超高压水力割缝卸压抽采区域防突技术应用研究

超高压水力割缝卸压抽采区域防突技术应用研究

陈健杰

河南神火煤电股份有限公司，河南 永城 476600

摘要：由于煤层透气性差、瓦斯含量高等不利因素，导致煤层瓦斯抽采时间长、效率低、抽采效果较差，瓦斯治理难度大、煤与瓦斯突出及瓦斯威胁安全生产、制约了矿井安全高效的建设。为了解决此类问题，矿方积极探索开展水力割缝卸压增透技术，使得煤层透气性增强，煤层地应力及瓦斯压力得到了充分释放，瓦斯抽采效果得到了明显的提高。

关键词：水力割缝；卸压；增透技术

引言

为了降低瓦斯浓度过高所带来的开采危险，避免瓦斯涌出量过大，矿山开采企业通常会选择瓦斯压力、含量相对较小且瓦斯突出的危险性比较小的矿层作为保护层，而单一煤层或上下层间距较大、不具备保护层开采条件的煤层只能通过钻孔卸压抽采的方法，将煤层瓦斯压力和含量降低到允许范围以下，再对煤层进行开采作业。

1超高压水力割缝及卸压增透技术原理

为积极探索突出矿井高效治理瓦斯技术，神火集团薛湖煤矿充分利用超高压水力割缝装置卸压增透技术，在2306风巷掘进工作面进行了抽放效果对比考察，摸索出合适的超高压水力割缝卸压增透瓦斯治理方案，显著提高了瓦斯抽采效率，单孔瓦斯抽采浓度提高了1.75倍，日均单孔抽采纯量提升了3.25倍，有效治理了瓦斯，确保了掘进安全。

1.1超高压水割缝原理

超高压水力割缝通过高压水泵增压产生高压水为介质，通过自动切换式割缝器的喷嘴喷出，形成一股高度集中的细束高压水流，高压水流有较强的穿透、冲蚀能力，可对煤体进行强烈冲击，从而对煤体形成切割和破碎。

1.2超高压水力割缝增透原理

超高压水力割缝是在钻孔施工之后，利用超高压水射流的水锤压力和滞止压力在钻孔内切割煤体，形成一定宽度和深度的扁平缝槽，宏观缝槽的形成一方面增大了煤体的暴露面积，另一方面提供了煤岩变形空间。承压状态下的煤体经过超高压水射流割缝以后，随着割缝煤渣的排出，缝槽附近煤岩应力分布、裂隙发育以及相应的透气性系数等参数均发生变化，煤层含水率增大，煤岩内应力降低，引起受压煤体裂隙张开，煤体透气性提高。同时由于切割缝槽提供煤岩变形空间，地应力再次加载以后煤体不会因为承压而发生弹塑性变形，由切割缝槽形成瓦斯流动宏观通道的同时，缝槽的上下侧面会形成大量的次生裂隙。由宏观的缝槽和大量的次生裂隙共同构成了解吸瓦斯的流动路径，合理控制缝槽间距，由径向流动与割缝层间流动共同作用实现钻孔间环形网状流动自卸压，煤体卸压均匀、充分，煤体的整体透气性系数得以大幅度提高，抽采影响范围增大，抽采效果显著提高。

1.3超高压水力割缝设备

超高压水力割缝装置主要由水力割缝浅螺旋整体钻杆、金刚石复合片钻头、超高压旋转水尾、高低压转换割缝器、超高压清水泵、超高压软管、高压远程操作台等组成。实现煤层卸压钻割一体化功能，采用低压水按设计要求施工钻孔，钻孔施工完成后，不退钻杆，将工作压力调整至设计压力，进行高压水射流割缝作业，可实现高压水射流钻割一体化功能，避免了二次进钻。

