水射流割縫在低透氣性強突煤層瓦斯抽采中的應用

陳 睿

(1.四川煤礦安全監察局安全技術中心，四川成都 610041；2.四川鑄創安全科技有限公司，四川成都 610041）

作為有效的卸壓增透手段，水射流割縫技術逐漸被廣泛的應用，但大多數的研究均基于堅固性系數在0.5 以上且突出危險性較小的堅硬煤層，對松軟的低滲透性強突煤層應用報道相對較少[1]。本文通過在宜賓市興文縣建設煤礦進行工業試驗，論證了水射流割縫技術在川南礦區煤層賦存條件下的應用效果，為低透氣性強突煤層的消突工作提供了參考。

1 鉆割一體化技術裝備

川南地區作為我國煤礦煤與瓦斯突出事故的重災區，其煤層普遍具有煤質松軟，煤體破壞類型大以及煤層賦存不穩定等特點，如采用傳統的煤層水射流割縫方式，即施鉆完畢退出鉆桿，然后另行部署割縫裝置進行水力化作業，則會由于煤體流變導致鉆孔垮孔，大大限制了鉆孔割縫深度和煤體擾動效果。為了克服該難題，課題組設計了后退式旋轉水射流割縫方式，即施工過程中先打鉆至預定深度，在回退鉆桿的同時邊旋轉鉆桿邊進行割縫，并以此為基礎研制了煤層水射流鉆割一體化技術裝備。該裝備可通過壓控一體化鉆頭實現高低壓之間的自動切換，當鉆機鉆進時通過鉆頭供應低壓水，前端的壓力控制閥處于開啟狀態，大孔徑出水口能保持暢通，流過足夠量的低壓水滿足排粉和對鉆頭降溫的需要；鉆機退鉆割縫切換過程中，高壓射流作用在單向閥的一端，當壓力達到8～10 MPa的啟動壓力時，單向閥將鉆頭前端大直徑出水口關閉，僅由小直徑噴嘴通過高壓的射流實現割縫功能[2]。設備總體，見圖1。

圖1 水射流鉆割一體化裝備系統

2 工業性試驗

2.1 礦井概況

四川省興文縣建設煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采11 號煤層，煤層平均厚度1.74 m，平均傾角26°，其瓦斯基礎參數實測結果，見表1。

由于不具備保護層開采條件，所以選取預抽煤層瓦斯作為區域性防突措施。礦井未采用水射流割縫增透技術前瓦斯抽采存在的主要問題為：11號煤層為低透氣性強突煤層，煤質松軟，抽采鉆孔施工期間常伴有塌孔、噴孔等現象，且瓦斯抽采量衰減速度快，工作面瓦斯達標時間至少在12個月以上。

表1 建設煤礦11號煤層瓦斯基礎參數

2.2 試驗概況

在建設煤礦+150 m 南運輸巷內選取長度約100 m的一段巷道，從該段巷道向11號煤層施工頂板穿層鉆孔對1522 工作面運輸巷掘進條帶進行網格化預抽，試驗區域巷道層位關系，見圖2。為驗證抽采效果，將該試驗區域分為三組考察單元，分別施工水射流割縫鉆孔與常規鉆孔，并記錄抽采期間瓦斯抽采流量、濃度等指標變化情況。

圖2 水射流割縫試驗區域三維模擬圖

根據設計方案，每個考察單元共布置4 組鉆場，三個考察單元的鉆場間距分別為8 m、10 m、12 m。為方便進行效果對比，每個考察單元的1、2號鉆場施工割縫孔，3、4號鉆場施工常規孔。每個鉆場含5個鉆孔，控制巷道上幫20 m、下幫10 m范圍。以第一考察單元為例，其鉆孔布置情況，見圖3。

圖3 第一考察單元鉆孔布置示意圖

通過實踐，每根鉆桿的最佳割縫時間為45 min左右，初始割縫壓力應控制在20 MPa以下，當煤炭開始隨水流排出后，緩慢將壓力抬高到30 MPa，并最終保持在30～35 MPa之間。

3 效果考察與分析

3.1 煤體擾動效果分析

煤體在進行水射流割縫后，煤炭隨水流排出的同時由于受地應力、瓦斯壓力以及煤體自重的共同影響，鉆孔空腔內部會產生流變并破壞其完整性，但如果將煤體視作剛性介質，則可根據出煤量、煤炭容重等指標反算出割縫后形成的圓柱形空間，以此來定量的分析出割縫鉆孔對煤體所產生的擾動范圍。

考慮到割縫后煤體的蠕變，假設常規鉆孔和割縫鉆孔的出煤量M，則擾動半徑R可用下式表示：

式中：γ為煤的容重，t/m3；R0為措施前鉆孔孔徑，m；L為割縫孔（或常規鉆孔）長度，m。

以+150 m南運輸巷8-1列割縫試驗鉆孔割縫前后進行分析比對，該鉆孔割縫前成孔半徑38 mm，割縫后的總出煤量M約為32 t，經計算割縫孔與常規孔擾動效果對比，見表2。

