窦家宝
新郑煤电公司防突科，河南省新郑市 451184
摘 要：针对赵家寨煤矿“三软”煤层透气性差、瓦斯抽采难度大、预抽效率低的问题，在分析了超高压水力割缝原理的基础上，通过现场工程实验手段，提出超高压水力割缝增透技术。在赵家寨煤矿进行了现场试验，研究结果表明：实施超高压水力割缝增透技术后，瓦斯抽采效果明显，随着割缝压力的增加，平均单刀出煤也随之增加，为保障割缝安全进行，选择割缝压力60~80MPa，瓦斯抽采平均纯量是割缝前的3.3倍。
关键词：“三软”煤层；超高压水力割缝；瓦斯抽采；
0 引言
郑州矿区主采山西组二1煤层，是我国典型的“三软”煤层发育区，煤层具有低孔隙、低渗透率、高吸附的特征，煤层透气性差，瓦斯抽采十分困难，严重影响矿井的安全和生产。为了提高煤层透气性，从而提高瓦斯抽采效率，消除煤层突出危险性，很多学者研究了水力压裂、水力割缝、水力冲孔等水力化措施。超高压水力割缝卸压增透技术成为更有效的煤层卸压增透方法，该技术是将水通过泵体加压，然后以高速度和高冲击力注入煤层，实现层内切割形成垂直与煤层的纵向割缝，从而达到增透作用。时歌声运用FLAC3D软件模拟了不同参数条件下钻孔周围煤体应力分布，通过提高割缝压力、合理布置割缝间距，能够有效加大煤体卸压程度，缓解钻孔周围应力状态。陈洪涛、李太训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，并发现超高压水力割缝和普通钻孔相比，瓦斯抽采量得到明显提升。
为解决赵家寨煤矿二1煤层瓦斯抽采率低、抽采时间长、煤层透气性差的问题，以本矿14205工作面瓦斯治理为背景，在14205底抽巷试验了穿层钻孔超高压水力割缝卸压增透技术，取得了良好的效果。
1超高压水力割缝技术
1.1技术原理
超高压水力割缝卸压增透技术是将水通过泵体加压，然后以高速度和高冲击力注入煤层，实现层内切割形成垂直与煤层的纵向割缝，利用超高压水（压力＞100MPa）对煤层进行切割，形成切割缝隙，增大煤层暴露面积，为瓦斯排放创造有利条件，同时改变了煤层的应力状态，使煤体得到充分卸压，改善了煤层中瓦斯的流动状态，提高了煤层的透气性，削弱和消除突出的动力，有效防止煤与瓦斯突出动力灾害的发生。
1.2配套设备
ZGF-100超高压水力割缝装置包括超高压清水泵、超高压旋转接头、高低压转换器、金刚石水力割缝钻头等，超高压水力割缝钻割一体化设备组成。
2 施工地点概况及方案设计
2.1 施工地点概况
此次施工地点14205下付巷，该巷道煤层厚度0.5～12m，平均煤厚4.6m，煤层倾角0～11°，煤质松软，强度较低，层理不清，煤层局部含有夹矸。直接顶为砂质泥岩，平均厚度2.21m；老顶为大占砂岩，平均厚度12.7m；直接底为砂质泥岩，平均厚度3.4m，老底为L7～８灰岩，平均厚度9.6m。巷道内煤层瓦斯含量2.56～8.83m
3/t，瓦斯压力值0.10～0.29MPa，煤的坚固性系数为0.26。
2.2 钻孔布置
根据14205工作面布置情况，选择在14205下底抽巷施工穿层钻孔进行超高压水力割缝卸压增透技术试验。
钻孔施工地点主要布置在14205上、中、下底抽巷和中底抽巷皮带运输机联巷内。钻孔开口位置严格按照设计施工，（如开孔遇锚杆，开孔位置可根据实际情况向上、下或向左、右平移100mm）。钻孔孔径不小于94mm。
钻孔设计终孔间距：瓦斯含量＜6m
3/t区域按8m×8m设计；瓦斯含量6～8m
3/t区域按7m×7m设计；瓦斯含量8～10m
3/t区域按6m×6m设计；瓦斯含量＞10m
3/t区域按5.5m×5.5m设计；地质构造影响区域按6m×6m设计。
工程承包区域内设计穿层抽采钻孔2221个。
