基于煤层卸压增透的水力割缝最优出煤量研究＊

闫发志 林柏泉 沈春明 段永生 杨 威

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

我国高瓦斯煤层赋存具有微孔隙、低渗透、高吸附的特性，常规抽采难度大、效果差，需要采取卸压增透的技术措施。目前采用的卸压增透技术措施主要有深孔松动爆破、水力冲孔、水力割缝和煤层注水等，这些增透措施通过人工扩展煤体裂隙，提高煤体透气性，强化煤层瓦斯抽采，取得了较好的现场应用效果。水力割缝的出煤量是衡量割缝效果的重要指标，因此确定合理的割缝出煤量对优化水力割缝技术，提高瓦斯抽采效果具有重要的理论和现实意义。

1 问题的提出

钻割一体化技术是利用高压水的冲击作用，在退钻的过程中对煤体割缝，增加煤体暴露面积，破坏钻孔周围的应力集中区。缝槽周围的煤体在地应力和煤质本身的流动性能作用下向缝槽空间移动，产生的大量拉伸裂隙和剪切裂隙使煤层内部卸压，增加透气性，瓦斯解析和运移速度加快，同时宏观的缝槽和大量的次生裂隙共同构成了解析瓦斯的流动路径，扩大了缝槽卸压、抽采瓦斯的范围，提高了瓦斯抽采效果。割缝出煤量对缝槽空间大小有直接影响，出煤量越多，形成的缝槽空间也越大，更有利于煤层卸压。但是，出煤量过多，会增加该技术的工程量和施工难度，特别是造成巷道掘进过程中支护困难。因此，合理的出煤量不仅可以有效地增加层内卸压空间，提高瓦斯抽采效果，还可以减少钻孔施工量，降低割缝难度，避免对掘进巷道的支护造成过多影响。故研究合理的割缝钻孔出煤量对优化钻割一体化增透技术、提高瓦斯抽采效果具有十分重要的意义。

2 钻孔出煤量对瓦斯抽采影响

割缝形成孔洞的大小直接影响煤层的卸压效果，孔洞越大，卸压范围越大，水射流割缝治理瓦斯的主导理念之一就是利用水射流的扩孔作用，增大钻孔的卸压影响范围。

2.1 扩孔效应分析

假设割缝形成的孔洞是一个均匀的圆形孔洞，利用等效孔径可以描述钻割抽一体化技术的扩孔效应，等效孔径可用下式表示：

式中：dx——等效孔径，m；

m——冲出的煤量，t；

γ——煤的视密度，t／m3；

d0——冲孔前钻孔孔径，m；

l——水射流割缝见煤长度，m。

扩孔倍数k 是指割缝等效孔径与钻孔孔径之比，用式 （2）表示：

式中：k——扩孔倍数。

2.2 割缝孔洞周围力学作用分析

基于上述理论，将割缝形成的孔洞等同于一个钻孔，做如下假设：钻孔的形状为圆形；钻孔周围的煤岩体是均质的，各向原岩的应力为等压状态，钻孔周围的岩石和煤体为等质、均匀体。在打钻过程中，钻孔周围的应力会不断的变化并且重新分布，一直达到新的平衡。钻孔任一点r处切向应力σt可以表示为：

r处径向应力σr可以表示为：

式中：C——岩体的内聚力，N；

φ——岩体的内摩擦角，（°）；

r——距离钻孔中心距离，m；

r1——钻孔半径，m。

极限平衡区边界半径R 的求解公式表示为：

在该平衡区之外的为静水平应力。其周围应力分布如图1所示。

图1 钻孔周围应力分布

由图1的分析可知，在割缝钻孔周围出现了应力集中现象。应力集中带的存在会阻障瓦斯向钻孔渗透运移，形成瓶塞效应，同时降低割缝钻孔的单孔有效影响范围。由式 （1）可以看出，割缝钻孔形成的孔洞直径与出煤量成正比，出煤量越多，孔洞直径越大，结合式 （5）可以看出，增大钻孔的直径在一定程度上能增大极限平衡区的范围，扩大单孔有效影响范围，提高瓦斯抽采效果。通过现场试验发现，割缝孔洞直径的大小与其有效范围之间不存在绝对的线性关系，当割缝孔洞直径增大一定程度之后，其有效影响范围的增加并不明显。

3 现场试验方案及效果分析

国投河南新能源开发有限公司王行庄矿主采煤层是单一高瓦斯低透气性松软煤层，煤的坚固性系数f 为0.12 ～0.2，煤 层 瓦 斯 含 量0.94 ～12.92m3／t，透气性较差，瓦斯抽采效果非常不理想，煤体多以粉状为主。矿井面对的最大问题是回采期间的瓦斯涌出量过多，仅仅依靠通风手段无法解决。通过采取穿层钻孔抽采技术进行预抽，利用钻孔卸压抽采，有效影响半径非常有限，同时由于封孔技术的限制，导致瓦斯抽采浓度及流量都相当小。部分抽采钻孔浓度低于10%，干管 （瓦斯抽采的主管道，各钻孔抽出的瓦斯都要汇集到干管）浓度经常维持在2%～3%，严重影响了区域预抽效果，不能有效解决将来工作面回采期间瓦斯涌出量大的问题，给本来就很紧张的采掘接替增加难度。