表2 割縫孔與常規孔擾動效果對比

由表2 可知，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常規鉆孔均提高了5～10 倍，鉆孔直接擾動表面積的增加促使孔壁周圍瓦斯濃度梯度加大，更有利于瓦斯的流動與解吸。直接擾動體積提高了22～98倍，充分的卸壓空間為煤體破壞流變提供良好的條件，擴大了煤體的破碎區、卸壓影響區范圍，促進煤體裂隙的發育，為提高瓦斯抽采效果創造了有利條件[3]。

3.2 抽采量對比分析

在抽采負壓恒定的情況下，可通過下式擬合鉆孔瓦斯純流量的衰減情況：

式中：qt為時間t下折成每米鉆孔的瓦斯抽采量，m3/(d·m)；q0為折成每米鉆孔的初始瓦斯抽采量，m3/·m；α為鉆孔瓦斯流量衰減系數，d-1；t為鉆孔抽采時間，d。

表征鉆孔流量衰變特征的參數有二個：鉆孔初始瓦斯流量q0和鉆孔瓦斯流量衰減系數α[4]。q0、α是通過測定不同時間下的鉆孔瓦斯流量通過回歸分析求得的，對該式進行積分可得任一時間t內鉆孔瓦斯抽采總量。

從10-1列試驗割縫孔和10-3列常規鉆孔中各選取一個施工參數相似的單孔考察濃度與流量的變化情況，以此建立不同施工工藝下，單孔抽采量隨時間的變化關系，見圖4。

圖4 每米煤孔抽采量隨時間變化曲線圖

由圖4可知，割縫孔的單日最大瓦斯抽采純量為16.02 m3，是常規鉆孔單日最大瓦斯抽采純量（10.1 m3）的1.59 倍。通過擬合抽采量隨時間的變化曲線可以得出割縫鉆孔、常規鉆孔的流量衰減系數α分別為0.031 d-1、0.096 d-1，割縫鉆孔流量衰減速度要遠慢于常規鉆孔，鉆孔的有效抽采時間得到了顯著的延長。

在已知了初始瓦斯抽采量q0和流量衰減系數α的基礎上，通過對式（2）積分可得t=+∞時，割縫孔的每米極限抽采量為300 m3，而常規鉆孔每米極限抽采量為105.17 m3，采用水射流割縫工藝后鉆孔極限抽采量提升了近2倍。因此可推斷：由于割縫鉆孔間存在明顯的應力疊加，導致煤體在不同方向上產生了變形破壞，促使裂隙衍生，瓦斯流動通道增多，卸壓增透效果顯著[5]。

3.3 考察單元預抽率對比分析

圖3為分別在三組考察單元內布設6個瓦斯含量檢測鉆孔（每單元的1#、2#測孔分別考察割縫鉆孔與常規鉆孔布置區域的殘余瓦斯含量值），在試驗區域連續抽放5個月后，通過定點取芯法測定殘余瓦斯含量，已知11號煤層原始瓦斯含量為14.46 m3/min，可計算出各考察單元的瓦斯預抽率，計算結果，見表3。

表3 殘余瓦斯含量值與瓦斯預抽率統計表

由表3 可知，在5 個月的抽采時間段內，常規鉆孔無一實現抽采達標，且瓦斯含量下降幅度較小，而三組考察單元內的割縫鉆孔均能實現抽采達標，說明煤層鉆孔割縫后可以使煤體卸壓范圍明顯增加。由于8 m、10 m 孔間距割縫鉆孔瓦斯預抽率要顯著高于12 m 孔間距鉆孔，故可認為11 號煤層水射流割縫鉆孔的最優布孔間距為10 m。

根據煤礦原有的抽采設計，每6 m 施工一組鉆場，則試驗區域120 m范圍的鉆孔工程量為3 132 m。采用水射流割縫技術后，每10 m施工一組鉆場，試驗區域范圍內鉆孔工程量為1 381 m，施鉆總工程量減少56%，縮短工期的同時也節約了成本。

4 結論

（1）針對低透氣性強突煤層煤質松軟、容易塌孔等特點提出了后退式旋轉水射流割縫方案，并在此基礎上研制了鉆割一體化技術裝備。

（2）割縫壓力控制在30～35 MPa，單根鉆桿鉆割時間為45 min 左右時煤體擾動體積可達20.92 m3，充分的卸壓空間為煤巷的快速消突創造了有利條件。

（3）采用水射流割縫卸壓增透技術后，單孔的極限瓦斯抽采量提高了近2倍，工作面抽采達標時間至少縮短了7個月，抽采效果得到了顯著提升。

（4）通過考察分析得出割縫鉆孔的最優布孔間距為10 m，而常規鉆孔的布孔間距僅為6 m，水射流割縫技術大大降低了抽采鉆孔工程量，為煤礦節約了治災成本。