单一低渗煤层顺层钻孔水力化措施应用

徐 宁

(潞安集团 余吾煤业公司，山西 长治 046103)

余吾煤业主采3号煤层，平均厚度6.06 m，属于近水平缓倾斜煤层，瓦斯压力为0.42～0.45 MPa，煤层透气性系数0.146 0～1.093 8 m2/MPa2·d，属于不易抽采至可以抽采煤层[1]。顺层钻孔预抽煤层瓦斯是该矿主要瓦斯治理措施，但钻孔抽采纯量较低，平均单孔抽采纯量仅为0.015 m3/min，抽采效果一般，无法快速降低煤体瓦斯含量，在工作面回采过程中，各地点瓦斯浓度较高，影响正常回采作业。

为提高顺层钻孔抽采纯量，近几年余吾煤业积极开展了水力化增透措施考察，先后进行了超高压水力割缝、水力造穴技术现场应用，取得了较好的应用效果。

1 技术原理

超高压水力割是缝通过高压装置将高压水(90～100 MPa)送至钻孔孔底，利用高压水切割煤体。通过高能量的超高压水射流破碎煤体，形成直径较小的缝槽，然后在煤体应力、瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下破碎钻孔周围的煤体。缝槽周围煤体向缝槽空间发生位移，煤体位移的作用由缝槽壁缓慢地向周围煤体传播，应力集中范围也不断向深部转移，扩大了割缝的卸压排放瓦斯范围。割缝破坏了原来的煤体应力状态，形成卸压区，在煤层卸压区域内，原有裂隙的张开、扩展以及新破坏裂隙的形成，使其透气性显著提高，从而可以有效地提高瓦斯排放效率[2]。

水力造穴增透是在钻孔内用高压水(20～50 MPa)射流对钻孔周围煤体进行切割，在钻孔周围形成一系列具有一定宽度和长度的穴洞空间，利用水流将切割下来的煤体带出孔外。在钻孔内部形成可控的空间，使煤体卸压。卸压的煤体弹性能得到释放，煤层中的瓦斯得到充分解吸和释放，从而释放出瓦斯内能，降低煤体瓦斯含量[3]。

图1 超高压水力割缝示意

图2 水力造穴示意

超高压水力割缝、水力造穴工艺均是利用高压水通过喷嘴形成高压水射流，对钻孔煤体进行切割，其中水力割缝水压为90 MPa，切割煤体形成外窄内宽缝槽，缝槽宽度为2～5 cm，单刀出煤量约为0.3 t，割缝间距约为3～4 m时，钻孔平均出煤量为6.39 t，割缝间距为2 m时，钻孔平均出煤量为16.56 t。水力造穴水压为40～50 MPa，切割煤体形成煤穴，煤穴长度为1 m，造穴间距为6 m，平均单穴出煤量约为1.51 t，钻孔平均总出煤量为19.63 t。

2 试验概况

余吾煤业超高压水力割缝、水力造穴均选用重庆煤科院GF-100型超高压水力割缝装置，该装置能够提供0～100 MPa高压水，额定流量为125 L/min，其中水刀喷嘴直径为2.5 mm，钻杆为直径73 mm浅螺旋钻杆，钻头直径为113 mm。现场施工时，先使用钻头、水刀依次连接钻杆钻进至设计深度，在退钻过程中，根据割缝、造穴间距，通过调整增压泵水压，从而完成割缝、造穴作业。部分试验孔试验参数见表1。

表1 水力割缝、水力造穴钻孔试验参数(部分)

表2 水力割缝、水力造穴钻孔、普通孔抽采纯量对比 m3/min

3 效果对比

为对比水力割缝、造穴抽采效果，从等效半径、单孔抽采纯量、抽采纯量变化、工艺对比等四个方面进行分析，具体如下。

3.1 等效半径

割缝、造穴压力分别为90 MPa、40～50 MPa，煤体在高压水的作业下被切割为小颗粒，在水和螺旋钻杆的共同作用下，顺利排到孔口，割缝、造穴过程中未出现堵孔现象，在计算割缝、造穴半径时，可以把割缝、造穴形成的空间视为一个圆柱体，根据公式反算等效半径：

M=π×r2×h×K×γ

π为圆周率 3.14；M为造穴、割缝后排出煤屑量t；K为煤量损失不均衡系数 0.8～0.95，根据返水返渣情况此按0.91取值(实际钻孔为俯孔，钻孔深部切割、造穴煤渣经过钻杆长距离研磨，到孔口成粉末状)[4]；r为造穴、缝隙的等效半径，m；h为造穴、缝隙的宽度，m，考虑到缝槽为外宽内窄不规则槽形割缝后缝隙的平均宽度按2～5 cm计算，造穴长度为1 m；γ为煤的容重，γ=1.39 t/m3。

