突出特厚煤層超高壓水力化增滲技術(shù)及應(yīng)用

何小軍HE Xiao-jun

（河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，新鄭 451184）

0 引言

煤與瓦斯突出主要是由地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用下發(fā)生，這種說法一直得到許多學(xué)者一致贊同。然而，現(xiàn)場統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出并未是瓦斯壓力起到主要作用[1]，例如，鄭州礦區(qū)有些煤礦瓦斯壓力小于煤與瓦斯突出鑒定臨界值0.74MPa，通過現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)，煤層瓦斯壓力雖小，但是煤層瓦斯含量卻很大，煤層最大瓦斯含量接近20m3/t，該煤層具有煤與瓦斯突出危險性。為何該煤層測得瓦斯壓力較小的原因進行分析可知：該煤層屬于非常松軟煤層，煤層透氣性系數(shù)非常低，游離瓦斯占比小于10%，通過現(xiàn)場施工裸孔，孔口測得瓦斯?jié)舛刃∮?%，絕大多數(shù)都是1%左右，鉆孔瓦斯涌出量小，鉆孔施工后出現(xiàn)塌孔，從而影響瓦斯抽采效果。

為了消除該煤層的突出危險性，一方面需要對于松軟特厚煤層采取底板巷穿層鉆孔抽采工作面瓦斯，消除煤層突出危險性。另外需要對該煤層進行卸壓增透，加大煤層裂隙為瓦斯運移產(chǎn)生通道[2-3]。

目前，我國超過80%以上的煤礦為地下開采，煤層埋深的增大，煤層透氣性變小，尤其是對松軟特厚煤層，透氣性更小，雖然煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育好，但是煤層瓦斯流通的通道不連通，這樣對煤層瓦斯抽采增加難度，為了更好的消除煤層突出性。采用普通抽采鉆孔很難抽出煤層瓦斯[4-6]。為了抽采松軟特厚煤層瓦斯，相關(guān)研究學(xué)者進行了大量的試驗研究。其中：劉旭東[1]等通過高壓水力“割-壓”鉆孔周圍煤體潤濕范圍演化特征，為“割-壓”聯(lián)合增透條件煤層水分滲流規(guī)律，從而判斷水力壓裂技術(shù)的有效范圍；周雷[7]等通過理論研究水力壓割聯(lián)合增透理論，提出了壓割聯(lián)合增透模型，進行了數(shù)值模擬壓割聯(lián)合增透的裂隙發(fā)育規(guī)律，驗證了聯(lián)合增透的效果；林柏泉[8]等研究了水力化技術(shù)措施條件下多場耦合作用機理，驗證了水力化增透技術(shù)在松軟煤層中應(yīng)用效果，結(jié)果表明水力化增透作用下增加了煤層的透氣性系數(shù)，抽采達標時間縮短了50%。

鑒于此，筆者鑒于趙家寨煤礦采掘接替現(xiàn)狀，決定采用超高壓水力割縫增透技術(shù)，增加極松軟低透氣性煤層滲透率，進一步擴大煤體裂隙。最后，通過理論分析、現(xiàn)場試驗，驗證了超高壓水力割縫增透技術(shù)，對提高極松軟煤層透氣性系數(shù)具有良好的效果。

1 松軟特厚煤層賦存特征

趙家寨煤礦主要可采煤層為二1 煤層，煤層瓦斯賦存規(guī)律呈西高東低的特征，最大煤層瓦斯壓力0.48MPa，瓦斯壓力整體偏小，但是瓦斯含量整體較大。目前研究的區(qū)域附近最大瓦斯含量為18.11m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.078～0.178m2/（MPa2·d），測得二1 煤的堅固性系數(shù)f 值為0.09～0.31，瓦斯放散初速度ΔP 為15.7～22。

本次走向需要消突的區(qū)域為14201 上付巷煤巷回風(fēng)聯(lián)巷，該巷道長度140m，傾向消突控制范圍上幫向上37.4m、下幫向下50m；煤層厚度2～26.4m，平均5.5m，煤層部分區(qū)域含有夾矸1～2 層，夾矸厚度0.10～2.27m，夾矸巖性多為泥巖和炭質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)整體簡單。

2 碎軟煤層水力割縫增滲技術(shù)

2.1 水力割縫原理

通過超高壓水力壓裂后，煤體瓦斯含量一定程度降低，壓裂孔周邊煤體應(yīng)力一定幅度降低[9-10]。此時，通過超高壓水力割縫技術(shù)，對松軟煤體進一步卸壓，煤體內(nèi)部孔裂隙大大增加[11-12]。創(chuàng)造了瓦斯運移和釋放的通道，提升瓦斯抽采效率，進而降低瓦斯含量與壓力，達到消突的目的[13]。水力割縫鉆孔與普通鉆孔增滲消突機制對比圖如圖1 所示。

圖1 水力割縫增透原理圖

2.2 水力割縫設(shè)備

水力割縫成套裝置主要包括金剛石鉆頭、水力割縫淺螺旋高壓密封鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、超高壓清水泵、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、超高壓軟管、安全防脫等安全設(shè)施，其組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 超高壓水力割縫工藝示意圖

