高瓦斯硬煤层如何卸压增透？超高压水力割缝技术来相助

超高压水力割缝技术通过60～90MPa的高压水射流对钻孔周围煤体进行切割，冲出部分煤屑，形成一定宽度和深度的扁平裂缝。水力割缝的作用一方面类似于开采小保护层，可对裂缝周围煤体进行卸压，大幅度提高了煤层透气性系数；另一方面使煤层的天然裂隙与人工裂缝相贯通，一定程度上改变了瓦斯渗流方向，由径向流动转变为网状流动，提高了瓦斯抽采效果并缩短了抽采达标时间，如图1所示。在水力割缝过程中，瓦斯大量解吸，形成基质收缩效应，进一步提高了煤层透气性系数。

图1 超高压水力割缝与普通钻孔瓦斯渗流

结合现场实际情况，试验选择GF-100型超高压水力割缝系统进行施工，如图2所示。该系统主要由超高压清水泵、金刚石复合片钻头、水力割缝浅螺旋整体钻杆、高低压转换割缝器、超高压旋转水尾、超高压橡胶软管组成。其中，超高压清水泵额定压力100MPa，选用GFZT-Φ113型金刚石复合片钻头，高低压转换割缝器喷嘴直径2.5mm， 超高压旋转水尾选用GFSW-Φ73型，超高压橡胶软管选用GFJG-20-6型。

图2 超高压水力割缝系统组成

超高压水力割缝设计施工5个钻孔，布置在预抽第二区域，位于终采线以北304～692m，钻孔深度135m，倾角为2°，方位角为270°，孔深135m，孔间距5m，割缝间距4m/刀，单刀割缝时间6～10min，单孔割缝刀数为23～35刀。单刀割缝出煤量是影响卸压增透效果的关键指标，通过式（1）反算割缝等效半径：

Μ=πr²hΚγ   (1)

式中，M为割缝后平均排出煤屑量，t；K为煤量损失不均衡系数，取0.8～0.95；r为缝隙的等效半径，m；h为缝隙平均宽度，m；γ为煤的密度，取1.39t/m³。

为了达到卸压增透效果，割缝半径设计为1.5～2.0m，割缝后缝隙宽度为2～5cm， 由此可以得出每刀割煤0.3t。在现场操作过程中，可以通过增大割缝压力、延长割缝时间以及降低钻杆钻速等方法提高割煤量。

为了对比分析卸压增透效果，选取了2组对照孔：一组为普通钻孔，孔深135m，间距3m，位于预抽第一区域，位于终采线以北0～304m，如图3所示；另外一组采用水力冲孔技术进行卸压增透，同样布置在预抽第二区域，孔深135m，冲孔长度1m，冲孔间距6m，冲孔时长10min。为了确保考察对比客观，两组对照孔均采用“两堵一注”封孔工艺，抽采负压均为25kPa。

 图3 N1103工作面布置

试验开始时，先将钻头、水刀等依次连接，采用低压钻进至设计深度，改换超高压旋转接头，连接超高压水管路后开启水泵，缓慢调节压力从低到高匀速增加，将压力增加到60～90MPa，最后形成超高压水射流切割周围煤体，单刀割缝时间6～12min。在退钻过程中，根据割缝间距，通过调整增压泵水压，完成割缝作业。在水力割缝过程中，煤体被切割成0.2～1.0cm的小颗粒，在水和浅螺旋钻杆的共同作用下，排出孔外。5组试验孔排屑量及等效割缝半径见表1。由表1可知，余吾煤矿超高压水力割缝平均每刀时长9min，每刀割煤量在0.32～0.42t，割缝宽度按照平均3.5cm计算，等效割缝半径为1.55～1.78m。

表1 水力割缝钻孔排屑量及等效半径

为了优化水力割缝钻孔的布孔方式，采用压降法对其有效抽采半径进行了考察。具体做法如下：布置一个水力割缝孔和6个瓦斯压力测试孔，如图4所示，压力测试孔的间距分别为2、3、4、5、6和7m；封孔测试各个压力孔的瓦斯压力，稳压后施工割缝钻孔并进行水力割缝作业，封孔联管抽采；记录瓦斯压力表的读数变化，由此确定水力割缝的有效抽采半径。

图4 测压钻孔布置

不同抽采时间不同距离测压钻孔的瓦斯压力变化曲线如图5所示。由图5可知，1#钻孔初始瓦斯压力0.24MPa，采用水力割缝措施后进行抽采，前13d瓦斯压力基本上保持稳定，随后逐渐降低，18d后下降至0.21 MPa，降幅超过10%，50d后降低至0.15 MPa。2#钻孔和6#钻孔瓦斯压力测试结果远小于真实值，参考意义不大。3#钻孔压力变化与1#钻孔类似，抽采25d后下降幅度超过10%，抽采40d后压力降低为0.18MPa，降幅为28%。4#钻孔最初瓦斯压力为0.16 MPa，3d后降低为0.12MPa，45d后降低为0.1MPa，降幅37.5%。5#钻孔初始瓦斯压力为0.24MPa，随后逐渐上升至0.3MPa，随着瓦斯抽采又逐渐降低，45d后降低为0.2 MPa，降幅超过10%。