3.1 试验方案设计

考虑王行庄矿瓦斯压力、煤体强度及现有工艺的实际情况，设计在11091底抽巷进行布置钻割抽一体化割缝试验。钻孔布置如图2所示，在11091底抽巷打4个钻孔，钻孔间距为50 m，钻孔孔径为94mm，确保钻孔之间互不影响，在其中3 个钻孔进行水力割缝。

图2 钻孔剖面图

设计3个割缝钻孔出煤量分别为4t、8t和12t，水力割缝煤距均为10 m，煤的密度以1.4t／m3计算，由式 （1）可得到割缝后钻孔等效孔径分别为0.61 m、0.86 m 和1.05 m。结合式（2）可得扩孔倍数分别为6.5、9.13和11.16倍。

3.2 瓦斯抽采浓度分析

图3反映了出煤量分别为4t、8t和12t的割缝钻孔与一组未割缝钻孔在一个月内的瓦斯浓度变化。采取水力割缝措施的钻孔，在抽放的前几天，抽采量经历了由低到高的过程，这是由于在割缝过程中对煤体注入了大量的水，大大降低了煤体的透气性，放缓了瓦斯的解吸速度，因而刚开始的时候瓦斯抽采量比较低，但在地应力和瓦斯压力作用下，应力重新分布，煤体中形成了大量的人为裂隙，煤层透气性大幅度增加，且割缝钻孔在煤体内部扰动空间大，扰动比表面积也较大，使瓦斯流动通道顺畅，瓦斯压力明显降低，从而大大提高了瓦斯的解吸速度。从图3可以看出，3组割缝钻孔的瓦斯抽采浓度均高于未割缝钻孔的瓦斯抽采浓度，未割缝钻孔的浓度维持在9%左右。在三组割缝钻孔中，出煤量8t和12t的割缝钻孔随着时间的推移，抽采浓度趋于一致，维持在28%左右，是未割缝钻孔的3.1倍，且均高于出煤量4t的割缝钻孔，又由于出煤量越多，越容易引起喷孔和塌孔，且增加了施工量和技术难度，综合考虑，割缝钻孔最优出煤量应选择8t。

图3 钻孔瓦斯抽采浓度变化

3.3 瓦斯抽采纯量分析

图4 钻孔瓦斯抽采纯量变化

图4反映了出煤量分别为4t、8t和12t的割缝钻孔与一组未割缝钻孔在一个月内的瓦斯抽采纯量变化。从图4可以看出，抽采一个月后，三组割缝钻孔的瓦斯抽采纯量均高于未割缝钻孔的瓦斯抽采纯量，未割缝钻孔瓦斯抽采纯量维持在0.004m3／min左右。在三组割缝钻孔中，随着时间的推移，出煤量8t的割缝钻孔瓦斯抽采纯量最大，维持在0.017m3／min左右，出煤量12t的割缝钻孔瓦斯抽采纯量次之，维持在0.014 m3／min，出煤量4t的割缝瓦斯抽采纯量维持在0.011m3／min。分析可知，割缝钻孔瓦斯抽采纯量最大可以达到未割缝钻孔的4.25 倍，出煤量为8t的割缝钻孔抽采效果最优。

4 结论

（1）通过对出煤量分别为4t、8t和12t的3组割缝钻孔与一组未割缝钻孔在1个月内的瓦斯抽采浓度变化情况进行分析，出煤量为8t的割缝钻孔瓦斯抽采浓度最高，是未割缝钻孔的3.1倍，且优于出煤量为4t和12t的割缝钻孔。

（2）通过对出煤量分别为4t、8t和12t的3组割缝钻孔与一组未割缝钻孔在1个月内的瓦斯抽采纯量变化情况进行分析，出煤量为8t的割缝钻孔瓦斯抽采纯量最高，是未割缝钻孔的4.25 倍，优于出煤量为4t和12t的割缝钻孔。综合考虑，割缝出煤量为8t时，在保证较好的增透卸压效果的前提下，施工量和技术难度又不至于过大，从而进一步优化了钻割一体化技术。

［1］ 刘俊杰，乔德清.对我国煤矿瓦斯事故的思考［J］.煤炭学报，2006 （1）

［2］ 林柏泉 .矿井瓦斯防治理论与技术 ［M］ .徐州：中国矿业大学出版社，2010

［3］ 林柏泉，孟凡伟，张海宾.基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用 ［J］.煤炭学报，2011 （1）

［4］ 王兆丰，范迎春，李世生.水力冲孔技术在松软低透突出煤层中的应用 ［J］ .煤炭科学技术，2012（2）

［5］ 吴海进.高瓦斯低透气性煤层卸压增透理论与技术研究 ［D］.徐州：中国矿业大学，2009

［6］ 李长贵，刘海源，张浩.低透气性煤层瓦斯预抽技术的探讨与实践 ［J］.中国煤炭，2012 （3）