穿层钻孔割缝增透工艺技术研究

张 锋

（山西晋煤集团沁秀公司岳城煤矿，山西 晋城 048006）

1 引言

深部煤层由于煤层压力大、煤质较为松软，出现煤层透气性低、抽放钻孔密度大半径小、施工较为困难等情况。目前岳城矿井下主要通过大型钻机施工来增大钻孔直径，从而提高煤层透气性，保证抽放效果，但还存在钻机造价昂贵、成孔率低、钻孔封堵不严等问题。超高压水力割缝卸压增透技术是以水为动力，对钻孔周围的煤体进行冲刷、剥离，进一步增大煤层的扩散裂隙，从而改变围岩的力学特性和瓦斯赋存特性[1]，从源头消除瓦斯突出威胁，为瓦斯排放创造有利条件，起到卸压、增透作用。

2 矿井概况

岳城煤矿为晋煤集团沁秀公司下属高瓦斯矿井。目前该矿采掘区域瓦斯含量普遍在8～13m3/t。3#煤厚度为4.6～5.2m，倾角1～5°，煤层的坚固性系数f=0.5，穿层钻孔见煤深度为6～15m，顶底板主要为砂岩、砂质泥岩等。该矿煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大，煤层松软，透气性差，现阶段主要依靠在底板岩巷施工的穿层钻孔来治理瓦斯。但还存在如下问题：一是煤体透气性差，塌孔多，造成钻孔抽采量低，需要采取低渗透煤层增透技术，进一步增强透气性，缩短抽采达标周期；二是钻孔封堵质量不高，造成抽采浓度低，且普遍出现预抽钻孔抽采一定时间后，浓度迅速下降。为进一步提高穿层钻孔抽采效果，有必要开展水力割缝增透技术研究，提高矿井区域瓦斯抽采能力。

3 研究内容

水力割缝增透技术是近年来较为常用的增透技术之一，将水通过泵体加压，然后以高速度和高冲击力注入煤层，实现层内切割形成垂直于煤层的纵向割缝，从而达到增透作用。其示意图如图1所示。

图1 水力割缝技术示意图

3.1 技术路线

本研究是针对岳城煤矿3#煤层瓦斯地质特征及试验区条件，研究试验区穿层钻孔割缝增透工艺技术，现场考察合理割缝压力、割缝时间等关键参数，并进行水力割缝效果评价及措施效果检验，进一步优化试验区穿层抽采钻孔布置，最终确定适合岳城矿的水力割缝卸压增透工艺技术体系。

3.2 设备选型

超高压水力割缝装置主要由金刚石复合片钻头、高低压转换割缝器、割缝浅螺旋整体钻杆、超高压旋转水尾、高超高压软管、清水泵等组成。其设备布置图如图2。

图2 水力割缝设备布置图

3.3 工艺参数

（1）割缝工艺设计。水力割缝采用线性切割，割缝喷嘴安装在钻头前方和两侧，沿钻孔轴线方向移动，实现钻进和割缝一体化。水力割缝射流近似平行煤层切割，倾角初步设计1°～3°，根据排渣情况进行调整，当排渣难度较大时适当增加射流的倾角[2]。

（2）射流参数设计。包括水力定向射流水量、压力和时间等参数，应根据设计水力割缝半径、煤体硬度来设计。定向水力射流设计参数值仅为第一个水力割缝钻孔初次水力割缝提供参考，其他钻孔水力割缝的具体参数应根据实际水力割缝情况进行调整。水力割缝射流参数初步设计如表1所示。

（3）钻头及喷嘴设计。将割缝喷嘴安装在钻头通风通水孔位置，在钻头中部两侧各安装一组割缝喷嘴，每组4个喷嘴，喷嘴直径3mm，喷嘴错开距离3mm，两侧喷嘴垂直钻杆轴线安装。在钻头前方两侧安装两组喷嘴，每组2个喷嘴，喷嘴直径7mm，错开距离1mm，喷嘴与钻杆轴线60°夹角安装。以上喷嘴也可设计在喷头上，但是需要增加压力传感装置控制喷嘴的射流。设计喷嘴割缝总厚度20mm，形成小直径喷嘴在前面密集割缝，大直径喷嘴在后面冲刷出煤，实现钻、割、冲、抽一体化。设计有以下几个优点：

