煤矿井下高压水力割缝技术应用简析

煤矿井下高压水力割缝技术应用简析

齐晓华、景东旭、尹华龙

陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司 719300

摘要：瓦斯抽采是瓦斯灾害治理的重要手段。矿区煤层透气性系数普遍较低、抽采瓦斯难度大，采前瓦斯抽采困难，而且随着煤矿开采深度的逐步增加，地应力增大，瓦斯含量和瓦斯压力增加，“掘－抽－采”不平衡问题日益凸显。寻求一种提高煤层渗透性、强化煤层瓦斯抽采率的技术显得迫在眉睫。煤矿一直在探索如何能进一步提高瓦斯抽采效率，在采用液态CO2置换驱替煤层瓦斯方面，取得了很好的效果。研究表明，要实现瓦斯的高效抽采，其关键点是破坏瓦斯“存、储、盖”等大环境，释放瓦斯煤体周边应力，通过施加外部动力，达到增透、促抽的瓦斯高效抽采目的。基于此，本篇文章对煤矿井下高压水力割缝技术应用进行研究，以供参考。

关键词：煤矿井下；高压水力割缝技术；应用分析

引言

甲烷是煤层气和煤层气中的一种气体，甲烷是其中的主要组成部分，是清洁和高质量的能源。中国煤矸石气藏约36.8×1012m3，低层煤矸石气藏16×1012m3，占资源总量的40%以上。它们主要分布在西北天然气集中区和东北天然气集中区，以及中国北方天然气集中区鄂尔多斯盆地侏罗纪和白垩纪煤层气层。目前，中国煤层气资源的合理开发利用受到高度重视，已成为能源开发利用的重点领域，预计将成为煤层气勘探开发的新领域。为了解决我国煤层气有效开采的技术问题，提出了一种通过液压接头富集技术气体的方法，以便为在其他矿山混合使用低厚度煤层气提供技术支持。

1水力割缝破煤机理

水力压裂机理主要体现在断煤的切割和破坏、断煤的牵引和破坏以及断煤的内部破坏。(1)切断并销毁碎煤。根据力学定律，喷水冲击煤体表面，煤体上的作用可分解为拉力和剪切应力。当这两种应力均超过煤体所能承受的极限时，煤体开始受到拉伸和剪切损伤。= σtan φ + c ( 1):煤体的剪切应力，mpaφ为法向应力，mpaφ是煤体内部摩擦角()；c表示煤体粘附，MPa。(2)拉伸破坏煤的结垢效果。当煤体第一次受到喷水的影响时，里面有牵引裂纹随着喷水不断撞击，周围的煤体受到牵引约束，裂缝逐渐向煤体深处延伸。当牵引应力超过煤体容限时，煤体会产生牵引损伤，导致煤体碎裂。εmax≥t(2):εmax是极限拉伸应力，mpa-是拉伸应力MPa。(3)室内破损煤层效果。煤是一种多孔的环境，包括孔隙和裂缝，受到喷水的影响并在扩大。为了便于数学建模，煤渣被认为是单向牵引应力。δc = k ( 3 ) : δc是单向拉伸应力，mpaR0是裂纹的原始等效半径，m；k是煤体断裂系数的临界值。根据上述分析，水煤岩的破碎机理分为两个作用期，初喷水冲击作用对煤体造成剪切和拉伸损伤，末近静压作用对煤体造成的拉伸破坏为主要部分在煤层内形成平槽，为煤层内部拆除、瓦斯释放和流动创造了良好条件，槽的上下煤体完全放空，提高了煤层的渗透性。上下两层煤槽之间的减压加压协同作用，可促使上下槽产生的裂纹继续断裂、扩大和扩大，从而使水力切割槽之间煤体的裂纹得到充分发展和高压液压切削接头的泄压原理方案。

2水力割缝设备构成

高压水力割缝系统设备主要由钻割一体化钻头、输水杆水箱等组成，结构紧凑、使用灵活性高。在切割时候，钻机作为推进器，不对现有的钻机进行任何改动，其整体结构如图1所示。图1中，钻头是一种能同时进行钻进和截割的装置，在进行工作时，高压钻杆接旋转水变，钻头正面的水孔出水，然后钻头一直钻进到指定位置，钻进完成后控制钻头退出到截割缝处，然后高压输水钻杆能够快速地形成高压水流，从喷射孔内喷出高压水流，射到岩壁上进行钻孔割煤。

图1高压水力割缝系统组成图

3煤矿井下高压水力割缝增透技术应用分析

3.1高压水力割缝最佳割缝时长测定

在一个工作面上的同一运输路线区域内进行四个钻孔，每个钻孔距离煤壁14米，切割压力为85MPa和90MPa，并且只切割一个孔。每一个钻孔都钻到预定位置，在后退1米后，启动高压泵，在预定压力下缓慢增加压力，利用每分钟5毫米的过压筛子抽取不同压力下从简单缝漏出来的煤残馀量，然后将所收集的煤残馀放入袋中鉴于试验过程中部分细煤粉在经过水的泰米尔人中丢失，有必要使用三个试验瓶在切割过程中收集煤渣，选择部分捕集的煤渣和试验瓶中的煤渣进行干燥试验根据不同时期煤样重量的变化，在运输通道高压水射流穿过水塔时，可以看出随着阶段、上升阶段和下降阶段的变化。在采煤增加期，由于接触口与煤壁之间距离短，高压水射流冲击时煤层压力低，产生大量煤渣并从钻井中提取。在选煤和减少煤渣量阶段，由于接触口与煤壁之间的距离延长，以及采煤周围煤层的渐进压力，切割过程中排放的煤渣量逐渐减少。

3.2设备选择

高压水射流切割系统的组成如下:冲击钻、高压密封钻杆、高压回转水更换、高压输水胶管、高压水泵总成、高压喷嘴、水箱等。切割时，钻具(ZDY3500LP)用作推进剂，如图1所示。装置技术特点:①装置操作方便、实用、有效，工艺流程短；②高压清洗泵(3bz 8.8 / 100-250)插座体积小，易于放在井下；③切割钻杆采用双环，钻杆、水尾和高压橡胶管支撑100MPa以上；④设备不仅能解决钻井层钻井水流开度增加的问题，还能解决光滑层大面积钻井面积增加的问题；②减少钻井工程数量，缩短气体提取时间。

3.3效果分析

(1)通过在煤层顶板中实施水力割缝，能够增加煤层与钻孔的裂隙连接通道，增大煤层卸压面积，提高瓦斯向钻孔运移的效率，提高瓦斯抽采效率。(2)相较于常规本煤层钻孔瓦斯抽采，水力割缝增大了煤层的透气性能，使缝槽周围的煤体向缝槽产生一定的位移，更扩大了缝槽卸压、排放瓦斯的范围，降低预抽时间，实现防突和快速高效抽采目的。(3)适宜的钻孔布置和施工工艺，使煤层长钻孔水力割缝百米钻孔瓦斯抽采纯量是普通百米钻孔瓦斯抽采纯量的1．2倍，是常规钻孔百米钻孔瓦斯抽采纯量的4．36倍。

结束语

综上所述，1）高压水力割缝是通过增压，提升喷出水的动力然后将岩壁进行快速切割并形成切割缝的方法能够实现防突和快速高效抽采目的。2）高压水力割缝系统设备主要由钻割一体化钻头、输水杆水箱等组成，结构紧凑、使用灵活性高。3）水力割缝增透钻孔平均瓦斯抽采量较普通钻孔提高4.36倍以上，显著地提升了煤矿井下瓦斯抽采效率和可靠性。

参考文献

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