高压水力割缝在孟津煤矿的应用

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摘要：　结合义煤集团孟津煤矿应用实例，分析高压水力割缝及增透技术，分析其原理，介绍装备情况，并详细论述实施方案，供同类工程参考。

关键词：　高压水力割缝；实施方案；应用

义煤集团孟津煤矿为煤与瓦斯突出矿井，随着矿井开采进入深部水平，煤层瓦斯压力、瓦斯含量增加，煤层透气性系数仅为0.00013毫达西，为不易抽采煤层，瓦斯抽采困难。煤层坚固性系数f值为0.1～0.3，大部分煤体坚固性系数都在0.5以下，为松软突出危险煤层。由于煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高，抽采钻孔在施工过程中煤层自喷能力强，容易出现喷孔、垮孔、顶钻、卡钻现象，钻孔施工完毕后由于钻孔垮孔，导致钻孔堵塞，抽采效果较差，抽采效率低，抽采时间长；为了解决这一难题目前采取了加密抽采钻孔、水力冲孔等措施，但不能从根本上解决抽采效果差、抽采效率低、抽采时间长的问题，煤与瓦斯突出及瓦斯治理威胁安全生产的同时制约了矿井安全高效的建设，为此，研究一种松软突出煤层增透技术，提高瓦斯抽采效果对矿井安全生产有着至关重要的意义。

1　高压水力割缝及增透技术原理

1.1　高压水力割缝原理

高压水力割缝是通过高压水泵加压产生的高压水为介质，高压水通过自动切换式切缝器的喷嘴内喷出，形成一股能量高度集中的细束高压水流，高压水流有较强的穿透、冲蚀能力，完成对煤体的强烈冲击，从而对煤体形成切割和破碎。

1.2　高压水力割缝增透原理

高压水力割缝是在煤层中先施工一组抽采钻孔，然后选择部分钻孔进行高压水力割缝。高压水力割缝通过高压水射流在抽采钻孔煤层范围内定点径向切割或煤层范围内上、下来回切割，通过切割后在钻孔周围形成一条具有深度扁平缝槽，利用水流将切割下来的煤块带出孔外，从而增加煤体的暴露面积，且扁平的缝槽相当于局部范围内开采了保护层，使抽采钻孔附近煤体局部卸压，改善了瓦斯流动条件；改变煤体原始结构，增大煤层透气性，从而达到煤层增透的目的。

1.3　高压水力割缝装备

高压水力割缝主要设备有：Φ75mm钻头、自动切换式切缝器、高压脉冲水射流专用密封钻杆（Φ50mm×800mm）、高压密封输水器、高压密封水管（25-4sp-35Mpa）、乳化泵（额定流量400L/min，额定压力60Mpa）、减震压力表、压力表基座、快速接头、三通、U型卡、密封圈、高压球阀。乳化泵将高压水通过高压密封水管（最大承载压力为45MPa）将高压水输入高压密封钻杆。高压水通过自动切换式切缝器，从喷射直径为2.5～3.0mm的喷嘴径向喷出，在抽采钻孔的煤层段进行定点固定环形切割或煤层范围内来回切割，对煤体进行冲蚀、破碎，从而达到对抽采钻孔的割缝，以达到提高煤层透气性的目的。

2　高压水力割缝实施方案

2.1　高压水力割缝钻孔布置

为提高抽采效果、缩短抽采时间，采取了高压水力割缝增透技术，即抽采钻孔施工完毕后，将高压水力割缝钻头送入到煤层指定位置，然后进行水力割缝，通过高压水力割缝以增大煤层暴露面积、增强煤层透气性，从而提高抽采效果，缩短抽采时间，分别在11011胶带顺槽底板抽放巷12号钻场、11011轨道顺槽底板抽放巷4号及6号钻场、西翼胶带大巷共进行了6次水力割缝实验。为避免受到水力冲孔的影响，水力割缝孔均布置在离水力冲孔钻孔尽量远的位置。穿层钻孔高压水力割缝布置图如图2。

2.2　高压水力割缝实施过程

2011年6～7月在以上3个抽放点共实施6次高压水射流割缝实验。抽采钻孔均采用Φ75mm钻头施工至见煤点，再用Φ94mm钻头扩孔至见煤点。然后将钻孔内普通钻杆退出，再在Φ75mm钻头与高压密封钻杆之间接上自动切换式切缝器，然后将连有切缝器的钻杆送入孔内，由于煤质软易塌孔，向孔内送高压密封钻杆时，采用常压水向孔内钻进，孔内返水后，关闭进水阀后，加钻杆继续钻进。重复该过程，直至钻杆推进到指定的煤层位置，孔内正常返水。启动乳化泵，泵压维持在20～25Mpa之间，开钻机在指定的煤层位置进行定点和来回旋转，开始水力割缝。通过高压水力冲蚀和剥落原始煤体，并收集割缝过程中剥落的煤层重量。单个钻孔割缝结束后，即按要求对抽采钻孔进行封堵接抽，并对高压水射流割缝钻场的抽放钻孔安装瓦斯流量计以考察抽放效果。

3　高压水力割缝实施效果

3.1　高压水力割缝出煤效果分析

高压水力割缝增透技术的主要原理是通过高压水将煤层从煤体剥落，增大钻孔内煤体暴露面积、改变钻孔内煤体结构，从而达到提高抽采效果的目的。为此，高压水力割缝时割缝剥落煤体的多少是影响增透效果的关键。为准确考察通过高压水力割缝所排出的煤量，在割缝过程中现场人员认真收集剥落和排出的煤量，以便计算出高压水力割缝的效果，高压水力割缝出煤效果统计表见表1。

由表1可以看出，实施高压水力割缝的6个钻孔，累计排出煤量46t，平均每个钻孔排出煤粉为7.67t，平均每小时出煤量

为3.94t，按所排出的煤量、割缝压力及二1煤层坚固性系数反算割缝影响半径为3.4m。由此可见，高压水力割缝增透技术适合于在煤层比较松软、且有自喷能力的地点实施。

表1 高压水力割缝统计表

3.2　高压水力割缝抽采效果分析

为考察高压水力割缝抽采效果，在所有实施高压水力割缝的钻孔安设了专门的瓦斯流量计，并定期测定抽采钻孔的抽采动态参数，包括抽采流量、浓度，通过计量对比分析高压水力割缝钻孔与水力冲孔钻孔的抽采浓度、抽采流量，从而考察得出高压水力割缝增透技术效果。

3.3　高压水力割缝与水力冲孔效果对比分析

水力冲孔是在钻孔的基础上，用水力冲刷钻孔，以达到两个目的：①　扩大钻孔直径；②　冲洗钻孔壁的煤粉，使钻孔壁有更好的渗透性。但该方法虽出煤量也较大，但冲孔效率较低，且其影响半径较小，在提高煤层透气性效果上，相对于高压水力割缝要小。

4　结论

高压水力割缝增透技术，高压水压力在20-25Mpa之间，通过定点来回旋转扩孔器高压水射流能有效的穿透和冲蚀煤体，每刀割缝时间在30～40分钟，每个孔钻孔割缝时间为110分钟左右，使钻孔内的煤体大量剥落，割缝影响半径为3.4m，从而增大抽采钻孔内煤体暴露面积，提高了抽采效果。