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摘 要 针对金河煤矿主采煤层瓦斯含量大、透气性差的特点，利用穿层钻孔实施高压水射流煤层割缝增透技术，实施后CH4平均抽放浓度增幅为30.57%，CO2平均抽放浓度增幅为23.85%，单孔瓦斯抽放流量平均提高104.02%，总抽放量增幅为3.79倍，效果非常明显。本技术为不具备保护层开采条件的地质构造复杂区域、保护不充分区域、石门揭煤等方面的消突工作提供了一定的借鉴。
关键词 煤层割缝；增透技术；瓦斯抽放
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0095-02
金河煤矿七采区地质构造复杂，断层发育，煤层的完整性和连续性遭到严重破坏，导致油页岩保护层工作面无法正常布置。目前已布置的4个油页岩工作面均为小块段，倾向长度在60-150 m之间，走向长度在110-220 m之间，且工作面之间走向不一致，中间留有大量保护不充分区域，保护层保护效果极差。此前，我矿对七采区保护不充分区的区域防突措施主要是通过加密底抽巷穿层抽放钻孔来加大抽放力度。经过近三年的实践，抽放效果并不明显，其主要原因是煤层透气性差，单孔抽放流量较小（0.01-0.34 m3/min）。为此，我们引进了煤层高压水力切割增透抽采瓦斯技术，以期实现七采区缩短瓦斯抽采达标时间，使七采区及早安全回采的目标。
1 矿井概矿
金河煤矿一号井为平峒开拓，原设计能力90万吨，通过技术改造，年核定的综合生产能力为120万吨，现主要生产采区（六、七采区）位于F19断裂组的两个分支断层之间，地质构造比较复杂。煤层埋藏深度平均为663 m。主要可采煤层为煤二层，平均厚度为18.91 m，煤层较稳定。煤二层瓦斯含量高，经煤科总院重庆分院鉴定，煤二层为煤与二氧化碳（含甲烷等复杂气体）突出煤层，矿井瓦斯等级为煤与二氧化碳（含甲烷等复杂气体）突出矿井。根据《防治煤与瓦斯突出规定》中“区域防突工作应当做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标”的区域防突规定及“先保后采、先抽后采、保抽并举、综合治理”的瓦斯、二氧化碳防治技术原则，金河煤矿七采区地质构造复杂，小断裂发育，煤层的完整性和连续性遭到严重破坏，油页岩保护层工作面受地质条件限制，无法布置；17204工作面是七采区设计的第一块煤二层工作面，经过近几年的抽放，拟定于2014年开采，但由于该区域残存的吨煤瓦斯含量还大于《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值8 m3/t，无法送巷开采。因此七采区煤层透气性差，瓦斯压力高，地应力集中，是防突工作的重点和难点。如何消除七采区构造复杂区域煤二层的突出危险，对工作面安全掘进和回采具有十分突出的意义。
2 实施原理及工艺流程
2.1 钻孔高压水射流式煤层割缝形成装置工作原理
钻孔水射流式煤层割缝形成装置是利用高压水射流，使钻孔的煤层段人为再造裂隙，增大煤体在空气中的暴露面积，形成瓦斯流动通道，加快瓦斯解吸，提高煤层的透气性，改变煤层抽放难易程度，增大瓦斯释放速度，提高煤层可抽性，最终起到卸压作用，达到瓦斯抽放达标的目的。
2.2 主要结构和工艺流程
2.2.1 主要结构
KFS98-65型钻孔水射流煤层割缝形成装置设备主要整体结构由： 1）高压清水泵、2）钻机、3）压力感应转换阀、4）旋转接头、5）摩擦焊接钻杆、76高压胶管组成。
2.2.2 工艺流程
高压水射流钻孔、割缝（瓦斯抽放孔）一体化作业的施工工艺为：第一步，钻孔。钻孔施工工艺与传统钻孔无区别，使用的设备也与传统设备完全相同，在这期间，不涉及高压水射流设备的使用和操作。当钻孔达到设计的深度后，进行第二步施工。第二步，在退钻过程中对已经形成的瓦斯抽放孔根据设计间距进行切割，直至达到设计的停切位置。
3 煤层水力割缝技术应用
3.1 地面调试
