薛湖煤矿超高压水力割缝工艺参数优化试验

陈洪涛，李太训

(1.河南神火煤电股份有限公司， 河南 永城 476600；2.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116)

0 引言

随着开采深度与强度不断增大，地应力、瓦斯压力等随之增大，煤层透气性降低[1-2]，深部煤层开采极易诱发煤岩动力灾害，必须同时从煤层瓦斯抽采达标和卸压有效2个方面进行灾害防治[3-5]。超高压水力割缝技术能够改变煤体的原岩应力和裂隙状况，既能缓和煤体和围岩中的应力紧张状态，使煤体均匀、充分卸压，又能大幅提高煤层透气性和瓦斯释放能力[6-7]，在煤与瓦斯突出灾害治理方面发挥着重要作用[8-9]。冯星宇等[10]对某煤层采用超高压水力割缝卸压增透措施，现场实际应用表明，顺层割缝钻孔和底板穿层钻孔单孔平均抽采纯量均显著提高，抽采达标时间缩短，钻孔工程量减少。张占国等[11]通过超高压水力割缝技术，增大煤体暴露面积，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，结果表明，水力割缝钻孔组瓦斯抽采浓度、纯流量、百米钻孔瓦斯抽采纯流量及瓦斯抽采率是对比钻孔的2～4倍。刘志伟等[12]在某回风巷煤巷条带进行超高压水力割缝卸压增透技术试验与应用，确定了煤层的合理割缝压力、切割半径和抽采瓦斯纯流量等参数，有效改善了煤层透气性。

河南神火煤电股份有限公司薛湖煤矿主采二2煤层，该煤层瓦斯含量高，煤层透气性系数低，采用顺层钻孔治理煤层瓦斯，工程量相对较大，抽采效率低，抽采达标时间长，严重制约了矿井采掘接替。因此，本文在薛湖煤矿二2煤层开展了超高压水力割缝试验，确定了适用于该煤层的超高压水力割缝工艺参数，并针对该工艺参数进行了现场应用，通过与普通钻孔对比，检验其卸压增透效果，可为相似工程条件下煤矿煤与瓦斯突出防治提供参考。

1 超高压水力割缝技术

1.1 超高压水力割缝卸压增透原理

超高压水力割缝装置如图1所示。钻头钻入煤体，边打钻孔边进行水力割缝，割缝器喷出的超高压水射流形成脉动水线切放煤层，人为造成裂隙，破碎的煤体随水流沿钻孔流出，增加了煤体的透气通道和暴露面积，瓦斯通过裂隙进入钻孔，显著改善了煤层中瓦斯流动状态，对瓦斯抽采起到促进作用，同时也改变了煤体的原岩应力，煤体得到充分卸压[13-14]。

1—钻头；2—割缝器；3—钻杆；4—水辫；5—高压管；6—乳化泵；7—水箱。

1.2 超高压水力割缝工艺参数

对超高压水力割缝卸压增透效果影响较大的工艺参数主要包括割缝压力、割缝时间、割缝转速、割缝间距。割缝压力主要影响破煤效率，割缝压力越大，破煤效率越高；割缝时间及割缝转速影响割缝深度，割缝时间越长、割缝转速越慢，割缝深度越深；割缝间距主要影响割缝后煤体应力分布及卸压范围，割缝间距越大，相邻缝槽的相互影响作用越小。

2 试验分析

2.1 试验区域概况

超高压水力割缝试验区域为薛湖煤矿2306风巷底抽巷(南到23采区回风巷，北为薄煤带，西至29采区轨道下山，东邻2306机巷措施巷)。主采二2煤层，煤层平均厚度为2.5 m，瓦斯含量为4.6～16.2 m3/t，煤层透气性系数为0.086 1 m2/(MPa2·d)，煤层普氏系数为0.25～0.70，百米钻孔瓦斯流量衰减系数为1.38 d-1。

2.2 试验方案

在2306风巷底抽巷共布置11个钻孔，试验分别设计3种割缝压力(40，60，80 MPa)、3种割缝时间(20，25，30 min)、3种割缝转速(40，60，80 r/min)和2种割缝间距(2，4 m)，采用单因素考察方法进行超高压水力割缝试验，记录钻孔平均单刀出煤量及割缝后3个月内瓦斯抽采数据。

2.3 试验结果

2.3.1 割缝压力对割缝效果的影响

当割缝时间为25 min、割缝转速为80 r/min、割缝间距为2 m时，不同割缝压力下钻孔平均单刀出煤量、瓦斯抽采纯量分别如图2、图3所示。可看出割缝压力分别为40，60，80 MPa时，钻孔平均单刀出煤量分别为1.05，1.68，2.22 t，钻孔平均瓦斯抽采纯量分别为0.004，0.007，0.009 m3/min，即随着割缝压力的增加，钻孔平均单刀出煤量和钻孔平均瓦斯抽采纯量增加。但当割缝压力增大到80 MPa时，通过现场观察发现钻孔内出现了严重堵孔现象，且割缝压力在70～80 MPa时，也会偶尔出现堵孔现象。为确保割缝工作的安全性，选择割缝压力在60～70 MPa较为合理。

