基于綠塘煤礦超高壓水力割縫增透試驗(yàn)的研究

楊華富

（大方綠塘煤礦有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551700）

1 工程地質(zhì)條件

6中S204回風(fēng)順槽為6中S204工作面的回風(fēng)巷道，煤層厚度平均3.55m，平均傾角6°，沿6中煤層傾向向上掘進(jìn)，煤層底板標(biāo)高處于+1800～+1900之間，地表標(biāo)高為+1985～+2275m，埋深處于185～425m。6中S204回風(fēng)順槽實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量7～15m3/t，瓦斯壓力為 0.23-1.10MPa，堅(jiān)固性系數(shù) f為 0.46～0.55，瓦斯放散初速度平均為34，煤層透氣性系數(shù)0.3424～1.2752，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.0112～0.0404。

2 超高壓水力割縫增透技術(shù)原理

超高壓水力割縫技術(shù)就是通過(guò)對(duì)水流進(jìn)行加壓處理，使水流能夠高速的噴射而出，從而切割、沖擊鉆孔段的煤層，切割完的煤體會(huì)釋放一定程度的應(yīng)力并形成一條不連續(xù)的裂縫，在煤體內(nèi)原始應(yīng)力和瓦斯壓力的雙重作用下，煤體的破壞和破壞又會(huì)進(jìn)一步加劇，在合適的條件下，甚至能夠貫通相鄰的鉆孔，加大瓦斯流動(dòng)性。水力割縫之后的鉆孔內(nèi)部形成的眾多裂隙，有助于瓦斯的流動(dòng)和釋放，使得抽取瓦斯的難度會(huì)很大程度的降低，抽取效率也會(huì)增加。

3 6中S204回風(fēng)順槽現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)方案

6中S204回風(fēng)順槽煤巷條帶共設(shè)計(jì)7個(gè)順層鉆孔，其中2、4、6#鉆孔進(jìn)行水力割縫，每隔3m割一刀，每個(gè)鉆孔割縫12-13刀，其余1、3、5、7#鉆孔為卸壓抽采孔。其鉆孔布置設(shè)計(jì)平面圖如圖1所示。

圖1 6中S204回風(fēng)順槽煤巷條帶順層鉆孔布置設(shè)計(jì)平面圖

3.2 割縫鉆孔排屑量統(tǒng)計(jì)

表1 6中S204回風(fēng)順槽的2、4、6#割縫鉆孔

在 6中S204回風(fēng)順槽 H3+158-218m的 2、4、6#鉆孔割縫試驗(yàn)過(guò)程，每個(gè)鉆孔割縫12-16刀，每刀排屑量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

3.3 割縫縫槽半徑分析

試驗(yàn)階段煤孔段割縫間距為3m，以2、4#割縫鉆孔進(jìn)行分析，割縫刀數(shù)為12-16刀，單刀割縫實(shí)際時(shí)間約3-5min，單孔割縫時(shí)間約為3小時(shí)，單孔出煤量3.8-4.2t，平均每刀割縫排屑量為0.26-0.32t。其割縫半徑計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：π為圓周率3.14；M為割縫后排出煤屑量t；r為割縫后縫隙的半徑m；H為割縫后縫隙的高度m，根據(jù)地面試驗(yàn)割縫后產(chǎn)生縫隙的高度約為0.01m；K為割縫后產(chǎn)生煤屑的碎漲系數(shù)，K=1.1～1.3；γ為煤的容重，γ=1.55t/m3。

把割縫形成的縫隙視為一個(gè)圓柱體，根據(jù)公式(1)反算在每刀平均排出煤屑量M=0.26-0.32t的條件下，割縫后形成縫槽半徑r=2.02～2.24m。

3.4 水力割縫合理壓力確定

在進(jìn)行6中S204回風(fēng)順槽H3+158-218m的4#鉆孔割縫試驗(yàn)時(shí)，分別試驗(yàn)30、50、70、100MPa割縫壓力的返渣情況。

當(dāng)割縫試驗(yàn)壓力小于70MPa時(shí)，煤體被切割為均為的小顆粒，粒度為0.5～1.5cm，在水和螺旋鉆桿的共同作用下，順利排到孔口，割縫過(guò)程中未出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，6中S204回風(fēng)順槽回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.30%，無(wú)瓦斯涌出異?，F(xiàn)象。當(dāng)割縫壓力增大至100MPa時(shí)，鉆孔孔口返渣量大，偶有堵孔現(xiàn)象，因此確定6中S204回風(fēng)順槽煤層的割縫的合理壓力為60-70MPa。

