左小康，邢玉忠

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

我國的煤層大部分為低滲透煤層，瓦斯抽采困難，因此尋求一種快速卸壓增透的措施是大多數(shù)低滲透煤層開采所面臨的難題[1，2]。近年來，隨著高壓水射流技術(shù)的發(fā)展，利用高壓水在已施工的鉆孔中對煤體割縫、鉆擴孔等方法有一定的成效[3-7]。雖然通過水力割縫技術(shù)形成鉆孔直徑較大，增加了抽放效果，能夠起到煤層卸壓增透的效果[8，9]，但分析不難發(fā)現(xiàn)，目前水力沖孔壓力一般在3～20MPa、高壓水力割縫壓力30～60MPa，低壓擴孔后半徑200～400mm、高壓水力割縫深度500～800mm左右，同一鉆孔采取措施相對單一，且需要鉆孔施工完成后退出鉆桿再進行擴孔、割縫，還不能實現(xiàn)不退鉆桿邊鉆進、邊割縫的功能，未形成系統(tǒng)的水力化措施體系；同時在研究解決鉆孔排渣問題上明顯存在不足，而排渣效果好壞直接影響到成孔長度、抽采效率以及該工藝的推廣應(yīng)用。

高河煤礦3#煤煤質(zhì)松軟、瓦斯含量高，鉆孔施工量大，抽采效率低，抽采達標時間長，嚴重制約了礦井采掘接替。因此，為保證+450m水平北翼進風大巷安全、快速掘進，尋求一種快速卸壓增透的措施是礦井當前面臨難題?；诖?，在高河礦3#煤層+450m水平北翼進風大巷掘進工作面進行超高壓水力割縫，以期能夠縮短瓦斯治理時間、提高煤層透氣性，并為后續(xù)開采提供重要的技術(shù)參數(shù)。

1 工程概況

高河井田位于長治市以西約4km處，其+450m水平北翼進風大巷設(shè)計長5958m，現(xiàn)已施工2962m。+450m北進風大巷巷道斷面形狀為矩形，凈寬5.0m，凈高3.7m，凈斷面積8.5m2。北進風大巷掘進過程中單個循環(huán)最大落煤瓦斯涌出量為1.0m3/min，煤壁每百米瓦斯涌出量為0.6m3/min。安裝四臺FBDNo7.1型局部通風機，功率為2×45kW，單臺供風量為850～400m3/min，風壓為800～7000Pa。風筒采用兩路高強阻燃風筒供風，主風筒為Φ1000mm，副風筒為Φ1000mm。

2 GF-100型超高壓水力割縫技術(shù)及裝備

2.1 裝置結(jié)構(gòu)及原理

1)裝置結(jié)構(gòu)。結(jié)合高河煤礦試驗區(qū)條件，研究選用適用于礦井3#煤特征的GF-100型超高壓水力割縫裝置，主要由金剛石復合片鉆頭、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、超高壓清水泵、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、超高壓軟管等組成。裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2)工作原理。高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫增加了煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動創(chuàng)造了良好的條件，縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性[10]?？p槽在地壓的作用下，周圍煤體產(chǎn)生空間移動，擴大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。在高壓旋轉(zhuǎn)水射流的切割、沖擊作用下，鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，形成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態(tài)[11，12]，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，緩和煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可削弱或消除突出的動力，又可提高煤層的強度，起到防突作用，并提高透氣性和瓦斯釋放能力。超高壓水力割縫工藝系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 超高壓水力割縫工藝示意圖

2.2 裝置適用范圍

GF-100型超高壓水力割縫裝置裝備適用于高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性煤層(煤層硬度f>0.5)工作面順層鉆孔、穿層鉆孔及石門揭煤卸壓增透、沖擊地壓防治等，順層鉆孔割縫深度80～100m，穿層鉆孔割縫深度80～100m。

2.3 裝置性能指標和技術(shù)特點

1)性能指標：①切割半徑可達1500～2000mm；②切割縫隙寬度可達6～10mm；③系統(tǒng)具有遠程壓力輸送能力，其輸送距離為80～200m。

2)裝置技術(shù)特點：①該裝置操作簡便、實用、效率高、工藝流程時間短；②采用的超高壓清水泵體積小，便于井下安放；③割縫鉆桿采用雙密封，鉆桿、水尾及高壓膠管承壓100MPa以上；④該裝備能解決順層鉆孔水力割縫增透的問題；⑤割縫半徑可達1500～2000mm，減少鉆孔工程量，縮短抽采時間。

