高压水射流割缝技术卸压增透机理及应用研究

李 岩

（潞安集团余吾煤业有限公司，山西 长治 046103）

井下煤田的开采常常伴随有瓦斯动力灾害的发生，这是因为煤层内赋存有游离状态和吸附状态的瓦斯。当煤层埋深较大或者透气性较差，且煤层内瓦斯赋存量较高的情况下，大量积聚在煤层内的瓦斯对煤炭资源的开采造成了严重的困扰。针对煤层瓦斯的治理，主要以抽采为主，而为了提高瓦斯的抽采效率，提高煤层的卸压增透性能就显得尤为关键。传统的机械钻孔存在打钻孔径较小、机械磨损严重且可能产生火花等不利因素，本文提出了采用高压水射流割缝技术对煤体进行卸压增透，进而提高后续瓦斯的抽采效率。

1 工程地质概况

潞安集团余吾煤业所开采的井田范围坐落于山西长治屯留县境内，井田内主采3 号煤层。该主采煤层平均厚度为6.0m，煤层平均倾角为3°，属于近水平厚煤层开采，采用综采放顶煤开采工艺。余吾煤业经具有相关资质单位鉴定为高瓦斯矿井，3 号煤层原始瓦斯含量为10.05m3/t，瓦斯压力为0.5MPa，透气性系数为0.912。为有效治理瓦斯，必须针对未开采工作面提前进行瓦斯预抽采，来降低煤层赋存瓦斯量，为后续工作面的安全高效开采提供基础保障。

本文选取余吾煤业北风井西翼采区内的N2205工作面为工业性试验地点，其接续工作面为西侧紧邻的N2203 工作面，需提前对采掘空间周围一定范围内的煤体进行瓦斯预抽采。由于N2205 工作面主采3 号煤层下方为赋存稳定的砂岩～粉砂质泥岩，因此在N2205 工作面下方10m 位置处掘进底板岩层巷道，对N2203 回风平巷两侧的煤体进行穿层钻孔瓦斯预抽采处理。底板岩层巷道水平方向布置于N2203 回风平巷左侧与煤帮相距10m 位置处，以底抽岩巷右侧肩窝位置向3 号煤层中施打穿层钻孔，对N2203 回风平巷两侧一定范围内煤体进行瓦斯预抽采处理。穿层钻孔施工至煤层顶板位置处为止，其孔底位置相互之间间距设计为5m 间隔，共施工1 组9 个钻孔，编号从左向右依次为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#和9#。N2205 工作面及其底板岩层瓦斯抽采巷道相对位置关系的平、剖面图如图1所示。

图1 N2205 工作面及底抽巷平、剖面位置相对关系

2 高压水射流割缝技术

2.1 高压水射流切割机理分析

通过采用带有切割器的钻头向底板上方的煤层预先打穿层钻孔，然后利用中空钻杆供给高压水，通过切割器上方的喷嘴将高压水转化为水射流喷射出去，进而实现对煤体的切割。高压水射流对煤体实施割缝工艺时，通过钻杆的旋转及后退操作，实现在煤体内形成较为均匀的盘状缝隙。高压水射流割缝机理及割缝效果如图2 所示。

图2 高压水射流割缝示意图

由图2 可知，高压水射流可以通过高压泵将后备水箱内的水加压到一定程度，然后通过承压管路供给到中空钻杆中，最后通过切割器上面的喷嘴实现由高压水向高压水射流的转变过程。喷嘴喷射出来的高压水射流根据距离喷嘴口位置的远近依次可划分为3 个区域：初始段、过渡段和基本段，其中起主要切割作用的是过渡段水射流。过渡段水射流中心轴位置处的冲击压力值大小可用下式表示：

式中：

Ps-过渡段x 位置处水射流的压力值大小，MPa；

xc-初始段的水射流长度值，cm；

ρ-水射流的平均密度情况，kg/m3；

v0-喷嘴出口位置处的水射流速度大小，m/s；

Pw-供给高压水的压力值大小，MPa。

由公式（1）可知，水射流压力值Ps的大小与过渡段x 位置成反比例关系，即随着射流远离喷嘴出口位置，水射流的压力值成反比例函数衰减。当在某一临界位置处时水射流压力值将会小于煤体的综合抗压强度，此时水射流对煤体的切割效能将大幅度降低，起不到对煤体的进一步切割作用。这也从理论的角度说明高压水射流的割缝尺寸是有限制的，并不能无限地对煤体进行切割。

