松軟煤層穿層鉆孔水力沖孔與水力割縫卸壓增透效果研究

譚東升 張世杰 燕 林

（1.平煤集團(tuán)十二礦，河南 平頂山 467000；2.鄭煤集團(tuán)白坪煤業(yè)，河南 登封 452400）

鄭煤集團(tuán)白坪煤礦主采二1 煤層，屬于典型的松軟低透氣性突出煤層[1]，目前主要采取底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，同時輔以水力化增透卸壓技術(shù)提高煤層瓦斯?jié)B透率，增強(qiáng)抽采效果。當(dāng)前水力化增透卸壓技術(shù)主要包括水力割縫、水力沖孔等[2-3]。為了考察兩種增透卸壓技術(shù)在白坪煤礦的實際效果，進(jìn)行了對比試驗研究，以期找出更加適合松軟低透氣性突出煤層增透卸壓方法。

1 煤層卸壓增透工藝介紹

1.1 水力沖孔

水力沖孔措施主要用在底板抽放巷道中，先向突出煤層施工穿層鉆孔，見煤后用高壓水射流進(jìn)行沖孔，使煤層突出能量在可控的條件下緩慢釋放，逐漸形成若干直徑較大的孔洞，破壞煤巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，孔洞周圍煤體向孔洞方向發(fā)生不同幅度的位移，促使應(yīng)力狀態(tài)重新分布，在煤層形成裂隙的同時促進(jìn)煤體卸壓。同時在鉆孔與鉆孔之間的煤體形成裂隙網(wǎng)，溝通了整個煤層的瓦斯流動空間，煤層瓦斯透氣性顯著提高[4]。

水力沖孔過程排出了大量的瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，因此在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域。在這個安全區(qū)域內(nèi)，水力沖孔既消除了突出的動力，又改變了突出煤層的性質(zhì)，因而破壞了突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件，起到了有效的防治突出效果。

1.2 水力割縫

高壓水力割縫是通過高壓水泵加壓產(chǎn)生的高壓水為介質(zhì)，高壓水通過高低壓轉(zhuǎn)換割縫器的噴嘴內(nèi)噴出，形成一股能量高度集中的細(xì)束高壓水流，高壓水流有非常強(qiáng)的穿透、沖蝕能力，完成對煤體的強(qiáng)烈沖擊，從而對煤體形成切割和破碎。高壓水射流在抽采鉆孔煤層范圍內(nèi)上、下來回切割，通過切割后的鉆孔周圍形成一條具有深度扁平縫槽，利用水流將切割下來的煤帶出孔外，從而增加煤體的暴露面積，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件。扁平的縫槽相當(dāng)于局部范圍內(nèi)開采了保護(hù)層，改變了煤體的原應(yīng)力，使抽采鉆孔附近煤層局部卸壓，改善了煤層中的瓦斯流動狀態(tài)，提高了煤層的透氣性和降低煤層應(yīng)力狀態(tài)[5]，從而達(dá)到煤層增透卸壓的目的。

2 水力沖孔和水力割縫工藝對比分析

兩種卸壓增透工藝均能改變煤巖體的原始應(yīng)力，增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率。但在一些方面仍然有所不同，不同點有以下兩個方面：

（1）出口水壓不同。水力沖孔工藝采用金剛石PDC 鉆頭出水口對煤層反復(fù)沖刷，出口壓力相對較?。凰Ω羁p工藝的高低壓轉(zhuǎn)換割縫器開啟壓力在10～15 MPa 之間，達(dá)到額定開啟壓力割縫器才能打開釋放高壓水，切割煤體水壓維持在10 MPa左右。

（2）在煤層中形成的空間形式不同。水力沖孔工藝對煤層進(jìn)行反復(fù)沖孔之后會形成“梨形”空洞，空洞與空洞之間形成裂隙，構(gòu)成卸壓裂隙網(wǎng)；水力割縫工藝依靠高低壓轉(zhuǎn)換割縫器在煤層范圍內(nèi)上、下來回切割，切割后的鉆孔周圍形成一條具有深度扁平縫槽，從而達(dá)到增加煤層透氣性的目的。

3 兩種卸壓增透方法效果對比分析

為了對比分析水力沖孔和水力割縫兩種工藝的增透卸壓效果，在白坪煤礦13031 底抽巷進(jìn)行現(xiàn)場卸壓增透效果試驗，記錄兩種卸壓增透方式的施工時間，持續(xù)跟進(jìn)單孔瓦斯?jié)舛人p變化，選取松軟煤層穿層鉆孔最佳的卸壓增透工藝。

3.1 現(xiàn)場鉆孔布置方式

試驗鉆孔選取在13031 底抽巷4#鉆場處，鉆場共設(shè)置8 個試驗鉆孔，B1～B4 號鉆孔采用水力沖孔增透卸壓方式，B5～B8 號鉆孔采用水力割縫增透卸壓方式。試驗鉆孔具體施工參數(shù)見表1。

3.2 不同卸壓增透工藝效果對比分析

3.2.1 施工工效

在鉆機(jī)施工過程中，分別記錄兩種卸壓增透工藝鉆孔施工時間、卸煤時間和卸煤量，水力沖孔卸煤標(biāo)準(zhǔn)按照每米煤孔至少卸煤1 t，水力割縫按照每米煤孔切割一刀，每刀切割時間至少1 h，同時控制每個鉆孔的卸煤量一定。記錄數(shù)據(jù)見表2。

表1 試驗鉆孔施工參數(shù)

表2 兩種卸壓增透工藝施工工效表

8 個鉆孔累計穿煤79.8 m，平均穿煤9.9 m，卸煤量82.12 t。從表中可以看出，兩組鉆孔的施工時間是相同的，在卸煤量大致相同的情況下，水力沖孔的卸煤時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水力割縫的卸煤時間。水力沖孔能在更短的時間達(dá)到增透效果，縮短施工時間，節(jié)約成本。從施工工效來看水力沖孔優(yōu)于水力割縫。

3.2.2 抽放效果

鉆孔成孔后24 h 內(nèi)聯(lián)網(wǎng)抽放，對每個聯(lián)網(wǎng)抽放的單孔連續(xù)14 d 測量其瓦斯?jié)舛龋鶕?jù)井下測量的瓦斯?jié)舛群陀^測時間繪制出水力沖孔和水力割縫的瓦斯平均濃度對比曲線圖。觀測結(jié)果如圖1。

圖1 不同增透卸壓工藝鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

從圖1 可以看出，隨著時間的延長，兩種卸壓增透方式的平均瓦斯?jié)舛榷荚诓粩嗟厮p，但水力沖孔的瓦斯?jié)舛仁冀K高于水力割縫的平均瓦斯?jié)舛?。抽?0 d 以后，水力沖孔的平均瓦斯?jié)舛戎饾u穩(wěn)定在35%左右，水力割縫的平均瓦斯?jié)舛仍诘?4 d 時已下降至14%左右。在整個抽采周期內(nèi)水力沖孔比水力割縫的平均瓦斯?jié)舛雀叱?6%。

4 結(jié)論分析

從施工工效來看，與水力割縫相比水力沖孔的整個施工時間減少了26.7%，節(jié)約了成本。從瓦斯抽放效果來看，水力沖孔的平均瓦斯?jié)舛仁冀K高于水力割縫，在整個抽采周期內(nèi)水力沖孔比水力割縫的平均瓦斯?jié)舛雀叱?6%。綜合分析，在松軟低透氣性煤層中，水力沖孔的卸壓增透效果要優(yōu)于水力割縫的卸壓增透效果。