低透高瓦斯强吸附性煤层超高压水力割缝增透技术及试验研究

2021-05-21姚亚虎

中国煤炭地质 2021年4期

姚亚虎

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

超高压水力割缝增透技术可以提高钻孔周边煤体透气性，扩大钻孔抽采半径，快速高效的实现煤层瓦斯预抽达标[1]。国内众多学者对该技术进行了大量试验研究[2-6]，发现该技术即能消除水力冲孔带来的应力集中、瓦斯聚集难题，又能消除水力压裂带来的应力集中、压裂盲区难题，在区域瓦斯治理方面具有显著的技术优势；但是针对低透强吸附性煤层，该技术措施的增透效果如何，尚缺乏研究。

近几年，云南省老厂矿区部分矿井开采的C7+8煤层具有低透气性、高瓦斯含量、强吸附瓦斯能力等特征，煤层抽采瓦斯工作越发困难，矿井安全高效生产受到严重制约。

本文以老厂矿区某煤矿3采区C7+8煤层回风上山为试验区，开展超高压水力割缝增透试验，并对割缝合理技术参数及增透效果进行了系统的考察研究，相关成果为同类型煤层增透实践提供重要参考。

1 低透高瓦斯强吸附性煤层瓦斯治理难题

1.1 瓦斯治理难题

老厂矿区位于富源县老厂镇、十八连山镇，储存约30亿t的无烟煤，分布有24对矿井，主要开采二叠纪龙潭组的C2、C3、C7+8、C9、C13、C16等煤层，煤层间距为10～35m，煤层间岩层以泥岩、砂质泥岩为主。矿井内各煤矿均采用下行式多煤层开采，其中C7+8煤层具有透气性低、瓦斯含量高、吸附瓦斯能力强等典型特征(表1)，生产中瓦斯防治工作面临很多困难，主要表现在以下方面。

1)预抽钻孔间距为1.5～2.5m，施钻过程中时常发生串孔，压风排渣易于堵塞邻近钻孔。

2)预抽达标时间长达2～4个月，作业点接续失调。

3)孔口负压大，钻孔瓦斯浓度低，抽采支管表面凹陷破损。

4)落煤瓦斯涌出量大，落煤期瓦斯监控曲线台阶式陡增，掘进面风速达到2.5～3.5m/s，作业环境差。

表1 老厂矿区C7+8煤层瓦斯特征参数

1.2 关联因素分析

1)煤层透气性差，钻孔抽、排半径小，造成预抽达标时间长、排放效果差。

2)煤层吸附瓦斯能力强[7-8]，煤层裂隙不发育且贯通性差，凭借孔口高负压促使煤层瓦斯解吸，使得管道负压过大而压瘪凹陷。

3)抽采效果差造成残余瓦斯含量高，落煤瓦斯涌出量大、稀释风量大。

2 超高压水力割缝技术原理、装备及工艺

2.1 超高压水力割缝卸压增透原理

超高压水射流在钻孔中旋转切割孔壁煤体并将煤屑冲排至孔外，形成半径达1.5～2.5m、厚度达3.0～6.0cm扁平缝槽，促使煤体均匀卸压增透，具体原理为[9-10]：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、形成瓦斯解吸、渗流的贯通通道；③缝槽直径较大，扩大了钻孔径向煤体增透范围；④缝槽位置可控、厚度较小、促使钻孔周边煤体均匀卸压。

2.2 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(表2)。

2.3 超高压水力割缝实施工艺

本次GF-100型超高压水力割缝增透试验实施的主要工艺流程如下。

1)将金刚石钻头、高低压转换割缝器、浅螺旋耐高压钻杆、普通旋转接头依次连接，接入静压水使用钻机将钻孔施工至设计深度，充分冲洗钻孔后停钻。

2)调换超高压旋转接头，使用超高压软管连接超高压清水泵，接入超高压水流。

表2 GF-100型超高压水力割缝主要装置性能

3)启动钻机维持低速旋转状态，启动超高压清水泵，梯度式加压至合理割缝压力后维持割缝一定时间，待排屑显著减少后关停超高压清水泵，完成此缝槽割缝作业。

4)后退钻杆一定距离，重复步骤(3)，完成邻近缝槽割缝作业。

5)继续后退钻杆一定距离，重复步骤(3)，直至最后一个缝槽割缝完毕，退出钻杆。

6)孔内下管、封孔、接抽。

3 超高压水力割缝增透试验

3.1 试验工作面概况

老厂矿区某煤矿3采区C7+8煤层回风上山、运输上山属于准备巷道，以平行状态沿煤层顶板布置在C7+8煤层中，设计断面均为3.0m×4.2m，巷道间煤柱宽40m，埋深约430m，采用综掘作业；运输上山已经掘进至设计位置，回风上山未掘进。该处C7+8煤层结构及瓦斯参数见表3。

