抽采时间内影响范围已达到8 m 以上。

4 结 论

1） 采用切槽定向致裂增透技术增透乌东急倾斜煤层北区＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷40—400 m 至上分层＋525 m 水平区域内煤体后，切槽定向致裂钻孔在注水压力为20 MPa 条件下的瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升6.7 倍，割缝钻孔瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升3.0 倍，增透效果明显。

2） 通过对4 号切槽定向致裂钻孔增透后抽采影响范围分析得出，切槽定向致裂钻孔在注水压力为20 MPa 条件下的增透直接扰动范围约为6 m，70 d 的抽采时间内影响范围已达到8 m 以上。

3） 采用切槽定向致裂增透技术有效地解决了乌东煤矿急倾斜煤层北区＋500 m 水平45 号煤层东翼南巷40—400 m 至上分层＋525 m 水平区域内煤层瓦斯赋存过大的问题，避免其释放瓦斯涌向上分层回采工作面造成的安全威胁，保障了上分层回采工作面的安全生产。