①采用多组喷嘴割缝，大流量高压水排渣，割缝和排渣效率高。

②对煤层扰动小，延缓割缝裂隙的垮塌，避免边割边塌现象[3]。

③割缝煤渣粒径小，分布均匀，排渣阻力小。

④割缝厚度大，极薄分层开采后能满足区域性充分卸压增透的要求。

表1 水力割缝初步设计参数

4 工艺参数试验

4.1 割缝压力

结合岳城煤矿顶底板岩性及经验公式，计算出该矿理论割缝压力为90MPa，以此为基础计算割缝压力，并制定施工3个割缝钻孔（数量可根据现场情况适当增加），分别以70MPa、90MPa、100MPa割缝压力进行割缝。割缝试验过程中，记录好割缝煤量、割缝时间等数据判定割缝效果。

4.2 割缝间距

考虑矿井煤层厚度及钻孔见煤长度，初步选取割缝间距为0.5m、1m、2m进行适应岳城煤矿的割缝间距的测定，通过测定煤层透气性系数、钻孔抽采衰减系数等确定适应岳城矿的最优割缝间距。

5 现场考察

根据前期试验得到割缝钻孔抽采半径，选定两个试验单元，进行割缝效果考察试验。第一单元按矿井原有布置方式，第二单元按钻孔布置参数优化后的方式进行布孔。通过收集试验区域的抽采量、煤层瓦斯含量等检验水力割缝的整体效果，如图3所示。

图3 原有的钻孔布置方式和割缝钻孔布置示意剖面图

6 现场试验

本研究于2017年12月在岳城矿井下进行工业性试验。在煤层较为稳定的13082巷二钻场进行水力割缝试验，在三钻场按照同一时间同一工艺条件常规抽放，并对两钻场瓦斯浓度、瓦斯流量数据收集整理，得浓度、流量随时间变化曲线如图4、图5所示。

图4 瓦斯浓度随时间变化曲线图

由图4可知，在煤层条件、抽采区域、时间、工艺均相同情况下，采用水力割缝工艺的钻孔瓦斯浓度最大值接近98.2%，平均值为46.7%，而同等条件下采用常规钻进方法的钻孔瓦斯浓度最大值仅为31.3%，平均值为15.9%，平均瓦斯浓度提升了193.7%，表明采用水力割缝工艺施工的钻孔瓦斯浓度明显高于常规钻进工艺施工钻孔。

由图5可知，在煤层条件、抽采区域、时间、工艺均相同情况下，采用水力割缝工艺的钻孔内瓦斯流量最大值接近12.71m³/min，平均值为6.44m³/min，而同等条件下采用常规钻进方法的钻孔瓦斯流量最大值为3.42m³/min，平均值为2.38m³/min，平均瓦斯流量提高了170.6%，表明采用水力割缝工艺施工的钻孔瓦斯流量明显高于常规钻进工艺施工钻孔。

图5 瓦斯流量随时间变化曲线图

7 结论

（1）对水力割缝钻孔工艺效果进行了总结，试验表明水力割缝工艺实施后，平均瓦斯浓度提升了193.7%，平均瓦斯流量提高了170.6%。表明采用水力割缝工艺施工的钻孔瓦斯浓度、瓦斯流量明显高于常规钻进工艺施工钻孔，实现了区域抽采能力的有效提升。

（2）研究了适合岳城矿地质条件的穿层钻孔割缝增透工艺技术，确定了割缝压力、割缝时间等关键参数，形成一套高压水力钻、割一体化的配套设备，为岳城矿区域瓦斯抽采提供了技术支撑。