水力割缝

低透气性煤层增透技术研究试验方案

焦煤集团公司科学技术研究所

二〇〇五年七月

低透气性煤层增透技术研究试验方案

1．前言

煤层瓦斯抽放作为防止煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，于1964年即开始在焦作矿区开展应用，各生产矿井逐步建立了配套的瓦斯抽放系统，以及专业的瓦斯抽放队伍。鉴于本矿区单一煤层开采的特点，焦作矿区在煤层瓦斯预抽方面分别进行了钻孔布置方式、抽放钻孔封孔工艺和抽放钻孔施工机具等方面的技术研究，《抽放瓦斯钻孔固孔工艺技术研究》、《交叉钻孔抽放本煤层瓦斯试验研究》、《钻孔瓦斯参数优化选择研究》等项目的完成，推广应用了工作面交叉钻孔抽放、聚氨酯化学材料封孔及自动变径扩孔钻头等技术，并在一定的时期取得了较好的瓦斯抽放效果。为有效解除工作面的突出危险，生产矿井往往需要6~8个月，乃至十几个月的时间进行采前预抽。为保证工作面留有足够的抽放时间，往往需要数条掘进巷道同时施工，矿井采掘比例严重失调。

随着综合机械化开采试验在焦作矿区的试验成功，其开采强度大、推进速度快、绝对瓦斯涌出量大的特点对工作面的接替及采前抽放提出了更高的要求。虽然近年来在突出地区煤巷掘进方面进行的一系列技术研究，在安全的前提下实现了掘进速度大幅度提高，为工作面抽放赢得了更为充分的时间，但现有的抽放装备及技术仍无法满足高产高效化矿井建设的需要。针对低透气性单一煤层开展瓦斯灾害防治综合技术研究，是焦作矿区目前面临的重要而迫切的问题。

2．低透气性煤层瓦斯抽放技术发展

低透气性煤层的瓦斯抽放是一项世界性的前沿技术难题。主要采煤国家都在进行探索性研究。增加煤层透气性的措施有两大类，即层内措施与层外措施；在层内措施方面，前苏联曾经实验过盐酸化学法、水力破裂法、深孔松动爆破法、静电场等增透法，但效果不够显著，现在主要采取增加钻孔在煤层内的暴露面积、布孔密度和立体交叉钻孔等措施。美国试验了水力压裂预抽瓦斯技术，在煤层渗透率大于2～3md的煤层收到了较好效果，并得到广泛应用；但该方法用于低透气性煤层效果不好，他们还实验了水力空穴法、泡沫压裂法等，但都没有突破。在层外措施方面，前苏联科学院对开采上、下保护层时瓦斯压力变化和保护范围与效果进行过考察研究，取得了较多成果与应用。

国内在增加煤层透气性方面实验了水力压裂法、水力割缝法、水力空穴法、深孔预裂爆破法、静电法等，虽有一定效果，但无较大突破；现在主要采取增加钻孔在煤层内的暴露面积、布孔密度和立交钻孔等措施。在层外措施方面，中国矿业大学对远距离保护层的保护效果和抽放卸压瓦斯技术进行了卓有成效的研究，居领先地位，其成果在天府、淮南等矿区得到大面积推广应用。

与国内外相关技术研究比较，焦作矿区煤层无法实现层外抽放技术措施，结合焦作矿区的煤层赋存特点，通过研究水力切割、水力压裂等煤层增透技术，达到短时、高效抽出煤层瓦斯，采前消除煤层煤与瓦斯突出危险，是低透气性煤层瓦斯抽放增透技术的主要研究目标。

目前，采取水力切割、水力压裂等水力增透技术措施，还没有配套的高

压水泵和管路，切割钻杆和钻头需要进行采购或研制。焦煤集团公司与河南理工大学合作，在焦作矿区开展水力切割、水力压裂等煤层增透技术研究，其主要的技术原理是通过向煤层中施工抽放钻孔之后，利用专门的水力切割或压裂机具，实现向钻孔内部供水进行不同方向的切割或整体的压裂，从而达到将煤体中的孔裂隙沟通，提高煤层透气性的目的。因此，研制和开发专用的水力切割钻杆和钻头，以及配备相适应的高压水泵和系统，是开展相关技术研究的基础。