图5 测压钻孔瓦斯压力下降曲线

综上所述，余吾煤矿采用超高压水力割缝措施后，抽采18d的有效抽采半径为2m， 抽采25d的有效抽采半径为4m，抽采45d的有效抽采半径接近6m，说明采用水力割缝措施可以大幅度提高有效抽采半径，考虑到余吾煤矿在N1103煤层平均厚度为6.45m，在煤层中部施工一排抽采钻孔，再采用水力割缝措施即可满足抽采达标要求。

（1）瓦斯抽采浓度对比分析

统计分析了超高压水力割缝、水力冲孔和普通钻孔瓦斯抽采浓度数据，如图6所示。由图6可知，超高压水力割缝组单孔瓦斯抽采浓度为65.4%～82.1%，平均为76.5%；水力冲孔组单孔瓦斯抽采浓度为56.7%～78.2%，平均63.6%；普通顺层孔单孔瓦斯抽采浓度为34.7%～55.6%，平均48.3%。水力割缝钻孔瓦斯抽采浓度是普通钻孔的1.58倍，是水力冲孔钻孔的1.2倍，说明超高压水力割缝技术具有更好的卸压增透效果。从瓦斯抽采浓度衰减来看，普通钻孔抽采浓度衰减较快，抽采60d后浓度已经不足40%，而割缝钻孔抽采浓度仍能够维持在70%以上。可见，采用超高压水力割缝技术，一方面可以长时间抽采高浓度的瓦斯，另一方面瓦斯抽采浓度衰减也较为缓慢。分析其原因认为，采用超高压水力割缝技术，相当于在钻孔周围煤体开采极薄的保护层，对煤体进行卸压，大幅度提高煤层透气性系数，且将瓦斯渗流方向由径向流动改变为网状流动，可以长时间抽取高浓度瓦斯。

图6 各组钻孔瓦斯抽采浓度对比

（2）瓦斯抽采纯量对比分析

统计分析了超高压水力割缝、水力冲孔和普通钻孔瓦斯抽采纯量数据，如图7所示。由图7可知，超高压水力割缝单孔瓦斯抽采纯量为0.057～0.164m³/min，平均0.089 m³/min；水力冲孔单孔瓦斯抽采纯量为0.044～0.127m³/min，平均0.063 m³/min；普通顺层孔单孔瓦斯抽采纯量为0.004～0.03m³/min，平均0.022m³/min。超高压水力割缝组平均瓦斯抽采纯量是普通顺层孔的4.05倍，是水力冲孔钻孔的1.43倍，说明采用超高压水力割缝技术后，具有更好的瓦斯抽采效果。

图7 各组钻孔瓦斯抽采纯量对比

（3）钻孔工程量对比分析

余吾煤矿N1103工作面煤层平均厚度6.45m，采用普通钻孔进行抽采，钻孔间距为2m，且需要布置两排钻孔；采用超高压水力割缝技术后，抽采45d的有效抽采半径接近6m，钻孔有效抽采半径大幅度的提升，依据余吾煤业的煤层条件，布置一排钻孔即可。采用超高压水力割缝技术，钻孔布孔间距为5m，其钻孔工程量仅为普通钻孔的20%。

（4）抽采达标时间对比

依据余吾煤矿瓦斯地质及钻孔布置参数，采用超高压水力割缝技术，钻孔间距5 m，抽采达标时间为8个月；普通钻孔布孔间距2m，抽采达标时间则长达14个月，说明采用超高压水力割缝技术，可以缩短抽采达标时间43%。

（5）超高压和常规水力割缝技术对比

超高压水力割缝技术压力高达60～90 MPa，远超常规技术的30～60MPa，与其相比具有如下优点：

1)超高压水力割缝技术压力更高，割缝速度更快，余吾煤矿单刀割缝时间6～12 min，平均为9min，而常规割缝技术时间长达30min。

2)超高压水力割缝技术的割缝半径更大，余吾煤矿割缝半径为1.55～1.78m，远超常规割缝半径的0.2～0.8m，具有更好的卸压增透效果。

3)常规技术割缝过程中因为流量及压力损失，卸压增透钻孔的深度一般小于80m， 而超高压水力割缝技术则可应用于120m以上的钻孔。

4)常规水力割缝技术多应用于煤的坚固性系数f值小于0.5的煤体，对于强度更高的煤层效果较差，而超高压水力割缝技术在中硬煤层仍能取得较好的卸压增透效果。

由于超高压水力割缝技术压力要求过高，压力越高，对于高压泵、高压胶管、钻杆密封安全要求也相应提高，所以采用远程操作系统进行施工时，仍要特别注意现场安全。

超高压水力割缝技术相当于在钻孔周围煤体开采极薄保护层，对煤体进行卸压，大幅度提高煤体透气性系数，且将瓦斯渗流方向由径向流动改变为网状流动，可以长时间抽取高浓度瓦斯，具有切割速度快、切割半径大等特点，对中硬煤层顺层长钻孔取得了较好的卸压增透效果。

1）超高压水力割缝技术等效割缝半径为1.55～1.78m，瓦斯抽采半径18d为2m，25d为4m，45d时接近6m，采用该技术可以大幅度减少钻孔工程量，缩短瓦斯抽采达标时间。

2）超高压水力割缝组单孔平均抽采浓度76.5%，分别是普通钻孔的4.58倍和4.05倍；单孔平均抽采纯量为0.089m³/min，分别是水力冲孔的1.2倍和1.43倍，说明其具有更好的卸压增透和抽采效果。