KFS98-65型钻孔水射流式煤层割缝形成装置于2014年3月中旬到货，经过两天的地面安装，在我矿下工业广场进行地面调试。试用切割材料为我矿储煤场大块煤（本煤样为我矿井下16205-2工作面生产煤），体积约0.018 m3（长×宽×高=0.2×0.3×0.3 m），5名技术人员，先将配套的高压清水泵、水箱、钻机、高压胶管、钢管、切割头等部件按规定进行了组装，组装时长2h，然后将大块煤放置在切割头正下方，与高压切割咀距离为0.5 m，再开启电源，进行切割，现场水泵压力为95Mp，当切割时间达到1min时，大块煤被高压水射流割为两半，煤块上呈现出一道直径为23 mm的切割槽。通过上述操作，KFS98-65型水射流式煤层割缝形成装置达到了技术要求，可以进行井下应用。
3.2 现场应用
3.2.1 现场试验地点概况
我矿现场试验从2014年3月份开始，试验地点位于我矿17204底抽巷。我矿17204底抽巷已施工的穿层抽放钻孔孔径均为75 mm，而水力割缝装置切割头孔径要求94 mm，因此，在割缝前必须先对已有钻孔进行扩孔，之后再进行水力切割。17204底抽巷共有15个钻场，其中一、二、三、十四、十五共5个钻场处于保护层工作面下方，其余10个钻场抽放原始煤体。本次试验主要针对抽放原始煤体的10个钻场进行，割缝钻孔也仅为17204-1工作面设计进、回风巷两道的两个条带（巷道两侧各15 m范围）。17204底抽巷水力割缝钻孔平面布置图见下图1。
图1 17204底抽巷煤层水力割缝钻孔平面布置图
3.2.2 试验效果
在17204底抽巷四、五、六、七、八、九、十、十二共8个钻场85个钻孔进行了水力割缝试验，我们在割缝前后分别收集了85个钻孔的单孔CH4抽放浓度、单孔CO2抽放浓度、单孔瓦斯抽放流量。通过割缝前后的抽放参数对比，总抽放量由4841.6 m3/d增加到18365.95 m3/d，增幅为3.79倍，整体效果良好。 1）单孔瓦斯抽放浓度。
割缝前单孔CH4抽放浓度最大为13.93%，最小为0.016%，割缝后CH4抽放浓度最大为24.15%，最小为0.276%，最大增幅为234.97%，最小增幅为5.25%，平均增幅为30.57%（见图2）。
图2 五钻场为例比较单孔CH4抽放浓度割缝前后效果图
割缝前单孔CO2抽放浓度最大为57.39%，最小为0.071%，割缝后CO2抽放浓度最大为63.52%，最小为0.968%，最大增幅为163.8%，最小增幅为11.39%，平均增幅为23.85%（见图3）。
2）单孔瓦斯抽放流量。
割缝前单孔瓦斯抽放流量最大为0.55 m3/min，最小为0.01 m3/min，割缝后单孔瓦斯抽放流量最大为0.69 m3/min，最小为0.03 m3/min，最大增幅为400%，最小增幅为1.45%，平均增幅为104.02%（见图4）。
图3 五钻场为例比较单孔CO2抽放浓度割缝前后效果图
图4 以五钻场为例比较单孔抽放流量割缝前后效果图
3）单孔瓦斯抽放量。
割缝前单孔CH4抽放量最大为57.77 m3/d，最小为0.058 m3/d，割缝后单孔CH4抽放量最大为163.44 m3/d，最小为0.37 m3/d，最大增幅为301.65%，最小增幅为20.34%，平均增幅为46.22%。
割缝前单孔CO2抽放量最大为223.63 m3/d，最小为0.086 m3/d，割缝后单孔CO2抽放量最大为512.2 m3/d，最小为1.39 m3/d，最大增幅为149.9%，最小增幅为31.26%，平均增幅为59.48%。
4）总抽放量。
经实测，17204底抽巷四、五、六、七、八、九、十、十二共8个钻场85个钻孔割缝前总抽放量为4841.6 m3/d，割缝后总抽放量为18365.95 m3/d，增幅为3.79倍。各钻场割缝前后抽放参数变化情况见表1。
4 结论
KFS98-65型钻孔水射流式煤层割缝形成装置增透技术，高压水压力在90-100MPa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3-5分钟，每个孔钻孔割缝时间为180分钟左右，使钻孔内的煤体大量剥落，割缝半径为89 cm，从而增大抽采钻孔内煤体暴露面积，提高抽采效果。通过在17204底抽巷8个钻场85个钻孔的现场试验情况看，CH4平均抽放浓度增幅为30.57%；CO2平均抽放浓度增幅为23.85%；单孔瓦斯抽放流量平均提高104.02%；总抽放量增幅为3.79倍，效果非常明显。本技术在保护不充分区域、石门揭煤等方面可以借鉴应用。
参考文献
[1]杨建民.高压脉冲水射流切缝技术在石门揭煤中的应用[J].中州煤炭，2011（10）.
