水力割縫技術在建設煤礦的考察與試驗實踐

李仲平

【摘? 要】論文以水力割縫技術在興文縣建設煤礦的工業(yè)性應用試驗過程與效果分析，闡述了水力割縫技術在煤礦瓦斯抽采過程中，如何考察煤層增透的相關參數(shù)及分析思路，對四川宜賓區(qū)域內(nèi)的高瓦斯及突出礦井提高煤層瓦斯抽采及達標效果、防治瓦斯事故、實現(xiàn)安全生產(chǎn)具有較強的指導作用。

【Abstract】Based on the industrial application test process and effect analysis of hydraulic slotting technology in Xingwen County coal mine construction， this paper expounds how to investigate the relevant parameters and analysis ideas of coal seam reflection improvement in the process of gas extraction by hydraulic slotting technology. It has a strong guiding role in improving coal seam gas extraction and standard effect， preventing gas accidents and realizing safe production in high gas and outburst mines in Yibin， Sichuan Province.

【關鍵詞】水力割縫;建設煤礦;考察;試驗

【Keywords】hydraulic slotting; construction of coal mine; investigation; test

【中圖分類號】TD712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）01-0188-03

1 引言

為考察水射流割縫技術的實際增透效果，考察組在興文縣建設煤礦+150 m南翼運輸巷進行了穿層高壓水射流割縫增透工業(yè)性應用試驗。在試驗過程中，分別觀測了3個考察單元的試驗割縫孔、常規(guī)鉆孔等對比割縫孔的抽采濃度及流量，總結分析了施工工藝、割縫鉆孔布置間距、割縫鉆孔有效半徑、割縫后的煤體擾動、割縫出煤量等對煤層瓦斯抽采效果產(chǎn)生的影響，對建設煤礦瓦斯抽采達標、緩解采掘接替緊張、防止煤與瓦斯突出、實現(xiàn)安全生產(chǎn)起到了積極作用。

2 礦井基本情況

興文縣建設煤礦位于興文縣城142°方向，直距約6 000 m處;礦區(qū)范圍呈南北走向展布，系不規(guī)則的長方形狀;走向長約3 400 m，傾向平均寬約1 150 m，面積3.92 km2，開采深度

+400～-100 m，開采11號煤層;核定生產(chǎn)能力21萬噸/年，屬于煤與瓦斯突出礦井、地質(zhì)構造復雜程度簡單偏中等。

礦井采用斜井開拓，劃分2個水平，5個采區(qū)，水平標高

+150 m和-100 m。其中+150 m水平劃分為一、二、三采區(qū)，

-100 m水平劃分為四、五采區(qū)。依次開采一采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū)、四采區(qū)、五采區(qū)，采用“采區(qū)前進，區(qū)內(nèi)后退”的開采順序，走向長壁開采。

礦井首采區(qū)（一采區(qū)）布置在+150 m水平運輸石門北翼，布置有1個瓦斯抽采達標的采煤工作面（1511采煤工作面）和1個正在瓦斯抽采的準備工作面（1512采煤工作面）。首采工作面煤層平均厚度0.5～2.5 m，煤層傾角25°～37°，機械落煤，一次采全高，刮板輸送機運輸，單體液壓支柱支護，全部垮落法管理頂板，配備有3個掘進工作面。掘進工作面配備GMZ-1.2型煤電鉆或YT28風鉆打眼，耙砂機裝車，礦車運輸，并配備ZDY650型探水鉆，F(xiàn)BDNo5.6/2X5.5型局部通風機供風。

3 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)建設情況

礦井于2008年4月建立礦井地面固定瓦斯抽采泵站和瓦斯抽采系統(tǒng)，配備有兩臺2BEA-303型水環(huán)式真空泵，一臺工作，一臺備用，最大抽氣量61.6 m3/min，最低吸入絕壓

33 hPa，電機功率110 kW。抽放泵房設在主斜井右側約80 m處，從地面抽放站安設抽放管路，經(jīng)+395 m副斜井進入礦井，經(jīng)+150 m石門運輸巷，一條支管線從+150 m北巖石運輸巷進入采煤工作面、備用采煤工作面運輸巷及+150 m北巖石掘進巷;另一支管線從+150 m南巖石運輸巷進入南一采區(qū)上部煤巷掘進工作面。

瓦斯抽采管為PVC型煤礦井下用抽放瓦斯管，主管管徑D250 mm，干管管徑D200 mm，支管管徑D150 mm。

4 考察與試驗主要情況

4.1 試驗區(qū)域概況

根據(jù)礦井生產(chǎn)情況、抽采瓦斯鉆孔水力割縫施工工藝需要，將水力割縫增透技術施工地點設置在礦井+150 m南運輸巷內(nèi)，如圖1方框區(qū)域所示。

4.2 試驗概況

水力割縫鉆孔有效抽采半徑考察：

①水力割縫鉆孔與測壓孔布置如圖2所示，共布置1個水力割縫孔、4個測壓孔，參數(shù)如表1所示。

②水力割縫瓦斯抽采鉆孔布置分3個單元布置，布置參數(shù)分別如圖3、圖4、圖5所示。

5 效果與分析

5.1 擴孔效果分析

割縫孔與普通孔擾動效果對比如表2所示。對比結果說明割縫起到了很好的擴孔作用，直接擾動半徑與直接擾動表面積較普通鉆孔均提高了5～10倍，直接擾動體積提高了22～98倍。

5.2 抽采效果分析

5.2.1 割縫方式對瓦斯抽采效果的影響分析

試驗割縫孔、對比割縫孔以及割縫孔的濃度、抽采量隨時間變化的測試結果如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可得出如下結論：