①水力割縫器：水力割縫時當水力壓力小于15MPa，水從割縫器前端噴出，鉆機可以正常鉆進，如圖3 所示；當水壓壓力大于15MPa，前端封閉，高壓水從割縫器側(cè)面射出如圖4 所示。

圖3 水壓小于15MPa 正常鉆進過程

圖4 水壓大于15MPa 正常割縫退鉆過程

②高壓軟管：主要連接超高壓旋轉(zhuǎn)水尾與超高壓清水泵。

③淺螺旋鉆桿：采用高強度無縫鋼管制作而成，鉆桿長度1000mm，外徑73mm，壁厚13mm，抗扭強度大于7200N·m。

④旋轉(zhuǎn)水尾：采用高壓動密封設(shè)計，工作壓力為150 MPa，流量為400L/min。

2.3 水力割縫設(shè)計優(yōu)化

結(jié)合趙家寨煤礦目前瓦斯抽采實際情況，在工作面14201 上付巷回風(fēng)聯(lián)巷掘進前，采用底板巷施工穿層鉆孔結(jié)合水力割縫，提高掘進煤巷條帶區(qū)域瓦斯抽采效率，實現(xiàn)快速降低煤層瓦斯含量。達到消突的為目的[14]。為提高割縫效率，底板巷穿層鉆孔設(shè)計為8×8 模式，即為單組扇形鉆孔孔間距設(shè)計為8m，每組設(shè)計鉆孔16 個，組間距也為8m。

底板巷穿層鉆孔從左到右鉆孔編號分別為1#～16#孔，鉆孔終孔點位置為穿過煤層頂板0.92m，上付巷回風(fēng)聯(lián)巷上幫控制范圍37.4m，下幫控制范圍50m，終孔間距8m；鉆孔割縫從8#、9#鉆孔分別向兩側(cè)依次進行割縫。

圖5 底板巷穿層鉆孔水力割縫設(shè)計示意圖

3 水力化增滲效果分析

3.1 水力割縫半徑

水力割縫壓力為60MPa 左右，底板巷穿層鉆孔水力割縫時沖出大量煤粉，通過割縫卸煤量增加[15]，煤粉顆粒大小為0.01cm 左右，在高壓水射流和螺旋鉆桿的共同作用下，工作面14201 上付巷回風(fēng)聯(lián)巷掘進工作面累計完成水射沖刷32 個鉆孔，每個鉆孔共沖刷次數(shù)3～7 刀，每次沖刷時間40～80min，平均單孔沖出煤粉量為7.2t[16]，平均每刀沖刷排屑量為1.2t。

π——圓周率3.14；

M——水射流沖刷后排出煤粉量，t；

r——水射流沖刷后縫隙的半徑，m；

h——縫隙的高度，根據(jù)地面試驗割縫后產(chǎn)生縫隙的高度為0.03～0.05m；

K——割縫后煤的損失率，K=0.85～0.95；

γ——煤的密度，t/m3。

根據(jù)公式（1）反算在每刀平均排出煤屑量M=1.2t 的條件下，割縫后形成縫槽半徑：r=2.51m。

3.2 瓦斯抽采純量分析

根據(jù)14201 上付巷回風(fēng)聯(lián)巷割縫鉆孔抽采純量統(tǒng)計將平均單孔日抽采純量繪制如圖6 所示。

圖6 平均單孔純量變化趨勢

由圖可知：針對于14201 上付巷回風(fēng)聯(lián)巷超高壓水力割縫增滲工藝后鉆孔抽采純量進行了統(tǒng)計分析，超高壓水力增滲鉆孔施工完成后，平均單孔日抽采純量大幅增加，平均單孔抽采純量峰值達到68.48m3/d。抽采39d 后，平均單孔日抽采純量出現(xiàn)衰減，平均值仍然保持在30.52m3/d。是未割縫區(qū)域鉆孔的瓦斯抽采純量12.42m3/d 的2.5 倍，割縫工藝后的抽采純量增加顯著。

3.3 殘余瓦斯含量測定

14201 上付巷回風(fēng)聯(lián)巷在二1 煤層中掘進，該區(qū)域煤層平均瓦斯含量8.91m3/t。超高壓水力割縫增滲鉆孔抽采28d 后，在底抽巷施工3 個穿層鉆孔測量殘余瓦斯含量結(jié)果分別為5.61m3/t、4.71m3/t、5.74m3/t，數(shù)據(jù)顯示使用壓割工藝增加煤巖透氣性后，煤層瓦斯抽采效率得到顯著提升。

4 結(jié)論

①總結(jié)了松軟煤層水力割縫理論，并對水力割縫鉆孔設(shè)計進行了優(yōu)化。②采用超高壓水力割縫增滲工藝后，瓦斯抽采日純量平均為30.52m3/d，是未割縫區(qū)域鉆孔的瓦斯抽采純量12.42m3/d 的2.5 倍，割縫工藝后的抽采純量增加顯著。③該區(qū)域煤層平均瓦斯含量8.91m3/t。割縫后鉆孔抽采28d 后，瓦斯含量降低到5.74m3/t，達到了突出煤層消突的目的。