[2]宣扬.高压水射流割缝防突技术在石门揭煤中的应用[J].科技传播，2014（12）.
关键词 煤层割缝；增透技术；瓦斯抽放
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0095-02
金河煤矿七采区地质构造复杂，断层发育，煤层的完整性和连续性遭到严重破坏，导致油页岩保护层工作面无法正常布置。目前已布置的4个油页岩工作面均为小块段，倾向长度在60-150 m之间，走向长度在110-220 m之间，且工作面之间走向不一致，中间留有大量保护不充分区域，保护层保护效果极差。此前，我矿对七采区保护不充分区的区域防突措施主要是通过加密底抽巷穿层抽放钻孔来加大抽放力度。经过近三年的实践，抽放效果并不明显，其主要原因是煤层透气性差，单孔抽放流量较小（0.01-0.34 m3/min）。为此，我们引进了煤层高压水力切割增透抽采瓦斯技术，以期实现七采区缩短瓦斯抽采达标时间，使七采区及早安全回采的目标。
1 矿井概矿
金河煤矿一号井为平峒开拓，原设计能力90万吨，通过技术改造，年核定的综合生产能力为120万吨，现主要生产采区（六、七采区）位于F19断裂组的两个分支断层之间，地质构造比较复杂。煤层埋藏深度平均为663 m。主要可采煤层为煤二层，平均厚度为18.91 m，煤层较稳定。煤二层瓦斯含量高，经煤科总院重庆分院鉴定，煤二层为煤与二氧化碳（含甲烷等复杂气体）突出煤层，矿井瓦斯等级为煤与二氧化碳（含甲烷等复杂气体）突出矿井。根据《防治煤与瓦斯突出规定》中“区域防突工作应当做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标”的区域防突规定及“先保后采、先抽后采、保抽并举、综合治理”的瓦斯、二氧化碳防治技术原则，金河煤矿七采区地质构造复杂，小断裂发育，煤层的完整性和连续性遭到严重破坏，油页岩保护层工作面受地质条件限制，无法布置；17204工作面是七采区设计的第一块煤二层工作面，经过近几年的抽放，拟定于2014年开采，但由于该区域残存的吨煤瓦斯含量还大于《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值8 m3/t，无法送巷开采。因此七采区煤层透气性差，瓦斯压力高，地应力集中，是防突工作的重点和难点。如何消除七采区构造复杂区域煤二层的突出危险，对工作面安全掘进和回采具有十分突出的意义。
2 实施原理及工艺流程
2.1 钻孔高压水射流式煤层割缝形成装置工作原理
钻孔水射流式煤层割缝形成装置是利用高压水射流，使钻孔的煤层段人为再造裂隙，增大煤体在空气中的暴露面积，形成瓦斯流动通道，加快瓦斯解吸，提高煤层的透气性，改变煤层抽放难易程度，增大瓦斯释放速度，提高煤层可抽性，最终起到卸压作用，达到瓦斯抽放达标的目的。
2.2 主要结构和工艺流程
2.2.1 主要结构
KFS98-65型钻孔水射流煤层割缝形成装置设备主要整体结构由： 1）高压清水泵、2）钻机、3）压力感应转换阀、4）旋转接头、5）摩擦焊接钻杆、76高压胶管组成。
2.2.2 工艺流程
高压水射流钻孔、割缝（瓦斯抽放孔）一体化作业的施工工艺为：第一步，钻孔。钻孔施工工艺与传统钻孔无区别，使用的设备也与传统设备完全相同，在这期间，不涉及高压水射流设备的使用和操作。当钻孔达到设计的深度后，进行第二步施工。第二步，在退钻过程中对已经形成的瓦斯抽放孔根据设计间距进行切割，直至达到设计的停切位置。
3 煤层水力割缝技术应用
3.1 地面调试
KFS98-65型钻孔水射流式煤层割缝形成装置于2014年3月中旬到货，经过两天的地面安装，在我矿下工业广场进行地面调试。试用切割材料为我矿储煤场大块煤（本煤样为我矿井下16205-2工作面生产煤），体积约0.018 m3（长×宽×高=0.2×0.3×0.3 m），5名技术人员，先将配套的高压清水泵、水箱、钻机、高压胶管、钢管、切割头等部件按规定进行了组装，组装时长2h，然后将大块煤放置在切割头正下方，与高压切割咀距离为0.5 m，再开启电源，进行切割，现场水泵压力为95Mp，当切割时间达到1min时，大块煤被高压水射流割为两半，煤块上呈现出一道直径为23 mm的切割槽。通过上述操作，KFS98-65型水射流式煤层割缝形成装置达到了技术要求，可以进行井下应用。