图2 不同割缝压力下钻孔平均单刀出煤量

图3 不同割缝压力下钻孔瓦斯抽采纯量变化曲线

2.3.2 割缝时间对割缝效果的影响

当割缝压力为60 MPa、割缝转速为80 r/min、割缝间距为2 m时，不同割缝时间下钻孔平均单刀出煤量、瓦斯抽采纯量分别如图4、图5所示。可看出割缝时间分别为20，25，30 min时，钻孔平均单刀出煤量分别为1.14，1.67，1.77 t，钻孔平均瓦斯抽采纯量分别为0.005，0.008，0.009 m3/min；在割缝时间由20 min增加到25 min时，钻孔平均单刀出煤量和钻孔平均瓦斯抽采纯量增加明显；但在割缝时间由25 min增加到30 min时，钻孔平均单刀出煤量和钻孔平均瓦斯抽采纯量增加不明显。因此确定适用于薛湖煤矿煤层特点的割缝时间为25 min。

图4 不同割缝时间下钻孔平均单刀出煤量

图5 不同割缝时间下钻孔瓦斯抽采纯量变化曲线

2.3.3 割缝转速对割缝效果的影响

当割缝压力为60 MPa、割缝时间为25 min、割缝间距为2 m时，不同割缝转速下钻孔平均单刀出煤量如图6所示。可看出割缝转速分别为40，60，80 r/min时，钻孔平均单刀出煤量分别为2.05，1.84，1.77 t，即低割缝转速可增加钻孔平均单刀出煤量。通过现场观察，割缝转速为40 r/min时，堵孔严重；割缝转速为60 r/min时，存在堵孔现象；割缝转速为80 r/min时，排渣流畅。这是由于薛湖煤矿煤层松软，低割缝转速会导致钻杆辅助排渣能力降低，所以适用于薛湖煤矿煤层特点的割缝转速为80 r/min。

图6 不同割缝转速下钻孔平均单刀出煤量

2.3.4 割缝间距对割缝效果的影响

当割缝压力为60 MPa、割缝时间为25 min、割缝转速为80 r/min时，不同割缝间距下钻孔平均单刀出煤量、瓦斯抽采纯量分别如图7、图8所示。可看出割缝间距分别为2，4 m时，钻孔平均单刀出煤量分别为1.58，1.67 t，钻孔平均瓦斯抽采纯量分别为0.008，0.006 m3/min；与割缝间距为2 m时相比，割缝间距为4 m时钻孔平均单刀出煤量增加约5.7%，但钻孔平均瓦斯抽采纯量减少25%，抽采效果不佳。因此确定薛湖煤矿超高压水力割缝合理割缝间距为2 m。

图7 不同割缝间距下钻孔平均单刀出煤量

图8 不同割缝间距下钻孔瓦斯抽采纯量变化曲线

3 现场应用

薛湖煤矿在试验区域施工55个超高压水力割缝钻孔(钻孔间距为5.0 m)，根据试验分析，选取超高压水力割缝工艺参数：割缝压力为60～70 MPa，割缝时间为25 min，割缝转速为80 r/min，割缝间距为2 m。为验证超高压水力割缝技术的有效性，在同一试验区域施工相同数量的普通钻孔(钻孔间距为3.5 m)进行对比，分析瓦斯抽采数据、抽采达标时间和残余瓦斯含量。

3.1 瓦斯抽采数据

割缝钻孔与普通钻孔瓦斯抽采浓度、纯量分别如图9、图10所示。可看出普通钻孔、割缝钻孔日均瓦斯抽采体积分数分别为23.1%，40.4%，割缝钻孔日均瓦斯抽采体积分数约为普通钻孔的1.75倍；普通钻孔、割缝钻孔日均瓦斯抽采纯量分别为0.001 6，0.005 2 m3/min，割缝钻孔日均瓦斯抽采纯量为普通钻孔的3.25倍。

图9 钻孔瓦斯抽采浓度变化曲线

图10 钻孔瓦斯抽采纯量变化曲线

3.2 抽采达标时间

根据薛湖煤矿实际情况，残余瓦斯含量降低到6 m3/t时抽采达标。普通钻孔在抽采203 d时抽采达标，割缝钻孔在抽采118 d时抽采达标。相对于普通钻孔，割缝钻孔抽采达标时间缩短了约42%。

3.3 残余瓦斯含量

抽采118 d时，分别在距离割缝钻孔、普通钻孔1.5，2.0，2.5 m处测定残余瓦斯含量，如图11所示。可看出距割缝钻孔2.5 m处残余瓦斯含量为5.926 0 m3/t，小于6 m3/t，抽采达标；普通钻孔残余瓦斯含量最小值为6.456 7 m3/t，大于6 m3/t，抽采未达标。

图11 残余瓦斯含量测定结果

4 结论

(1) 通过现场试验得出了适用于薛湖煤矿二2煤层特点的超高压水力割缝工艺参数：割缝压力为60～70 MPa，割缝时间为25 min，割缝转速为80 r/min，割缝间距为2 m。

(2) 应用结果表明，超高压水力割缝钻孔与普通钻孔相比，前者日均瓦斯抽采体积分数约为后者的1.75倍，日均瓦斯抽采纯量为后者的3.25倍，瓦斯抽采达标时间缩短了约42%，残余瓦斯含量小。