①試驗割縫孔最大瓦斯?jié)舛葹?8%，平均濃度為83%;對比割縫孔最大瓦斯?jié)舛葹?5%，平均濃度為63%;常規(guī)鉆孔的最大瓦斯?jié)舛葹?3%，平均濃度為35%。割縫鉆孔較常規(guī)鉆孔瓦斯抽采量提高了1.37倍。②采用水射流割縫技術后單孔的瓦斯抽采量有顯著增加，采用水射流割縫技術后單位長度鉆孔每天最大瓦斯抽采量提高了1.4～1.59倍，單位長度鉆孔極限抽采量提高了0.76倍。③在30天的抽采時間內(nèi)，割縫鉆孔的瓦斯抽采率可達22.21%，常規(guī)鉆孔的瓦斯抽采率僅為6.72%，割縫鉆孔的瓦斯抽采率為常規(guī)鉆孔瓦斯抽采率的3.3倍。

5.2.2 割縫間距對瓦斯抽采效果的影響分析

試驗結果如圖8所示。從圖8可知，8 m、10 m、12 m單元割縫鉆孔的抽采量衰減系數(shù)分別為0.053、0.055、0.073，極限瓦斯抽采量分別為300.04 m3、281.86 m3、198 m3?？梢? m單元、10 m單元割縫鉆孔的瓦斯抽采流量衰減時間要明顯慢于12 m單元割縫鉆孔，且抽采瓦斯純量明顯多于12 m鉆孔。

5.2.3 割縫出煤量對瓦斯抽采效果的影響分析

試驗結果如圖9所示。從圖9可知，3#、4#鉆孔的極限抽采量為205.94 m3、143.64 m3;3#鉆孔抽采量、衰減時間明顯大于4#鉆孔，造成這種差異的原因是出煤量，出煤量越小，煤體直接擾動半徑與卸壓空間隨之減小。

5.2.4 水力割縫有效半徑考察結果分析

在煤層原始瓦斯壓力觀測階段，1#、2#、3#、4#測壓孔壓力表壓力分別穩(wěn)定在1.5 MPa、1.9 MPa、1 MPa、0.9 MPa，可認為該煤層的絕對原始瓦斯壓力為2 MPa。隨后在1#、2#測壓孔之間施工水力割縫鉆孔，割縫過程中乳化液泵的壓力為10 MPa，泄壓閥處壓力為16 MPa，平均每米煤孔割縫時間保持在45～60 min，平均每米鉆孔出煤量0.6 t，施工期間有輕微的噴孔、頂鉆現(xiàn)象，經(jīng)過穩(wěn)定時間后，1～4#測壓孔最終測得的殘余瓦斯壓力分別為0.7 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、0.9 MPa，其中1#、2#測壓孔壓力均發(fā)生了明顯下降，且小于原始瓦斯壓力的50%，3#、4#測壓孔壓力并未明顯改變，這說明1#、2#測壓孔在水力割縫有效范圍之內(nèi)，即水力割縫的有效影響半徑為6.5～8 m。

5.2.5 割縫鉆場間距對煤層瓦斯抽采效果分析

割縫一段時間后，對8 m、10 m、12 m鉆場分別取樣測定其殘余瓦斯含量，測定結果分別為3.404 9 m3/t，3.682 8 m3/t，7.759 9 m3/t，該煤層原始瓦斯含量X0=14.462 1 m3/t，計算得煤層瓦斯抽采率分別為76.46%、74.53%、46.3%?？梢?，鉆場間距控制在8～10 m范圍內(nèi)，瓦斯抽采率較高。

5.2.6 鉆孔工程量減少情況分析

根據(jù)實測割縫有效半徑，結合不同間距下的瓦斯抽采量觀測結果，可認為該區(qū)域內(nèi)割縫鉆孔的合理布置間距為10 m，而在煤礦原有抽采工藝下，每6 m施工一組鉆孔（6個），試驗區(qū)域的120 m范圍鉆孔工程量為3 132 m，采用水射流割縫技術后，每10 m施工一組鉆孔（5個），試驗區(qū)域范圍內(nèi)鉆孔工程量為1 381 m，施鉆總工程量減少55.9%。

5.2.7 掘進進度分析

采用水射流割縫鉆孔預抽區(qū)域內(nèi)，放炮后風排瓦斯?jié)舛绕骄档土?.64%，日均掘進進尺增加了2 m。

6 結語

第一，水力割縫鉆孔較常規(guī)鉆孔在擾動半徑上提高了10倍，擾動體積上提高了98倍，說明采用割縫技術后，煤體的卸壓增透范圍將會得到顯著提升。第二，試驗割縫孔的平均抽采瓦斯?jié)舛容^常規(guī)鉆孔瓦斯抽采濃度提高了1.37倍，極限瓦斯抽采量提高了近2倍，一個月內(nèi)的單孔瓦斯抽采率提高了2.3倍，抽采量衰減系數(shù)為常規(guī)鉆孔的59%，說明采用水力割縫技術后，有效抽采期得到了顯著延長，抽采總量得到了顯著提高。第三，通過分析3個考察單元內(nèi)鉆孔抽采量的差異，得出12 m間距下的割縫鉆孔在抽采效果上要遠小于其他兩單元鉆孔，可認為12 m單元所控制的煤體范圍內(nèi)存在一定體積的原始應力區(qū)。第四，現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，割縫鉆孔周圍6.5 m范圍內(nèi)瓦斯壓力降低至原始壓力的50%，可認為，割縫鉆孔抽采有效影響半徑為6.5～8 m，較常規(guī)抽采工藝提高了1.16倍以上。第五，采用水力割縫技術后，可減少瓦斯抽采鉆孔工程量55.9%，掘進進度可增加2 m/d。