3.2 割缝增透试验方案

在3采区C7+8煤层运输上山中布置顺层平行钻孔预抽C7+8煤层回风上山条带瓦斯，选择3个条带按照表4中的参数布置钻孔(图1)。

表3 3采区C7+8煤层结构及瓦斯参数

图1 割缝增透试验钻孔布置

表4 不同条带钻孔设计参数

1号条带、3号条带钻孔施工完毕后，及时接抽，封孔深度为17m；2号条带钻孔施工到设计深度后，按照5m的间距由孔底向孔口依次进行水力割缝，单孔割缝9个，相邻钻孔交叉割缝；钻孔割缝完毕及时接抽，封孔深度为17m。

3.3 合理技术参数确定

3.3.1 割缝压力、单缝排屑量确定

2号条带预抽钻孔割缝初期，对不同割缝压力及单缝排屑量进行实验测量(表5)。

由表5分析可知：

1)割缝压力小于60MPa时，水射流对孔壁煤体的破坏力不足，缝槽的深度不足、煤屑量较小，缝槽周边煤体的卸压范围及卸压幅度较小，无法有效的实现孔壁煤体大范围卸压增透效果。

2)割缝压力处于60～80MPa之间时，水射流对孔壁煤体的破坏力较强，割缝深度及煤屑量显著增高，缝槽周边煤体的卸压范围及卸压幅度较大，确保了孔壁煤体在较大范围内的卸压增透；同时孔壁煤体维持较好的稳定性，利于瓦斯解吸、渗流、扩散。

3)割缝压力大于80MPa时，水射流对孔壁煤体造成严重破坏，增加割缝深度的同时也带来严重的塌孔埋钻风险，使得割缝的施工难度大幅增加；同时孔壁煤体稳定性严重破坏堵塞了裂隙通道，不利于瓦斯解吸、渗流、扩散。

鉴于以上情况，综合权衡增透效果、割缝施工操作等因素，确定C7+8煤层合理割缝压力为80MPa，单缝合理排屑量为0.35t，估算缝槽半径为1.76m。

近年来对小学语文教学的关注越来越多，其中对阅读教学的关注尤其多。因为阅读教学是小学语文教学的中心环节，也是最容易忽视的环节。培养阅读能力是小学语文教学的重要组成部分，提高阅读教学的效率是提高小学语文教学质量的关键。《语文课程标准》明确指出：“小学各年级的阅读教学都要重视朗读。中高年级要重视默读。要让学生充分地读，在读中整体感知，在读中有所感悟，在读中培养语感，在读中受到情感的熏陶。”我结合教学实践，就小学语文阅读教学进行了探究，下面我就谈谈自己的看法：

表5 不同割缝压力、单缝排屑量实验结果

3.3.2 单缝割缝时间、缝槽间距确定

使用80MPa割缝压力时，单缝割缝5～7min后，孔口排屑量显著减小，返水显著变清，此时水射流对煤体的破坏深度已达极限，该处及更深处煤体的抵抗拉剪破坏的能力逐渐大于水射流的破坏力，煤体难以被进一步破坏，排屑量不足，如此确定单缝合理割缝时间为7min。

使用80MPa割缝压力时，缝槽间距小于3.5m时时常发生严重夹钻现象，此时相邻缝槽间煤体的塑性破坏区相互贯通，煤体稳定性较差，易于塌孔，造成夹钻及排屑困难且堵塞了解吸瓦斯的渗流扩散通道；缝槽间距处于3.5～5.0m时偶有发生轻微夹钻现象，此时相邻缝槽间煤体的塑性破坏区被中间的弹性变形区分隔，煤体维持较好的稳定性及承载能力，不易塌孔，排屑顺畅，极易于瓦斯解吸、渗流、扩散；缝槽间距大于5.0m时未发生夹钻现象，此时相邻缝槽间煤体的塑性破坏区被中间的弹性变形区分隔，但弹性变形区范围较大，造成缝槽间煤体难以形成交叉贯通的裂隙通道，制约了缝槽的增透效果。如此确定合理缝槽间距为5.0m。