4 超高壓水力割縫增透抽采效果分析

4.1 割縫前后抽采純量對(duì)比分析

超高壓水力割縫鉆孔施工完成后立即封孔聯(lián)抽，每天分別對(duì)試驗(yàn)孔及頂板抽采巷鉆場(chǎng)預(yù)抽鉆孔的抽采純量觀(guān)測(cè)及記錄，并對(duì)頂板抽采巷抽采鉆孔割縫前及上一評(píng)價(jià)單元順層鉆孔的單孔抽采純量數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖2、圖3所示。

由圖2分析可知，采用高壓水力割縫后，順層鉆孔單孔平均抽放純量為0.031～0.059m3/min，與上一評(píng)價(jià)單元采順層鉆孔平均單孔抽放純量為0.013～0.018m3/min相比單孔瓦斯抽放純量提高了2.4倍以上；由圖3分析可知，采用高壓水力割縫前，8號(hào)鉆場(chǎng)平均單孔抽放純量為0.00036～0.00205m3/min，采用高壓水力割縫技術(shù)后，單孔平均抽放純量為0.026～0.058m3/min，可見(jiàn)采用采用高壓水力割縫后，頂抽巷平均單孔抽放純量提高了72倍以上。

圖2 順層鉆孔單孔割縫前后平均純流量對(duì)比

圖3 頂抽巷穿層鉆孔割縫前平均純流量對(duì)比

4.2 割縫前后抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間對(duì)比分析

本試驗(yàn)段實(shí)施高壓水射流切縫技術(shù)的鉆孔施工及割縫時(shí)間為3d，預(yù)抽時(shí)間為13d，效果檢驗(yàn)指標(biāo)最大殘余瓦斯含量為7.3m3/t，達(dá)到了消突和抽采達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行巷道掘進(jìn)。

表2 時(shí)情況對(duì)比表

從表2鉆孔施工時(shí)間、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：實(shí)施高壓水射流割縫鉆孔工程量減少，抽采達(dá)標(biāo)用時(shí)得以減少。實(shí)施高壓水射流割縫與未實(shí)施高壓水射流割縫用時(shí)情況對(duì)比數(shù)據(jù)可以分析得到，煤層實(shí)施高壓水射流割縫后，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短85%以上，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4.3 掘進(jìn)期間驗(yàn)證指標(biāo)及回風(fēng)瓦斯?jié)舛确治?/h3>

6中S204回風(fēng)順槽（H3+158-218m）掘進(jìn)期間實(shí)測(cè)的區(qū)域驗(yàn)證的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值處于0.02～0.16ml/g.min1/2之間、鉆屑量 S值處于1.6～2.0kg/m之間，均未超過(guò)《防突規(guī)定》推薦的工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值0.5ml/g.min1/2、6.0kg/m且所測(cè)指標(biāo)較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，期間炮后回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.24%，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為1.17m3/min，未出現(xiàn)異常瓦斯涌出的情況，實(shí)現(xiàn)了4天掘進(jìn)40m的煤層巷道安全快速掘進(jìn)。

4.4 節(jié)約鉆孔工程量分析

在6中S204回風(fēng)順槽外段沿6中煤層掘進(jìn)過(guò)程中，按上一個(gè)評(píng)價(jià)單元設(shè)計(jì)，需施工51個(gè)順層預(yù)抽孔和173個(gè)頂板穿層排孔。在采用超高壓水力割縫技術(shù)之后，煤巷條帶每60m循環(huán)僅施工順層預(yù)抽鉆孔數(shù)至7個(gè)，每循環(huán)可減少鉆孔工程量11937m，其中減少順層鉆孔工程量約3060m和穿層鉆孔工程量約8877m。

5 結(jié) 論

采用超高壓水力割縫增透措施在綠塘煤礦6中S204回風(fēng)順槽（H3+158-218m）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)其抽采效果進(jìn)行考察分析，得出如下結(jié)論：

1）綠塘煤礦6中煤層采用超高壓水力割縫增透措施后經(jīng)濟(jì)效益和安全效益提高明顯，煤層透氣性顯著增加，瓦斯抽采效率大幅度提高。

2）超高壓水力割縫技術(shù)可以提高預(yù)抽鉆孔抽采量，順層割縫單孔平均抽放純量為0.031～0.059 m3/min，是采用原工藝鉆孔的2.4倍以上；頂板巷穿層割縫單孔平均抽放純量為0.026～0.058m3/min，是割縫前的72倍以上。

3）超高壓水力割縫技術(shù)可以大幅減少預(yù)抽鉆孔工程量，減少預(yù)抽鉆孔工程量11937m，與原計(jì)劃相比，減少大約3個(gè)月的抽采時(shí)間，也大幅度縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。

4）6中S204回風(fēng)順槽（H3+158-218m）掘進(jìn)期間的區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)不超標(biāo)和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔怀?，掘進(jìn)速度明顯提高，利于實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。