2.2 高压水射流卸压增透机理分析

通过对高压水射流切割的盘状缝槽进行横向剖面，对该半径为r 的圆形缝槽周围煤体内的应力变化和裂隙变化规律进行分析，其具体示意情况如图3 所示。

图3 缝槽周围煤体裂隙发育度示意图

由图3 可知，较大的缝槽直径将会导致其周围煤体内的应力集中程度较高，进而煤体在较高的应力集中载荷作用下发生破坏，这也导致煤体内的塑性区范围增大。而塑性区内的煤体主要由大量裂隙生成区和新生微裂隙区组成，裂隙发育程度较高，透气性能较好，有利于瓦斯的解析和释放。根据渗透率指标也可以看出来，在塑性区范围内，煤体的渗透率k值基本均远高于初始径向渗透率k0值。可见，通过在煤体内切割缝槽，能够实现对钻孔周围煤体大范围的卸压增透效果。当间隔一定距离施工一排钻孔并进行割缝处理后，将会在一定范围内的煤体内形成大范围连续的裂隙区域，从而使得原本透气性较差的煤体性能得到改善，对于后续瓦斯的抽放起到了很好的铺垫作用。

3 现场工业性试验

3.1 煤体卸压增透效果观察

通过对原煤、普通钻孔和高压水射流割缝钻孔周围煤体进行取样，并在实验室内采用Hitachi SU-8010 型冷场发射扫描电子显微镜对不同的煤样进行观察，得到煤样在放大20000 倍的条件下的孔隙结构如图4 所示。

图4 不同煤样放大20000 倍孔隙结构照片

根据图4 中不同煤样放大20000 倍的孔隙结构照片可知，原煤中孔隙结构分布较少，说明煤炭的透气性能较差；而当对其施工普通钻孔时，孔隙结构发育度有所增加，但是整体对煤体的改善效果不佳；当采取高压水射流割缝技术后，煤体整体呈现较为破碎的状态，煤体内裂隙发育程度高，且均匀分布有不同直径大小的孔隙结构，对煤体的卸压增透效果明显。

3.2 瓦斯抽采效果分析

如果所有钻孔均采用高压水射流割缝工艺，将会大大增加现场工程量，且施工效率低下，劳力、经济成本投入较高。为了提高施工效率，采用高压水射流割缝钻孔和普通钻孔相交替的方法，具体施工方案如图5 所示。

图5 煤层内交替式钻孔布局示意图

普通钻孔的瓦斯抽采浓度和采取交替式钻孔布局后的瓦斯抽采浓度数据曲线如图6 所示。

图6 不同工艺下的瓦斯抽采浓度

根据图6 可知，普通钻孔区域内煤层的瓦斯抽采浓度数据变化曲线（A、B、C 和D）普遍低于55%，而交替式钻孔区域内煤层的瓦斯抽采浓度数据变化曲线（E、F、G 和H）普遍保持在55%～85%之间，平均浓度基本为普通钻孔区域内煤层瓦斯抽采浓度的1.8 倍左右。通过瓦斯抽采浓度数据的对比进一步验证了高压水射流割缝技术对煤层的卸压增透效果显著，有利于低透气性煤层的瓦斯预抽采，进而为后续工作面的安全高效回采提供了保障。

4 结论

（1）对高压水射流割缝技术的切割机理、卸压增透机理进行了详细的分析，系统阐述了采用高压水射流对煤体割缝能够实现煤体的整体卸压增透效果。

（2）现场对原煤、普通钻孔和高压水射流割缝钻孔周围煤体进行取样，通过对煤样的放大观察证明了割缝区域周围的煤体孔隙率发育程度高，为瓦斯的解析和释放提供了良好的通道环境。

（3）通过瓦斯抽采浓度数据的对比进一步验证了高压水射流割缝技术对煤层的卸压增透效果显著，有利于低透气性煤层的瓦斯预抽采。