摘要：随着经济的发展和社会的进步，为了提升煤层瓦斯抽采效率，减少矿井瓦斯抽采工程量和抽采时间，讨论了水力冲压卸压增透机制，详细阐述了水力冲压卸压增透技术的工程实施模式，并将该技术应用于贵州新田煤矿煤巷条带瓦斯治理工作中，监测技术实施前后钻孔瓦斯抽采参数，数据分析结果表明：水力冲孔孔洞最大半径在0.23～0.72m，水力压裂时的煤层破裂压力在13～26MPa，冲孔后的平均瓦斯抽采体积分数提高了35%左右、瓦斯抽采纯量提高了1．1～5．0倍，冲压一体化作业后，钻场抽采浓度相较于冲孔后提高了0．8倍以上，钻场抽采纯量再次提高了3～5倍，卸压增透效果较为显著。工程试验结果证明水力冲压卸压增透技术能够实现煤层卸压增透，大幅提升煤层瓦斯抽采效率，对矿井安全高效生产有着重要的工程意义。
关键词：水力冲孔；压裂卸压增透；抽采瓦斯技术
引言
我国95%的煤矿开采是井工作业，50%以上的煤炭开采受到与煤伴生伴储的瓦斯困扰，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全高效开采的重大难题。各煤炭企业主要采取如预裂爆破、水力压裂、水力冲孔、水力割缝等层内卸压增透措施，以此提高煤层透气性和瓦斯抽采效果，其中水力冲孔卸压抽采技术在各煤炭企业推广应用最为广泛，并取得了良好应用效果。鉴于此，本文主要围绕煤矿井下水力冲孔卸压抽采瓦斯技术涉及的基础理论、关键技术及装备现状和发展方向与各位同行交流探讨。
1水力压冲技术的作用机理
由于井下压裂设备排量有限，难以进行大规模煤层压裂及变排量压裂，压裂产生的有效半径和裂缝形态也基本确定，不易形成瓦斯运移产出的“缝网”。同时，压裂形成较少数目宽长裂缝往往代替了密集均匀的“小裂缝”，但在煤层渗透率值上却表现一致。致使宽大裂缝周边的瓦斯得到高效的运移产出，但距离裂缝较远的瓦斯却难以享受高速公路。相反，密集均匀小裂缝能促就更多瓦斯解吸自由面，加速解吸，提高抽采效率。水力压裂往往“以一盖全”，无法实现煤层的均匀增透。水力冲孔是依靠高压水的冲击能力，促使钻孔内煤体破碎，形成空腔，同时，孔道周围煤体向孔道方向发生大幅度的移动，造成煤体的膨胀变形和顶、底板间的相向位移，使孔道影响范围内地应力降低，煤层充分卸压，裂隙增加，煤层透气性提高，促进瓦斯解吸和排放，大幅度地释放了煤层和围岩中的弹性潜能和瓦斯的膨胀能。水力冲孔力求多出煤以实现最大程度的卸压，在煤层中存在自由面时，钻孔壁在高压水冲击作用下能够将煤破碎，但当煤层硬度较大，钻孔周边三轴受力，冲孔的冲击力不易将煤层破碎。水力压冲时，由水力压裂产生的宽大裂缝对煤层进行了初步的“切割”，水射流能够对对切割薄弱面冲蚀破碎产生微裂隙，同时，源源不断的水流连续射入宽大的压裂裂缝内，使水的静力压胀作用得以充分发挥，在水力压裂裂缝内产生无数的微裂缝，形成了水力压冲“缝网”。当水射流压力达到岩体的破碎强度极限时，应力突然释放使裂纹扩展开来，致使煤体破碎，部分煤体在孔内水射流的反作用下冲出孔外，水射流沿压裂裂缝的延伸方向继续形成新一波的“缝网”及煤体破碎。直至由于水淹没及自身压力受限达到水力压裂裂缝深部而无法继开启新的“缝网”。水力压冲能够形成更加均匀的抽采“缝网”，同时，其出煤量的加大促使形成更大范围空腔，空腔周边煤体得到卸压，与水力压冲共同形成卸压“缝网”，瓦斯由无自由面的扩散运动转换为有“均匀自由面”及“高速通道”的线性渗流，有效的提高了抽采效率。
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2水力冲孔压裂卸压增透抽采瓦斯技术研究
2.1常规水力冲孔技术及装备
