水力割缝钻孔施工工艺优化研究与应用

水力割缝钻孔施工工艺优化研究与应用

曹虎

华晋焦煤吉宁煤业有限责任公司 山西省临汾市 042100

摘要：目前水力割缝钻孔施工工艺在煤矿瓦斯抽采钻孔给施工中广泛应用，可有效提高煤矿资源开采的效率，还能保证回采期间的安全，但在实际施工过程中存在一些施工工艺方面的问题。基于此，本文结合具体的实例，重点对水力割缝钻孔施工工艺的优化及应用进行分析探讨，以供类似工程的参考和借鉴。

关键词：水力割缝；钻孔施工；工艺优化；应用

前言

低透气性煤层瓦斯抽放一直是一项世界性的技术难题。目前国内在增加煤层透气性方面，主要采用水力压裂法、水力割缝法、深孔欲裂爆破法等。研究发现，采用水力切割、水力压裂等煤层增透技术，可达到短时、高效抽出煤层瓦斯的目的。水力切割增透是通过利用高压水射流的切割作用进行钻孔直径的扩大，由此增加煤层的暴露面积和卸压范围，提高煤层的透气性，以及扩大钻孔抽采影响半径，进而提高煤层抽采的瓦斯量。目前在山西华晋吉宁矿已经开展了相应的试验，通过使用高低压转换割缝器可随时转换成高压水进行割缝。但在大量的水力割缝钻孔工程实验后，发现利用水力割缝高压转换器对钻孔进行水力割缝后，出现80%的钻孔抽采浓度集中在20%-40%之间，而且在3-5天内浓度继续下降到0%-10%之间的现象，严重影响抽采效果。因此水力割缝施工工艺需要进一步优化，并制定出一套切实可行的施工工艺流程。

文章以型号为KFSL100-113的重庆煤科院高压割缝装置为基础，对其进行相应的施工工艺流程优化，以达到低透气性煤层的高效瓦斯抽采效果。在实际施工过程中，钻进和割缝有规律的交替进行，割缝完毕后需利用15分钟的时间进行洗孔，保证孔内煤渣泥糊糊冲洗干净后再钻进。实践证明，利用优化后的水力割缝施工工艺施工完的钻孔抽采参数都比较理想，符合抽采需求。

1、项目背景

山西华晋吉宁煤业有限责任公司所采2#煤层透气性系数为0.023008～0.085813m2/MPa2·d，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.059d-1，属较难抽放煤层。

根据山西华晋吉宁煤业有限责任公司2021年7月编制审批的《矿井瓦斯涌出量测定报告》2021年矿井瓦斯绝对涌出量为105.42m³/min，相对涌出量15.34m³/t，为高瓦斯矿井。

为了短时间内快速降低吉宁矿2#煤层的瓦斯压力及含量，提高瓦斯抽采率，在回采工作面及掘进巷道利用水力割缝钻孔施工技术对煤层进行增透，达到快速抽采，快速消突，保障掘进及回采顺利进行。

2、钻孔施工工艺优化

2.1 水力割缝钻孔洗孔方式研究

针对钻孔洗孔方式与钻孔抽采浓度关系的研究，特制定了两种不同的洗孔方案进行抽采效果分析：一种是钻孔施工到设计孔深后，在孔底洗孔到钻孔反出清水为止，然后直接将钻孔内全部钻孔退出来。另一种是钻孔施工过程中每刀割缝后将钻孔洗到反水为清水后再进行割下一刀，退钻杆时每30米洗孔一次，并洗到钻孔反水为清水为止。

表1 第二种洗孔方式抽采效果

表2 第一种洗孔方式抽采效果

由上表分析可知，利用第二种洗孔方式施工完毕的水力割缝钻孔抽采浓度持久度会更好，抽采浓度会保持稳定，瓦斯抽采效果更好。

2.2“两堵一注”钻孔封孔工艺优化

基于现有封孔方式存在诸多问题，如封孔水泥浆液配比不能达到最佳效果，水泥浆液容易从囊袋和注浆管接触的地方及囊袋与封孔管接触的地方密封不严导致漏浆，封孔深度不统一，中间注浆段不能将水全部解析出来达到提高封孔强度等，基于现有技术基础上对上述问题进行改善优化。

经过对原有封孔过程的每个环节关注研究，发现钻孔里面的注浆囊袋容易破裂或者与孔壁贴合不紧密导致中间段浆液全部进入孔内，致使封孔失败。因此里面单囊袋改成双囊袋并在囊袋外面穿一层风筒布，以此增加中间段的注浆成功率。将传统注浆囊袋中间段的爆破阀拆除后直接连接，将爆破阀安装到孔外，爆破阀的爆破条件与注浆速度有关系，因此安装到孔外可以达到可视化注浆，大大提高了囊袋达到饱和状态的成功率。之前注浆用的浆液稠稀读为2：1，经过对钻孔封孔段挖掘后发现钻孔封孔段水泥基本上没有，造成一种假封孔现象出现。经过对注浆浆液的稠稀度进行实验对比，发现水灰比达到0.8-0.9：1时的浆液凝固效果可以达到体积不变的情况下变成凝固体。

3、优化后水力割缝钻孔施工工艺的应用效果

从2022年10月1日到2023年3月4日，共施工了70个水力割缝钻孔，目前施工的割缝钻孔均已并网开抽。

在未优化前，各钻孔浓度起伏较大，瓦斯抽采浓度有明显的短时间下降趋势，甚至在钻孔施工完毕带抽后就直接出现低浓度现象，这说明了钻孔在割缝后，因孔内煤渣泥糊糊没有洗干净或者钻孔封孔段没有封好导致钻孔抽采浓度降低，并随着抽采时间的延长，钻孔内部会在高负压状态抽采下导致钻孔在距离孔口段形成堵塞现象。施工工艺优化后，浓度达到30%以上的钻孔占总钻孔数的82%比优化前提高32个百分点。

4、结论

为消除突出危险性，文章结合实例对煤矿开采中应用的水力割缝钻孔施工工艺进行了分析研究，在结合山西华晋吉宁矿2#煤层特性等实际情况和既往施工经验的基础上，对该施工工艺进行了工艺优化研究。实践证明，优化后的水力割缝钻孔工艺，有效增加了煤层的透气性，提高了瓦斯抽采效率，钻孔抽采浓度显著提高，可有效保障煤矿采掘作业的安全性。

参考文献：

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[3]高磊,刘洋.底抽巷穿层钻孔水力割缝技术研究及应用[J].内蒙古煤炭经济,2018(24):147-148+154.DOI:10.13487/j.cnki.imce.013338.