3.2 现场应用
3.2.1 现场试验地点概况
我矿现场试验从2014年3月份开始，试验地点位于我矿17204底抽巷。我矿17204底抽巷已施工的穿层抽放钻孔孔径均为75 mm，而水力割缝装置切割头孔径要求94 mm，因此，在割缝前必须先对已有钻孔进行扩孔，之后再进行水力切割。17204底抽巷共有15个钻场，其中一、二、三、十四、十五共5个钻场处于保护层工作面下方，其余10个钻场抽放原始煤体。本次试验主要针对抽放原始煤体的10个钻场进行，割缝钻孔也仅为17204-1工作面设计进、回风巷两道的两个条带（巷道两侧各15 m范围）。17204底抽巷水力割缝钻孔平面布置图见下图1。
图1 17204底抽巷煤层水力割缝钻孔平面布置图
3.2.2 试验效果
在17204底抽巷四、五、六、七、八、九、十、十二共8个钻场85个钻孔进行了水力割缝试验，我们在割缝前后分别收集了85个钻孔的单孔CH4抽放浓度、单孔CO2抽放浓度、单孔瓦斯抽放流量。通过割缝前后的抽放参数对比，总抽放量由4841.6 m3/d增加到18365.95 m3/d，增幅为3.79倍，整体效果良好。 1）单孔瓦斯抽放浓度。
割缝前单孔CH4抽放浓度最大为13.93%，最小为0.016%，割缝后CH4抽放浓度最大为24.15%，最小为0.276%，最大增幅为234.97%，最小增幅为5.25%，平均增幅为30.57%（见图2）。
图2 五钻场为例比较单孔CH4抽放浓度割缝前后效果图
割缝前单孔CO2抽放浓度最大为57.39%，最小为0.071%，割缝后CO2抽放浓度最大为63.52%，最小为0.968%，最大增幅为163.8%，最小增幅为11.39%，平均增幅为23.85%（见图3）。
2）单孔瓦斯抽放流量。
割缝前单孔瓦斯抽放流量最大为0.55 m3/min，最小为0.01 m3/min，割缝后单孔瓦斯抽放流量最大为0.69 m3/min，最小为0.03 m3/min，最大增幅为400%，最小增幅为1.45%，平均增幅为104.02%（见图4）。
图3 五钻场为例比较单孔CO2抽放浓度割缝前后效果图
图4 以五钻场为例比较单孔抽放流量割缝前后效果图
3）单孔瓦斯抽放量。
割缝前单孔CH4抽放量最大为57.77 m3/d，最小为0.058 m3/d，割缝后单孔CH4抽放量最大为163.44 m3/d，最小为0.37 m3/d，最大增幅为301.65%，最小增幅为20.34%，平均增幅为46.22%。
割缝前单孔CO2抽放量最大为223.63 m3/d，最小为0.086 m3/d，割缝后单孔CO2抽放量最大为512.2 m3/d，最小为1.39 m3/d，最大增幅为149.9%，最小增幅为31.26%，平均增幅为59.48%。
4）总抽放量。
经实测，17204底抽巷四、五、六、七、八、九、十、十二共8个钻场85个钻孔割缝前总抽放量为4841.6 m3/d，割缝后总抽放量为18365.95 m3/d，增幅为3.79倍。各钻场割缝前后抽放参数变化情况见表1。
4 结论
KFS98-65型钻孔水射流式煤层割缝形成装置增透技术，高压水压力在90-100MPa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3-5分钟，每个孔钻孔割缝时间为180分钟左右，使钻孔内的煤体大量剥落，割缝半径为89 cm，从而增大抽采钻孔内煤体暴露面积，提高抽采效果。通过在17204底抽巷8个钻场85个钻孔的现场试验情况看，CH4平均抽放浓度增幅为30.57%；CO2平均抽放浓度增幅为23.85%；单孔瓦斯抽放流量平均提高104.02%；总抽放量增幅为3.79倍，效果非常明显。本技术在保护不充分区域、石门揭煤等方面可以借鉴应用。
参考文献
[1]杨建民.高压脉冲水射流切缝技术在石门揭煤中的应用[J].中州煤炭，2011（10）.
[2]宣扬.高压水射流割缝防突技术在石门揭煤中的应用[J].科技传播，2014（12）.