基于绿塘煤矿超高压水力割缝增透试验的研究

杨华富

（大方绿塘煤矿有限责任公司，贵州 毕节 551700）

1 工程地质条件

6中S204回风顺槽为6中S204工作面的回风巷道，煤层厚度平均3.55m，平均倾角6°，沿6中煤层倾向向上掘进，煤层底板标高处于+1800～+1900之间，地表标高为+1985～+2275m，埋深处于185～425m。6中S204回风顺槽实测煤层瓦斯含量7～15m3/t，瓦斯压力为 0.23-1.10MPa，坚固性系数 f为 0.46～0.55，瓦斯放散初速度平均为34，煤层透气性系数0.3424～1.2752，钻孔流量衰减系数为0.0112～0.0404。

2 超高压水力割缝增透技术原理

超高压水力割缝技术就是通过对水流进行加压处理，使水流能够高速的喷射而出，从而切割、冲击钻孔段的煤层，切割完的煤体会释放一定程度的应力并形成一条不连续的裂缝，在煤体内原始应力和瓦斯压力的双重作用下，煤体的破坏和破坏又会进一步加剧，在合适的条件下，甚至能够贯通相邻的钻孔，加大瓦斯流动性。水力割缝之后的钻孔内部形成的众多裂隙，有助于瓦斯的流动和释放，使得抽取瓦斯的难度会很大程度的降低，抽取效率也会增加。

3 6中S204回风顺槽现场试验钻孔

3.1 钻孔设计方案

6中S204回风顺槽煤巷条带共设计7个顺层钻孔，其中2、4、6#钻孔进行水力割缝，每隔3m割一刀，每个钻孔割缝12-13刀，其余1、3、5、7#钻孔为卸压抽采孔。其钻孔布置设计平面图如图1所示。

图1 6中S204回风顺槽煤巷条带顺层钻孔布置设计平面图

3.2 割缝钻孔排屑量统计

表1 6中S204回风顺槽的2、4、6#割缝钻孔

在 6中S204回风顺槽 H3+158-218m的 2、4、6#钻孔割缝试验过程，每个钻孔割缝12-16刀，每刀排屑量统计数据如表1所示。

3.3 割缝缝槽半径分析

试验阶段煤孔段割缝间距为3m，以2、4#割缝钻孔进行分析，割缝刀数为12-16刀，单刀割缝实际时间约3-5min，单孔割缝时间约为3小时，单孔出煤量3.8-4.2t，平均每刀割缝排屑量为0.26-0.32t。其割缝半径计算公式如式（1）所示。

式中：π为圆周率3.14；M为割缝后排出煤屑量t；r为割缝后缝隙的半径m；H为割缝后缝隙的高度m，根据地面试验割缝后产生缝隙的高度约为0.01m；K为割缝后产生煤屑的碎涨系数，K=1.1～1.3；γ为煤的容重，γ=1.55t/m3。

把割缝形成的缝隙视为一个圆柱体，根据公式(1)反算在每刀平均排出煤屑量M=0.26-0.32t的条件下，割缝后形成缝槽半径r=2.02～2.24m。

3.4 水力割缝合理压力确定

在进行6中S204回风顺槽H3+158-218m的4#钻孔割缝试验时，分别试验30、50、70、100MPa割缝压力的返渣情况。

当割缝试验压力小于70MPa时，煤体被切割为均为的小颗粒，粒度为0.5～1.5cm，在水和螺旋钻杆的共同作用下，顺利排到孔口，割缝过程中未出现堵孔现象，6中S204回风顺槽回风瓦斯浓度最大为0.30%，无瓦斯涌出异常现象。当割缝压力增大至100MPa时，钻孔孔口返渣量大，偶有堵孔现象，因此确定6中S204回风顺槽煤层的割缝的合理压力为60-70MPa。

