超高压水力割缝技术在N1103胶带顺槽中的应用

宋显锋

(潞安集团余吾煤业有限公司)

余吾煤业主采3#煤层，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.081 1～0.252 5 d-1,透气性系数为0.524～1.741 5 m2/(MPa2·d)，坚固性系数为0.44～0.53，属于可抽放-较难抽放煤层。采用顺层钻孔对回采工作面预抽时，钻孔施工量大，抽采效率低，导致抽采达标时间长，由于矿井目前采掘接替紧张，因此，寻求一种快速卸压增透的措施显得尤为重要[1]。通过调研发现，利用高压水在已施工的钻孔中对煤体割缝、钻扩孔，即水力割缝，能够将钻孔直径增大，增加抽放效果，从而缩短抽采达标时间。为此，在N1103胶带顺槽采用顺层钻孔超高压水力割缝技术治理瓦斯[2]。

1 超高压水力割缝技术原理

高压旋转水射流割缝能够增加煤体暴露面积，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，缝槽上下的煤体在一定范围内得到较充分卸压，增大了煤层的透气性[3]。缝槽在地压的作用下，周围煤体产生空间移动，扩大了缝槽卸压、排瓦斯范围。在高压旋转水射流的切割、冲击作用下，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成扁平缝槽空间，增加了煤体中的裂隙，可大大改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，缓和煤体和围岩中的应力紧张状态，既可削弱或消除突出的动力，又可提高煤层的强度，起到防突作用，并提高透气性和瓦斯释放能力，水力割缝技术原理见图1。

图1 顺层钻孔超高压水力割缝技术示意

2 现场应用

7月31日在N1103胶顺开展顺层钻孔超高压水力割缝试验，设计施工15个割缝试验孔、15个对比孔，开孔高度为1.8 m，方位角为270°，倾角为2°，钻孔间距为5 m。截止到8月18日4点班，累计完成15个试验孔割缝。试验孔开孔角度、方位角为2°、270°，割缝过程中最高压力为100 MPa，单刀割缝时间为5～7 min，其中90 MPa割缝时间为3 min以上，割缝间距为3，4，5 m。表1为N1103胶顺试验孔成孔参数[3]。

15个试验钻孔割缝压力为90 MPa，现场跟班可以发现，返渣为小颗粒煤块、煤泥，粒度为0.5～1.5 cm，在高压水和螺旋钻杆的共同作用下，返渣顺利排到孔口，割缝过程中未出现明显喷孔、夹钻现象。各试验孔单刀出煤量统计数据见表2。

N1103胶顺单孔割缝数量为17～28刀，单刀割缝时间为6～10 min，单孔割缝时间为180～409 min，平均单孔割缝时间为293 min，单孔出煤量为4.75～9.52 t，15#试验孔煤质变硬，出煤量仅为2.2 t。总体计算，平均单孔出煤量为6.55 t，平均每刀割缝排屑量为0.3 t。

表1 N1103胶顺超高压水力割缝试验孔成孔情况

表2 N1103胶顺超高压水力割缝试验钻孔出煤量

割缝半径理论计算为

M=πr2hKγ，

式中，M为割缝后排出煤屑量，t；r为割缝后缝隙的等效半径，m；h为割缝后缝隙的高度，m；K为割缝后产生煤屑的碎涨系数，1.1～1.3；γ为煤的密度，1.39 t/m3。

把割缝形成的缝隙视为一个圆柱体，根据式(1)反算在每刀平均排出煤屑量0.3 t的条件下，割缝后形成缝槽半径为0.85 m，与超高压水力割缝预计割缝深度1.5～2.0 m相差较大。

通过在3#试验孔右侧1.5，2.5 m施工40 m深钻孔，发现2个钻孔均未出现串孔情况，可以初步认为3#试验孔在30～40 m孔深因割缝产生的裂隙未延伸至1.5 m，即割缝半径小于1.5 m，这与理论计算结果基本吻合[4]。

3 效果考察

每个试验孔割缝完毕后，安装单孔流量计进行数据观测，同时为对比割缝效果，选择同一区域的5个新成普通钻孔进行数据观测对比[4]。在抽采时间一致的情况下，选择1#～5#试验孔与5个普通孔瓦斯流量进行对比，结果见图2。

图2 钻孔抽采纯量变化情况

由图2可以看出：

(1)试验孔刚抽时，抽采纯量均较高，基本在0.06 m3/min以上，其中4#试验孔最高，抽采纯量为0.597 m3/min，随着抽采时间的增加，各试验孔纯量先出现下降，又出现小幅度上升，随后又下降并趋于稳定，各试验孔在抽采6～10 d后稳定在0.02～0.03 m3/min，分析原因采用超高压水力割缝卸压增透措施后，割缝钻孔内部煤体暴露面积增大，煤体卸压，促进煤体瓦斯解析，煤层透气性显著增加，钻孔煤壁大量游离瓦斯涌出，造成了初期流量较大的情况；随着时间的推移，钻孔附近煤体瓦斯含量显著下降，而此时由于抽采时间较短，深部瓦斯尚未运移至钻孔处，造成了流量显著下降的现象,随着后期抽采时间的继续增加，深部瓦斯将陆续运移至钻孔处，则出现瓦斯流量上升的现象,流量上升后煤体游离瓦斯不断减少，吸附瓦斯开始解析，二者达到一个相对平衡状态，即抽采流量出现下降并趋于稳定。

(2)5个普通孔抽采纯量稳定在0.01～0.04 m3/min，且变化幅度不大。分析原因为在相同抽采负压、抽采时间条件下，割缝钻孔由于瓦斯释放较快，透气性好，割缝钻孔前期抽采流量较高，随着抽采时间的增加，割缝孔内煤体应力趋于平衡，瓦斯解析速度降低，抽采纯量相应降低，而对比孔未采取卸压措施，故钻孔内部瓦斯解析速率变化较小，即对比孔抽采流量变化幅度较小。

通过对比5个试验孔和5个普通孔抽采量数据(图3)发现，试验孔单孔最高抽采纯量、平均抽采纯量为0.597，0.06 m3/min，普通孔单孔最高抽采纯量、平均抽采纯量为0.043 ，0.018 m3/min，试验孔、普通孔万米抽采量分别为3.58，1.33 m3/min，二者相差2.69倍。

图3 试验孔和普通孔抽采量对比

4 结 语

通过在N1103胶顺采用顺层钻孔超高压水力割缝技术，能够增加煤壁暴露面积，改变瓦斯流动状态，增加煤体透气性，有效提高钻孔抽采流量，单孔抽采纯量增大至普通孔的3.33倍，瓦斯含量下降幅度大，缩短了煤层瓦斯抽采达标时间。该技术对于煤层瓦斯治理具有广阔的应用前景。