前苏联的马凯耶夫科煤矿安全研究院最先采用水力化技术用于煤层消突，并取得了良好的消突效果。我国采用水力冲孔技术于20世纪70年代，最早由重庆分院与南桐矿务局合作在鱼田堡矿首次试验成功，随后在梅田、涟邵、六枝、北票、焦作等局进行了推广应用；近年来河南理工大学、安徽理工大学等单位也都相继展开了水力冲孔的理论和工程实践研究，为水力冲孔在煤矿井下应用提供理论与技术支撑。水力冲孔卸压技术一般适用于坚固系数在0.5以下且具有自喷能力的煤层中，且常布置底板穿层钻孔实施水力冲孔技术。其工艺流程：钻孔钻进入煤层顶板0.5m→退钻并更换冲孔钻头→重新下钻至下煤岩交界面→开启冲孔专用乳化液泵实施冲孔作业→达到预定冲煤量或冲不出煤为止。目前，常规水力冲孔技术已在平煤、淮南、义煤等多个煤炭企业进行推广应用，卸压抽采效果显著，如在首山一矿己组煤11041工作面底抽巷的水力冲孔工业性试验表明：水力冲孔后有效抽采半径比普通抽采半径提高1.1倍以上，相同时间内瓦斯抽采量是常规抽采钻孔的4倍，钻孔单孔流量大幅度提高，卸压抽采效果显著。
2.2水力压冲一体化卸压增透技术
水力压裂是区域性增透的水力化措施，影响范围大，而水力冲孔是局部卸压的水力化措施，影响范围相对小，将水力压裂与水力冲孔进行有机结合，优势互补，可更好地发挥水力化技术卸压增透作用，水力压冲一体化卸压增透技术便是其中的典型代表，该技术按施工顺序分为先冲后压和先压后冲一体化2种形式。如刘晓等提出的水力压冲增透抽采瓦斯技术以“单元压裂缝网增透，单孔出煤卸压增透”为主要思想，在控制单元内先压，使单元内的裂缝扩展、交汇和贯通，初次形成裂缝，以裂缝为基础进行后冲，实现对煤层的缝网改造，达到增透卸压目的。在新河煤矿工业试验表明：单元水力压冲抽采纯量是普通抽采钻孔的10.6倍、常规水力压裂的12倍、常规水力冲孔的2.78倍。许胜铭等在大平煤矿开展了“水力压裂-水力冲孔-孔间压裂-二次冲孔”多重水力卸压增透技术同样也取得了显著区域防突效果。
2.3分段连续冲孔卸压抽采技术装备
高压水射流分段连续冲孔技术装备，以高压水射流技术为核心，采用外径准16mm的连续可缠绕钢管，配备不同功能喷头，可实现抽采钻孔连续水力冲孔作业。其优点主要为采用外径准16mm的连续可缠绕钢管大幅增加了钻杆与孔壁之间的环空面积，确保冲孔过程中顺畅排渣，避免了以往利用普通钻杆实施常规冲孔作业时频繁接卸钻杆的流程，减轻工人劳动强度，提高工作效率。该技术在郑煤集团大平煤矿工业性试验表明，钻孔冲孔卸压后瓦斯抽采纯流量可提高8倍以上。
结语
讨论了水力冲压卸压增透抽采瓦斯机制，详细阐述了冲压一体化技术的现场实施方式，为该技术的工程试验提供支撑。水力冲孔出煤量为0．3-1．6t/m，冲孔孔洞的最大半径为0．23-0．72m，冲孔后的平均瓦斯抽采体积分数提高了35%左右，瓦斯抽采纯量提高了1．1-5．0倍。对常规水力冲孔和综合水力冲孔技术及装备现状进行了阐述，尤其对钻冲扩一体化、钻冲一体化、分段连续冲孔和水力压冲一体化等综合冲孔技术及装备进行了阐述，指出水力冲孔技术装备的集成化、智能化是今后研究和完善的重点。水力冲孔卸压抽采技术作为水力化技术措施的一个重要分支进行矿井区域瓦斯治理具有显著的应用效果，随着相关理论、技术及装备的不断完善，今后将为煤矿的安全高效生产提供有力的技术支撑，具有良好的应用前景。
参考文献
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论文作者:曾腾飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/21
标签：冲孔论文; 水力论文; 瓦斯论文; 煤层论文; 技术论文; 裂缝论文; 钻孔论文; 《基层建设》2019年第14期论文;