1) 割缝孔。割缝试验孔平均单刀出煤量为0.31 t，根据公式反算在每刀平均排出屑量M=0.31 t的条件下，割缝后形成缝槽半径：

r=1.25～1.97 m

2) 造穴孔。造穴孔造穴长度为1 m，平均单次出煤量为M=1.34 t，得出造穴钻孔有效半径r=0.58 m。即割缝孔有效半径为造穴孔的2.16～3.4倍。

3.2 单孔抽采纯量

选择抽采时间均为60 d的割缝孔、造穴孔、普通孔抽采纯量进行对比，其中割缝孔28个、造穴孔8个、普通孔5个。同时由于钻孔深度不一，抽采纯量存在差异，特将钻孔抽采纯量换算为“百米钻孔抽采纯量”进行对比。

图3 水力割缝孔、造穴孔、普通孔抽采纯量对比

1) 平均抽采纯量：普通孔平均抽采纯量为0.015 m3/min，割缝孔平均抽采纯量为0.055 m3/min，造穴孔平均纯量为0.1 m3/min，显然造穴孔平均抽采纯量最高，分别为割缝孔、普通孔的1.82倍、6.7倍。

2) 平均最大抽采纯量：普通孔平均最大抽采纯量为0.024 m3/min，割缝孔平均最大抽采纯量为0.131 m3/min，造穴孔为0.25 m3/min，造穴孔平均最大抽采纯量分别为割缝孔、普通孔的1.91倍、10.42倍。

可以得出，在带抽时间60 d情况下，在钻孔平均抽采纯量、平均最大抽采纯量方面，造穴孔均高于割缝孔、普通孔，说明钻孔经过水射流进行“钻扩孔”，形成一定长度的煤穴，提高了煤体透气性，为瓦斯流动创造了良好的条件，大大增加了钻孔抽采纯量。

3.3 抽采纯量变化

为考察割缝孔、造穴孔、普通孔纯量变化规律，选择带抽时间60 d以上钻孔进行分析，由于割缝孔、造穴孔数量较多，因此选择S31～S35号割缝孔、Z1～Z3号孔进行对比。

图4 超高压水力割缝钻孔纯量变化趋势

1) 由图4、图5可以看出，造穴孔、割缝孔均是在采用水力化卸压增透措施后，钻孔内部煤体暴露面积增大，煤体卸压，促进煤体瓦斯解析，煤层透气性显著增加，钻孔煤壁大量游离瓦斯涌出，造成初期抽采纯量大；随着时间的推移，钻孔附近煤体瓦斯含量显著下降，而此时由于抽采时间较短，深部瓦斯尚未运移至钻孔处，同时由于孔内积水，煤壁瓦斯被积水掩盖，这也就造成了纯量显著下降的现象。随着后期抽采时间的继续增加，孔内积水不断被抽走，深部瓦斯将陆续运移至钻孔处，则出现抽采纯量上升的现象。抽采纯量上升后煤体游离瓦斯不断减少，吸附瓦斯开始解析，二者达到一个相对平衡状态，即纯量出现下降并趋于稳定[5]。

图5 水力造穴钻孔纯量变化趋势

2) 造穴孔：Z1～Z3号孔分别经过13 d、17 d、22 d分别趋向于0.06 m3/min、0.05 m3/min、0.03 m3/min，平均时间为17 d。割缝孔：S31～S35号孔分别经过34 d、5 d、16 d、9 d和21 d分别趋向于0.06 m3/min、0.05 m3/min、0.03 m3/min、0.04 m3/min和0.05 m3/min，其中S32号孔与418号孔轻微串孔，因此纯量衰减较快，即S31～S32号、S34～S35号孔平均时间为20 d，普通钻孔纯量衰减期为7～10 d。显然造穴孔、割缝孔纯量衰减时间均长于普通孔，主要原因为钻孔经过水力化措施后，煤壁暴露面积增大，煤体透气性改善，造成带抽前期瓦斯抽采纯量较大。

3.4 工艺对比

1) 施工时间。割缝、造穴区间均为30～120 m，割缝孔间距2 m，平均单次高压切割时间为10 min，每个孔割46刀，共用时7.67 h；造穴孔间距6 m，造穴长度为1 m，每个孔造13个穴，每个穴用时30 min，共用时6.5 h。即造穴孔比割缝孔节省1.17 h。

2) 安全系数。造穴孔高压水压力为40～50 MPa，割缝孔高压水压力为90 MPa，压力越高，对于高压泵、高压胶管、钻杆密封安全要求也相应提高，因此从施工安全角度考虑，造穴工艺优于割缝工艺。

4 结 语

1) 超高压水力割缝、水力造穴工艺均是利用高压水通过喷嘴形成高压水射流，对钻孔煤体进行切割，增加钻孔煤壁暴露面积，提高瓦斯抽采效率。其中割缝孔、造穴孔等效半径分别为1.25～1.97 m、0.58 m，即割缝孔有效半径为造穴孔的2.34～3.71倍。

2) 造穴钻孔经过水射流进行“钻扩孔”，形成一定长度的煤穴，提高了煤体透气性，为瓦斯流动创造了良好的条件，钻孔抽采纯量优于割缝钻孔。

3) 在施工时间方面，造穴孔比割缝孔节省1.17 h，在安全系数方面，造穴工艺优于割缝工艺。

4) 综上所述，对于单一低渗煤层来说，水力造穴技术优于超高压水力割缝技术,目前余吾煤业正在井下推广应用。