基于高压水射流割缝的煤层增透技术

石瑞鹏

(西山煤电集团 杜儿坪矿， 山西 太原 030022)

高压水射流割缝是一种充分利用高压水作为冲击动力来源，从钻孔孔壁至煤(岩)体进行扫圈式切割、排渣，最终在煤(岩)体中形成缝槽的技术。这种方法是用钻割一体钻头在煤(岩)层中先打一定孔径卸压钻孔，然后退钻时在钻孔内利用高压水射流沿孔壁对煤(岩)体进行切割，利用水流将切割下来的煤(岩)渣排出孔外，从而达到煤体增透、降温、降尘、防冲(突)卸压的目的[1].

杜儿坪矿68307工作面开采8#煤层，煤体瓦斯含量高压力大，经预测，工作面开采区域为突出煤层突出危险区。为提高瓦斯治理及防突效果，现引进高压水射流割缝(水力割缝)新技术，对煤体实施水力切割，增加煤层透气性，提高卸压消突效果和瓦斯抽采率，确保工作面安全回采。

1 地质概况

杜儿坪矿主采煤层为8#煤层，平均煤厚4.59 m，倾角3°，F值1～2，顶板为石灰岩，底板为细砂岩。依据沈阳煤科院的瓦斯参数鉴定报告，8#煤瓦斯含量为6.94～10.98 m3/t，煤层透气性系数为1.1～1.27 m2/MPa2·d. 煤层孔隙率为3.55～5.71，属可以抽放～较难抽放。杜儿坪矿目前存在钻孔预抽时间长、瓦斯抽采率低、采掘接替紧张、工作面瓦斯治理困难等问题，因此亟需在68307回风巷施工高压水射流割缝增透工艺。

2 高压水射流割缝增透工艺流程

高压水力割缝系统设备包含：钻割一体化钻头(独立转头、高低压转换器)、高压输水钻杆、高压旋转器(进口)、高压输水胶管、高压泵组、水箱等。在进行切割时，钻机作为推进旋转器，不对现有的钻机进行任何改动。

其中，钻割一体化钻头是集钻进和割缝为一体的孔内装置。在正常钻进时，操作方式不变，高压输水钻杆接旋转水变，钻头前面的轴向水孔正常出水，钻进至设计深度；钻孔到位后拆除钻杆使钻割一体化钻头后退至设计割缝位置，高压输水钻杆接旋转水变，钻机匀速转动带动钻割一体化钻头转动，开启高压泵后钻头轴向水道关闭。径向高压水射流喷嘴开启，在钻孔的煤壁上切割[2]. 高压水射流割缝示意图见图1.

图1 高压水射流割缝示意图

3 高压水射流割缝钻孔

3.1 施工设计

在68307回风巷距切眼10 m处至停采线范围内，向68307工作面内施工本煤层钻孔(图2). 施工参数为：单孔孔深100 m，方位角为245°，钻孔倾角为-4°～4°，钻孔d113 mm，开孔高度底板以上1.5 m，孔间距8 m，封孔深度不低于12 m，带压注浆段不低于5 m，钻孔参数见表1.

图2 68307回风巷本煤层钻孔布置平面示意图

表1 钻孔施工参数表

3.2 割缝施工方式

单数孔从距离孔底1 m位置，开始后退式割缝，每隔8 m割缝一刀，距离孔口19 m处停止割缝，设计每孔割缝11次。

双数孔从距离孔底5 m位置，开始后退式割缝，每隔8 m割缝一刀，距离孔口15 m处停止割缝，设计每孔割缝11次。

每次割缝时间5～10 min，割缝水压达到80 MPa以上，割缝直径为0.5～2 m，割缝的裂隙度为30～50 mm. 割缝间距根据实际情况可调整[3]. 高压水射流割缝参数见表2，高压水射流增透卸压瓦斯抽放孔断面图及割缝示意图见图3，4.

表2 钻孔施工参数表

图3 高压水射流增透卸压瓦斯抽放孔断面图

图4 高压水射流割缝示意图

3.3 封孔设计

钻孔采用双囊袋封孔器和无机封孔材料联合进行封孔。钻孔施工完后，依次向钻孔内封入1根1.5 m的筛孔管、囊袋式封孔器、2根4 m长的2英寸PVC管，将水与无机封孔材料按照3∶5的比例搅拌均匀后，采用注浆泵注入囊袋；当注浆泵压力第一次上升到0.8～1.0 MPa后，继续注浆，压力会瞬间归零，说明囊袋已完全膨胀，铝箔阀打开，继续注浆至压力再次上升到0.6～0.8 MPa并稳定后，停止注浆。注浆完成后在孔口200 mm段封入水泥砂浆。钻孔封孔示意图见图5.

图5 钻孔封孔示意图

3.4 抽采系统

68307回风巷本煤层钻孔抽采系统：68307回风巷d325 mm抽采管路→联络巷d325 mm抽采管路→北一下组d508 mm抽采管路→北一2#回风巷d813 mm抽采管路→第一瓦斯管道井→北石沟地面高浓抽采泵。

4 效果分析

在68307回风巷施工高压水射流割缝技术后，扁平缝槽相当于在局部范围内开采了一层极薄的保护层，达到层内压力的自我解放，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好条件，其结果是缝槽上下的煤体在一定范围内得到较充分的卸压[4]， 增大了煤层的透气性能，使缝槽周围的煤体向缝槽产生一定的位移，因而扩大了缝槽卸压增透、排放瓦斯的范围[5].

在68307回风巷施工高压水射流割缝的煤层增透技术，与未实施割缝的68307机轨巷钻孔浓度对比见图6.

在68307回风巷施工高压水射流割缝的煤层增透技术，总管瓦斯纯量变化见图7.

目前，68307回风巷抽采负压13 600 Pa，节流260 Pa，瓦斯抽采浓度平均42%，抽采纯量平均6.41 m3/min. 与未实施高压水射流技术的68307机轨巷相比，抽采浓度平均提高20%，抽采纯量提高2.13 m3/min. 全年发电量提高了4 539 419 kWh，按电价0.5元/kWh，共收益2 269 709.5元。

图6 总管瓦斯浓度对比图

图7 瓦斯纯量变化情况图

5 结 语

在杜儿坪矿68307回风巷采用高压水射流割缝技术后，扩大了煤体卸压增透、排放瓦斯的范围，增大了煤层的透气性，降低预抽时间，实现防突和快速高效抽采目的。同时瓦斯抽采纯量得到了提高，保证了电厂发电需要的瓦斯浓度，提高了电厂发电量。为8#煤的开采积累了宝贵经验，同时也提高了矿井的经济效益。