3 技術(shù)可行性分析及實施方案

3.1 技術(shù)可行性分析

通過對高河煤礦的相關(guān)基礎(chǔ)資料的分析可知，3煤層最大瓦斯含量為16.03m3/t，原煤殘存瓦斯含量為2.39m3/t，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1833～0.4389d-1、透氣性系數(shù)為0.0001597～0.2621m2/(MPa2·d)。同時根據(jù)高河煤礦抽采經(jīng)驗可知3#煤層抽采3個月的平均百米鉆孔抽放量約為0.1392m3/min，兩年里3#煤平均百米鉆孔抽放量約為0.0146m3/min，3#煤瓦斯放散初速度ΔP為12～13，3#煤的堅固性系數(shù)為0.38～0.43，3#煤的視密度為1.33t/m3，孔隙率為6.738%。

+450m水平北翼進風大巷所處3#煤煤質(zhì)松軟、瓦斯含量高，鉆孔施工量大，抽采效率低，抽采達標時間長，嚴重制約了礦井采掘接替。因此，為了提高順層鉆孔瓦斯抽采效率，縮短瓦斯抽采達標時間，保證+450m水平北翼進風大巷安全、快速掘進，在+450m水平北翼進風大巷掘進工作面迎頭進行順層鉆孔超高壓水力割縫增透試驗研究。

從試驗區(qū)煤層硬度分析，正常情況下煤層堅固性系數(shù)為0.38～0.43，采用水力排渣施工順層長鉆孔具有可行性，礦井在順層長鉆孔采用水力排渣施工鉆孔最大可達150m，故采用水力排渣施工順層長鉆孔進行水力割縫具有可行性。從順層長鉆孔設(shè)計施工角度分析，在+450m水平北翼進風大巷掘進工作面迎頭向前施工順層長鉆孔，鉆孔傾角在+1°～+1.5°之間，超高壓水力割縫下向孔排渣相對困難，小角度水平孔在螺旋鉆桿和水的作用下，割縫排渣亦具有可行性。

綜上分析，高河煤礦3#煤整體硬度0.38～0.43，煤層順層長鉆孔設(shè)計施工為近水平鉆孔，試驗區(qū)客觀上具備高壓水鉆進、割縫一體化的條件。

對照組患者采用傳統(tǒng)固定方法。取仰臥位給予脊柱損傷患者全身麻醉處理,以經(jīng)椎弓根中心點為切點進行縱向切開,暴露出患者皮下深筋膜,切開之后進行電凝止血處理。然后通過正位X線透視觀察患者骨折位置,確定克氏針進針方向,結(jié)合脊柱損傷患者受傷位置調(diào)整進針位置與進針方向,方便固定治療。

3.2 試驗割縫鉆孔設(shè)計

+450m水平北翼進風大巷沿3#煤掘進，煤層厚度6.41m，大巷凈寬5.0m，凈高3.7m，凈斷面積8.5m2。設(shè)計長5958m，現(xiàn)已施工2962m。+450m水平北翼進風大巷掘進前在迎頭布置掘前預抽鉆孔，鉆孔分為雙排三花眼布置兩幫鉆孔控制巷道外輪廓15m范圍。鉆孔設(shè)計深度150m；迎頭分上下兩層各打六個鉆孔，兩層鉆孔開口位置距底板高度分別為2.0m、2.5m，兩邊鉆孔與巷道中線夾角為2°，中間四列鉆孔垂直巷道斷面施工，鉆孔仰角均為1°～1.5°；鉆孔直徑均為Φ94mm，孔口擴孔深度17m，擴孔直徑為Φ133mm。由于3煤層原始瓦斯含量高、煤層透氣性低，瓦斯抽采達標時間較長，制約礦井采掘接替，為了加快+450m水平北翼進風大巷掘進速度，因此選擇在+450m水平北翼進風大巷進行超高壓水力割縫試驗。針對目前+450m水平北翼進風大巷已施工的順層抽采鉆孔，直接進行水力割縫二次增透。

結(jié)合礦方瓦斯預抽鉆孔設(shè)計施工實際情況，在+450m水平北翼進風大巷已施工的順層長鉆孔中，拆除現(xiàn)有封孔裝置后對所有鉆孔直接進行水力割縫，割縫間距3m左右一刀，每個鉆孔割縫40刀左右，留20m超前距，如圖2所示。

圖2 順層長鉆孔水力割縫鉆孔設(shè)計斷面圖(mm)

3.3 實施流程

1)依次連接鉆頭(Φ113mm)、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、利用礦方正常鉆進的普通水尾及低壓水管路，按割縫鉆孔設(shè)計參數(shù)施工至設(shè)計深度。要求對所有超高壓鉆桿連接前進行內(nèi)外沖洗并確保鉆桿內(nèi)無煤屑等殘留物。