4 超高压水力割缝增透抽采效果分析

4.1 割缝前后抽采纯量对比分析

超高压水力割缝钻孔施工完成后立即封孔联抽，每天分别对试验孔及顶板抽采巷钻场预抽钻孔的抽采纯量观测及记录，并对顶板抽采巷抽采钻孔割缝前及上一评价单元顺层钻孔的单孔抽采纯量数据进行了收集，数据统计如图2、图3所示。

由图2分析可知，采用高压水力割缝后，顺层钻孔单孔平均抽放纯量为0.031～0.059m3/min，与上一评价单元采顺层钻孔平均单孔抽放纯量为0.013～0.018m3/min相比单孔瓦斯抽放纯量提高了2.4倍以上；由图3分析可知，采用高压水力割缝前，8号钻场平均单孔抽放纯量为0.00036～0.00205m3/min，采用高压水力割缝技术后，单孔平均抽放纯量为0.026～0.058m3/min，可见采用采用高压水力割缝后，顶抽巷平均单孔抽放纯量提高了72倍以上。

图2 顺层钻孔单孔割缝前后平均纯流量对比

图3 顶抽巷穿层钻孔割缝前平均纯流量对比

4.2 割缝前后抽采达标时间对比分析

本试验段实施高压水射流切缝技术的钻孔施工及割缝时间为3d，预抽时间为13d，效果检验指标最大残余瓦斯含量为7.3m3/t，达到了消突和抽采达标的标准，并进行巷道掘进。

表2 时情况对比表

从表2钻孔施工时间、抽采达标时间的数据对比可以看出：实施高压水射流割缝钻孔工程量减少，抽采达标用时得以减少。实施高压水射流割缝与未实施高压水射流割缝用时情况对比数据可以分析得到，煤层实施高压水射流割缝后，抽采达标时间缩短85%以上，达到了预期的目标。

4.3 掘进期间验证指标及回风瓦斯浓度分析

6中S204回风顺槽（H3+158-218m）掘进期间实测的区域验证的钻屑瓦斯解吸指标K1值处于0.02～0.16ml/g.min1/2之间、钻屑量 S值处于1.6～2.0kg/m之间，均未超过《防突规定》推荐的工作面突出预测指标临界值0.5ml/g.min1/2、6.0kg/m且所测指标较为稳定，未出现异常现象，期间炮后回风瓦斯浓度最大为0.24%，最大绝对瓦斯涌出量为1.17m3/min，未出现异常瓦斯涌出的情况，实现了4天掘进40m的煤层巷道安全快速掘进。

4.4 节约钻孔工程量分析

在6中S204回风顺槽外段沿6中煤层掘进过程中，按上一个评价单元设计，需施工51个顺层预抽孔和173个顶板穿层排孔。在采用超高压水力割缝技术之后，煤巷条带每60m循环仅施工顺层预抽钻孔数至7个，每循环可减少钻孔工程量11937m，其中减少顺层钻孔工程量约3060m和穿层钻孔工程量约8877m。

5 结 论

采用超高压水力割缝增透措施在绿塘煤矿6中S204回风顺槽（H3+158-218m）进行了现场试验，并对其抽采效果进行考察分析，得出如下结论：

1）绿塘煤矿6中煤层采用超高压水力割缝增透措施后经济效益和安全效益提高明显，煤层透气性显著增加，瓦斯抽采效率大幅度提高。

2）超高压水力割缝技术可以提高预抽钻孔抽采量，顺层割缝单孔平均抽放纯量为0.031～0.059 m3/min，是采用原工艺钻孔的2.4倍以上；顶板巷穿层割缝单孔平均抽放纯量为0.026～0.058m3/min，是割缝前的72倍以上。

3）超高压水力割缝技术可以大幅减少预抽钻孔工程量，减少预抽钻孔工程量11937m，与原计划相比，减少大约3个月的抽采时间，也大幅度缩短抽采达标时间。

4）6中S204回风顺槽（H3+158-218m）掘进期间的区域验证指标不超标和回风流瓦斯浓度不超限，掘进速度明显提高，利于实现安全生产。