2超高压水力割缝瓦斯抽采工程

2.1 2306风巷概况

2306风巷掘进工作面位于23采区北部，东邻2306机巷措施巷,西到F₁₁₅断层保护煤柱，南至23采区回风巷，北为2306机巷底抽巷。该工作面处于精查范围之内，从现有地质资料看，巷道掘进位置位于向斜的一翼，掘进范围内无大的地质构造，煤层厚度无较大变化，平均2.5m左右。掘进范围总体上煤层赋存稳定，结构简单，煤层总体呈一走向近东西，倾向北的单斜构造，掘进范围内煤层倾角无较大变化。预测原始瓦斯含量7.9～14.6m³/t，属突出危险区。为了认真落实两个“四位一体”综合防突措施，坚持区域防突措施先行，采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施对2306风巷掘进工作面进行瓦斯治理，同时对穿层钻孔进行超高压水力割缝卸压增透区域防突技术研究。

2.2钻孔参数设计

根据矿井采掘情况，在2306风巷底抽巷布置高压水力割缝钻孔，水力割缝试验期间共计施工4组预抽钻孔，每组钻孔见煤点间距按5m×5m、6m×6m、7m×7m、8×8布置。钻孔割缝从孔底开始后退式割缝，每2m切割一刀，割至岩层为止。钻孔控制巷道两帮轮廓线外15m范围。

2.3超高压水力割缝试验过程

设计施工140个割缝试验钻孔，实际完成水力割缝试验钻孔137个，其中5×5m布置割缝试验孔55个，6×6m布置割缝试验孔25个，7×7m布置割缝试验孔27个，8×8m布置割缝试验孔30个。根据煤层特点，考察了3种不同割缝压力，分别为40MPa、60MPa以及80MPa。针对3种不同割缝压力分别选择2个钻孔进行超高压水力割缝试验，单刀割缝时间25min，转速80r/min，割缝间距2m/刀。割缝压力40MPa时平均单刀出煤量为1.05t；割缝压力60MP时平均单刀出煤量为1.68t；割缝压力80MP时平均单刀出煤量在为2.22t；随着割缝压力的增加，平均单刀出煤也随之增加。但是在割缝压力增大到80MPa后，出现了严重堵孔现象。

2.4 残余瓦斯含量测定结果分析

为验证抽采效果，对5×5m割缝钻孔及6×6m割缝钻孔分别在抽采120天及160天时进行残余瓦斯含量测试，结果如下：

图1为5×5m割缝钻孔在抽采120天后残余瓦斯含量测定结果，从图中可看出，连抽120天后在距离钻孔1.5m、2.0m及2.5m位置残余瓦斯含量均下于6m³/t，距离钻孔3.0m位置残余瓦斯含量大于6m³/t，说明5×5m割缝钻孔在抽采120天后在距离钻孔2.5m位置抽采达标。

图2为6×6m割缝钻孔在抽采180天后残余瓦斯含量测定结果，从图中可看出，连抽180天后在距离钻孔2.0m、2.5m及3.0m位置残余瓦斯含量均下于6m³/t，距离钻孔3.5m位置残余瓦斯含量大于6m³/t，说明6×6m割缝钻孔在抽采180天后在距离钻孔3.0m位置抽采达标。

3结语

通过实验证明，未进行割缝前单孔平均瓦斯浓度23.1%，割缝后单孔平均瓦斯浓度提升至40.4%，提升了1.75倍；未进行割缝前日均单孔抽采纯量平均为0.0016m³/min，割缝后日均单孔抽采纯量平均为0.0052m³/min，提升了3.25倍；通过对割缝区域取样测量煤层残余瓦斯含量，5×5m割缝钻孔在连抽120天后在距离钻孔1.5m、2.0m及2.5m位置残余瓦斯含量均下于6m³/t，6×6m割缝钻孔在连抽180天后在距离钻孔2.0m、2.5m及3.0m位置残余瓦斯含量均下于6m³/t。通过采用水力割缝卸压增透技术，解决了矿井抽采效果较差、抽采效率低、抽采时间长等问题，确保了矿井安全生产。

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