水力割缝钻孔在常村煤矿的应用

郜 峰，王 珂

(潞安化工集团 常村煤矿，山西 长治 046100)

水力割缝利用高压清水泵将水加压至75～80 MPa，通过钻杆送入割缝喷嘴，再通过喷嘴形成脉动水线切割煤层，在煤体内制造裂隙，增加瓦斯运移通道，加大煤层透气性，以提高瓦斯抽采效率。常村煤矿位于山西省沁水煤田潞安矿区的中部，属高瓦斯矿井，开采煤层为3号煤层，3号煤层位于山西组中下部，平均厚度6.08 m，含夹矸0～2层。煤的破坏类型属Ⅱ类破坏类型，坚固性系数f值为0.41～0.49，煤层透气性系数为0.087 2～0.093 6 m2/MPa2·d，属于不易抽采型。2302工作面标高在+440～+460之间，工作面采用“Y型”布置，煤层平均厚度为6.45 m，根据3号煤层瓦斯地质图显示，该工作面原始瓦斯含量为8～10 m3/t。

1 工作面瓦斯治理措施

本工作面的瓦斯治理措施主要有：本煤层预抽钻孔、水力造穴钻孔、水力割缝钻孔。

1.1 本煤层预抽钻孔

2302辅运巷本煤层预抽钻孔于2018年5月开始施工，共施工768个钻孔，进尺11 460 m，2019年9月施工完成；胶带巷本煤层预抽钻孔于2018年8月开始施工，共施工749个钻孔，进尺111 900 m，2019年6月施工完成。

1.2 水力造穴钻孔

2302工作面仅辅运巷1 412 m处往里200 m范围施工40个水力造穴钻孔，钻孔从孔底开始造穴，然后依次每退5 m造穴1个，造穴段长度1 m，距煤墙预留30 m安全距离，总共造穴20个，冲孔压力控制在15～20 MPa之间，待孔口返水无明显煤屑后，降低水压至3～5 MPa后退5 m再次造穴，每个钻孔施工完毕后，立即封孔联网抽采。钻孔参数见表1和表2。

表1 2302辅运巷本煤层预抽钻孔参数

表2 2302辅运巷水力造穴钻孔参数

1.3 水力割缝钻孔

在2302轨顺1 617 m处往外施工水力割缝钻孔，钻孔开口位置距底板2 m,方位角为垂直煤墙偏切眼10°，割缝钻孔施工在2个水力造穴孔中间时，钻孔间距5 m，割缝钻孔施工在2个普通钻孔中间时，间距为4 m，钻孔倾角-2～+4°，孔径D113 mm，共设计255个钻孔。

2 水力割缝原理及参数

2.1 水力割缝原理

当钻孔钻进至预定孔深位置时，将超高压清水泵水压调至割缝作业设定压力，利用钻机带动水力割缝装置的钻杆旋转，超高压水通过高低压转换割缝器径向喷嘴射出水射流，对煤孔进行径向切割形成缝槽，按一定割缝间距后退钻杆可在钻孔径向再次进行割缝成槽，由此在孔内形成若干切割缝隙，改变钻孔附近煤体原应力进行充分卸压，增大煤体的暴露面积，有效改善煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放创造有利条件，提高煤层的透气性和瓦斯释放能力。

2.2 水力割缝钻孔参数

水力割缝钻孔参数，见表3，施工示意见图1。

图1 水力割缝钻孔施工示意

表3 2302辅运巷水力割缝钻孔参数

钻孔从孔底开始割缝，然后依次每退3 m切割1次，距煤墙预留30 m安全距离，总共切割41刀，切割压力控制在75～80 MPa之间，切割时间控制在5 min。每个钻孔施工完毕后，立即封孔联网抽采。

3 水力割缝钻孔抽采效果分析

截至2021年8月30日，共施工81个钻孔，3月28日第一个割缝钻孔并网抽采，目前施工的割缝钻孔均已并网开抽，本次选取5月份成孔的30号～43号钻孔进行分析。

3.1 水力割缝钻孔成孔后浓度走向趋势

30号～43号钻孔抽采浓度的测试数据，见表4，绘制钻孔抽采浓度曲线图，见图2，图3和图4。

表4 30号～43号钻孔浓度参数

图2 30号～35号钻孔浓度曲线图

图3 36号～39号钻孔浓度曲线图

图4 40号～43号钻孔浓度曲线图

由以上曲线可以看出，曲线变化以7月10日为分界点(30号～43号孔全部预抽达到40 d)基本可以分为两个部分，7月10日前各钻孔的浓度起伏波动较大，说明割缝钻孔成孔后，其内部裂隙仍在发育或者受力闭合，且随着抽采时间的延长，钻孔水被抽排干净，也对裂隙的形成起到一定作用，造成浓度波动幅度较大。7月10日后除个别钻孔外，总体较为平稳，且呈逐渐衰减趋势(8月10日抽采负压异常偏低，造成钻孔浓度升高)。说明水力割缝钻孔成孔40 d后，孔内裂隙的变化已趋于稳定，在抽采负压不出现大范围变化时，钻孔的浓度会出现平稳下降的趋势。

3.2 受采动影响范围水力割缝钻孔与普通钻孔的区别

随机选取2021年7月23日，8月7日，8月16日，三日的超前钻孔进行分析，根据常村煤矿综采工作面生产相关经验，工作面距切眼20 m范围内为受采动影响区域。超前钻孔为距切眼20 m范围内钻孔，具体参数见表5，表6和表7。

由表5、表6、表7可以看出，超前距内水力割缝钻孔浓度要明显高于普通钻孔，说明进入受采动影响区域后，随着煤体裂隙的发育，水力割缝钻孔的抽采效果要好于普通钻孔。

表5 7月23日进入受采动影响区域各钻孔浓度参数

表6 8月7日进入受采动影响区域各钻孔浓度参数

表7 8月16日进入受采动影响区域各钻孔浓度参数

3.3 水力割缝钻孔与邻近钻孔的关系

连续观测2021年8月7日～8月8日2 d的水力割缝钻孔抽采浓度和其相邻普通钻孔抽采浓度，对两者的关系进行分析，见图5和图6。

图5 8月7日水力割缝钻孔与邻近普通钻孔浓度对比曲线图

图6 8月8日水力割缝钻孔与邻近普通钻孔浓度对比曲线图

从以上曲线可以明显看出，除工作面超前距内，受采动影响范围内水力割缝钻孔与普通钻孔浓度差异较小外，其余割缝钻孔的浓度均远高于普通钻孔。可以得出以下结论。

1) 水力割缝钻孔的施工，对邻近钻孔的影响不大。

2) 在煤体瓦斯含量高的工作面，煤体经过钻孔长时间抽采，仍然赋存有可抽采的大量瓦斯，单一的施工普通钻孔对工作面瓦斯的治理作用有限。

3) 通过曲线可以看出，水力割缝对煤体的破坏并未引起邻近的普通孔浓度的升高，也就是割缝钻孔对煤体的扰动与产生的裂隙未与普通孔并未导通。反映出大部分普通钻孔内已经塌死(前期的用探杆透孔可以印证，70%普通钻孔孔内已经塌死，无法塞入探杆)。

4 结 语

根据常村煤矿2302工作面施工的水力割缝钻孔进行分析，可以得出以下结论：

1) 水力割缝对煤体的破坏较大，有良好的增透效果，比未进行水力割缝钻孔有更高的初始抽采瓦斯浓度。

2) 在进入受采动影响范围内时，水力割缝钻孔浓度比未进行水力割缝的钻孔浓度更高。