（1）依次连接钻头、高低压转换割缝器、水力割缝浅螺旋整体钻杆、利用矿方正常钻进的低压水尾及低压水管路，按割缝钻孔设计参数施工至设计深度。要求对所有超高压钻杆连接前进行内外冲洗并确保钻杆内无煤屑等残留物，高压管路接头必须用钢丝绳固定。
（2）根据煤孔段长度，穿层按0.5m～2.5m割一刀（煤壁破碎或煤层松软处加大安全距离）。
（3）将高低压转换割缝器停在指定割缝位置，关闭静压水，换接超高压旋转水尾，连接超高压管路，不相关人员撤离至警戒线外。再次检查确认施工环境及设备安全后，先开启钻机带动钻杆以适当速度旋转，然后再开启超高压清水泵，首次启动空载2～3min以上，待孔口返水后，通过调压阀，泵压由低到高缓慢、匀速增压：10MPa→15MPa →20MPa →30MPa→50MPa→80MPa→100MPa，水经过超高压软管进入钻杆内，最后从高低压转换割缝器上的喷嘴射出，对煤层周边煤体进行切割，每刀割缝时间为15～25min。
（4）割缝过程中若遇堵孔、憋孔现象，先快速将高压泵压力降低至10～15MPa，低压冲洗2～3min，待孔口返水正常后在缓慢调压至100MPa，继续割缝作业；若低压冲洗5min以上仍未疏通，则关闭高压泵，采用钻机直接带动钻杆旋转、缓慢前后拉动，直至钻孔疏通、孔内煤渣排出。割缝过程若遇喷孔或瓦斯超限现象，立即停止作业，分析喷孔或瓦斯超限原因，处理完成并恢复正常后方可继续割缝作业。
（5）切割一刀结束后，根据钻机后退行程，若行程足够大，将超高压清水泵泵压回零，利用钻机将钻杆由内向外退出0.5～2.5m的距离，控制调压螺母，将泵压缓慢、匀速增加至100MPa，继续进行割缝作业。若钻机后退行程不足，先将超高压清水泵泵压回零，在关闭超高压清水泵，开启钻机，撤卸1～3根钻杆，重新连接超高压旋转水尾及超高压管路，再次开启超高压清水泵，控制调压螺母，将泵压缓慢、匀速增加至100MPa，继续进行割缝作业。
（6）重复上述3、4、5步骤，完成预计割缝刀数。
（7）钻孔割缝完成后，孔内返水正常且无憋孔、堵孔等异常现象，先将超高压清水泵泵压缓慢回零，再关闭超高压清水泵，切断电源，撤卸钻杆并堆放整齐，高低压转换割缝器、金刚石复合片钻头、超高压旋转水尾妥善保管。
3超高压水力割缝效果及分析
3.1割缝压力对单刀割煤量的影响
1）试验方案
根据本工作面煤层特点，试验设计考察6种不同割缝压力，分别为40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa，针对6种不同割缝压力进行超高压水力割缝试验，单刀割缝时间20min，转速80r/min。记录割缝过程中钻孔出煤量情况，显示6种不同压力下，单刀出煤量分别为1.2t、1.6t、1.7t、1.8t、2.2t、2.5t。
2）试验结果分析
随着割缝压力的增加，平均单刀出煤也随之增加。但是在割缝压力增大到90MPa后，出现了严重堵孔现象，为保障割缝安全进行，选择割缝压力60~80MPa。
3.2割缝孔与普通钻孔抽采纯量对比分析
普通钻孔日均抽采纯量最大为0.02895m
3/min，最小为0.01079m
3/min，平均为0.01934m
3/min；割缝钻孔日均抽采纯量最大为0.09642m
3/min，最小为0.03563m
3/min，平均为0.06384m
3/min。割缝钻孔平均抽采纯量为普通钻孔的3.3倍。
4结语
实施超高压水力割缝增透技术后，瓦斯抽采效果明显，随着割缝压力的增加，平均单刀出煤也随之增加，为保障割缝安全进行，选择割缝压力60~80MPa，瓦斯抽采平均纯量是割缝前的3.3倍。
参考文献
[1]时歌声.超高压水力割缝增透卸压规律研究与应用[J].煤炭科技,2020,41(01):23-26.
[2]陈洪涛,李太训.薛湖煤矿超高压水力割缝工艺参数优化试验[J].工矿自动化,2020,46(01):90-94.