2)根據(jù)煤孔段長度，按3m割一刀，計算該鉆孔所需割縫刀數(shù)，割縫至距離孔口20m。

3)將高低壓轉(zhuǎn)換割縫器停在指定割縫位置，關(guān)閉靜壓水，換接超高壓旋轉(zhuǎn)接頭，連接超高壓管路，不相關(guān)人員撤離至警戒線外。再次檢查確認施工環(huán)境及設(shè)備安全后，先開啟鉆機帶動鉆桿以適當速度旋轉(zhuǎn)，然后再開啟超高壓清水泵，首次啟動空載2～3min以上，待孔口返水后，通過調(diào)壓閥，泵壓由低到高緩慢、勻速增壓：10MPa→15MPa→20MPa→30MPa→50MPa→80MPa→90MPa→100MPa，水經(jīng)過超高壓軟管進入鉆桿內(nèi)，最后從高低壓轉(zhuǎn)換器上的噴嘴射出，對煤層周邊煤體進行切割，每刀割縫時間為2～5min。

4)割縫過程中若遇堵孔、憋孔現(xiàn)象，先緩慢將高壓泵壓力降低至10～15MPa，低壓沖洗2～3min，待孔口返水正常后在緩慢調(diào)壓至100MPa，繼續(xù)割縫作業(yè)。割縫過程若遇噴孔或瓦斯超限現(xiàn)象，立即停止作業(yè)，分析噴孔或瓦斯超限原因，處理完成并恢復正常后方可繼續(xù)割縫作業(yè)。

5)切割一刀結(jié)束后，先將超高壓清水泵泵壓回零，在關(guān)閉超高壓清水泵，開啟鉆機，撤卸3根鉆桿，重新連接超高壓旋轉(zhuǎn)接頭及超高壓管路，再次開啟超高壓清水泵，控制調(diào)壓螺母，將泵壓緩慢、勻速增加至100MPa，繼續(xù)進行割縫作業(yè)。

6)重復上述3、4、5步驟，完成預計割縫刀數(shù)。

7)鉆孔割縫完成后，孔內(nèi)返水正常且無憋孔、堵孔等異?，F(xiàn)象，先將超高壓清水泵泵壓緩慢回零，再關(guān)閉超高壓清水泵，切斷電源，撤卸鉆桿并堆放整齊，高低壓轉(zhuǎn)換器、金剛石水力割縫鉆頭、超高壓旋轉(zhuǎn)接頭妥善保管。

4 效果考察

在前期對1#鉆孔進行水力割縫后，再進行水力割縫效果初步考察，采用打觀測孔的方法來測定割縫孔的影響半徑，如圖3所示。其中，1#為水力割縫孔，2#、3#、4#為普通順層抽采鉆孔，作為測試孔，然后再施工一個單獨觀察孔，使其不在抽采鉆孔和割縫孔抽采半徑范圍。以單獨觀測孔的瓦斯流量為標準，超過單獨觀測孔流量10%即認為割縫孔對抽采孔的瓦斯流量有影響。

圖3 割縫孔影響半徑考察施工圖

瓦斯流量如圖4所示。由圖4可以看出，在1#孔進行水力割縫后，2#、3#、4#孔的瓦斯流量均處于10%標準線上方，4#測試孔與10%標準線差距較小，因此可以認為水力割縫孔的影響半徑為2.4m，在普通鉆孔以往的抽采數(shù)據(jù)中可知普通順層鉆孔的抽采半徑為1.3m左右，由此可以推算出實行水力割縫技術(shù)可以減少近50%的施工量。

同時對1#割縫孔和在抽采影響半徑外的5#順層抽采孔的瓦斯流量進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，1#割縫孔的最大瓦斯流量為0.68m3/min，抽采26d后的瓦斯流量為0.29m3/min；5#鉆孔開始時的鉆孔瓦斯流量為0.36m3/min，在抽采26d后的瓦斯流量為0.08m3/min。通過割縫孔和普通抽采鉆孔瓦斯流量對比可以發(fā)現(xiàn)，水力割縫可以使得單孔瓦斯抽采量提高1.8～3.6倍，從而大大提高了瓦斯抽采效率。

圖5 瓦斯流量對比圖

5 結(jié) 論

1)研發(fā)了GF-100型超高壓水力割縫裝置，割縫半徑大，輸送距離遠，能夠?qū)崿F(xiàn)工作壓力達到100MPa的超高壓水力鉆割，有效地解決了順層鉆孔水力割縫增透的問題，減少鉆孔工程量，縮短抽采時間。

2)高河煤礦3#煤煤層順層長鉆孔設(shè)計施工為近水平鉆孔，試驗區(qū)客觀上具備高壓水鉆進、割縫一體化的條件，因此可以在+450m水平北翼進風大巷已施工的順層抽采鉆孔基礎(chǔ)上，直接進行水力割縫二次增透。

3)通過對實施水力割縫后的效果考察，發(fā)現(xiàn)水力割縫孔的抽采影響范圍為2.4m，實行水力割縫技術(shù)可以減少近50%的施工量，并且通過水力割縫增透措施可以使得單孔瓦斯流量提高1.8～3.6倍，有效地提高了瓦斯抽采效率，對低滲透煤層瓦斯抽采具有重要意義。