在煤体中，层理与节理发育的不同，影响着煤体中游离瓦斯的运移状态，一般情况下，游离瓦斯主要是沿层理进行运动。研制可控的水力切割技术及装置，将煤体中的层理相互沟通，则是开展水力切割增透技术研究的关键。同时，在水—煤—瓦斯体系形成后，由于相互之间的作用和影响，直接关系到抽放瓦斯的效果。开展相应的基础研究，确定合理的水力切割、水力压裂技术参数，亦是十分重要。

3．水力切割增透技术试验方案

水力切割增透即通过高压水射流的切割，扩大钻孔直径，增加煤层的暴露面积和卸压范围，提高煤层的透气性，加大钻孔的抽放影响半径，提高煤层的抽排瓦斯量。国内一些矿区曾进行了一定的试验，通过扩孔射流器达到水力扩孔的效果。但相对来说，采用扩孔射流器进行扩孔，需要在小直径钻孔成孔后将钻杆退出，改装扩孔射流器，从而增加了施工难度的工程量。对其进行一定的技术改进，研制更为适应的扩孔技术，是水力割缝增透的技术关键。

为实现煤层水力切割增透，以科研所研制的BZ-Ⅱ型自动变径扩孔钻头为基础，进行相应的技术改进，达到实现水力切割的技术目标。BZ-Ⅱ型自动变径扩孔钻头在钻孔钻进过程中以较小的孔径推进，在钻孔到达预定位置后，通过扩孔刀具的切割，实现二次扩孔。通过改进，将刀具的切割与高压水射流的切割综合作用，达到较好地扩孔效果。

3．1水力切割设备及工艺

水力切割技术试验主要利用煤矿现有的抽放钻机及可提供高压动力水的注水泵来实现。一般情况下，要求抽放钻机能够在钻进过程中以压风作为排粉动力，在达到预定位置后，将压风切换为高压水，利用高压水进行钻孔内部的切割和排碴。

根据在焦作矿区开展中高压注水防突试验的经验，结合水力掏槽措施工艺的有关参数，初步选择水力切割压力为10MPa左右，注水泵初步选用可提供足够压力和水量的煤层注水泵或工作面乳化液泵。

水力切割系统示意图如下：

水力切割钻孔钻进至预定位置后，开动注水泵并进行相应的切换，钻机保持旋转状态后退，进行水力切割。在到达距孔口10m位置后，停止旋转、

停止高压水，将钻杆缓慢拔出。

3．2水力切割施工钻具

对于BZ-Ⅱ型自动变径钻头的改进，采用两种技术方案，一种方案是通过在该钻具前方加装一特制的三翼钻头，钻头上设计孔径6~8mm的三个出气（水）孔。同时，扩孔钻头上部布置三个出气（水）孔。钻进期间，通过三翼钻头及扩孔钻头上的出气孔起到排碴作用。待达到预定位置后，切换为高压水，进行钻孔内的水力切割。

为形成一定的切割面，扩孔钻头上的出气（水）孔相错布置，以提高切割面的宽度。该方案的钻具结构示意图如下：

扩孔钻头三翼钻头

出气（水）口

方案二则是在扩孔钻头与普通钻头之间，加装一可控装置，在钻进期间，由于风压较低，进气通路畅通，保证风力排碴的需要，扩孔钻头上的出气孔也起到一定的排碴作用；钻进到一定位置后，将压风切换为高压水，由于水压远远大于风压，装置启动，通往前方的水路闭合，高压水沿扩孔钻头上的出水孔冲出，达到水力切割煤体的目的。该方案的钻具结构示意图如下：