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[摘 要]随着小宝鼎矿区开采深度的增加，矿井瓦斯随着增大，生产安全都面临新的挑战。为此矿井对瓦斯涌出量较大的煤巷采用一种超高压水力切割成缝局部增透抽采技术和水压预裂的区域增透抽采技术，以提高煤层透气性，减少瓦斯治理工程量和治理时间
[关键词]瓦斯异常区域 超高压水力切割 水压预裂 瓦斯防治技术
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0064-02
1 引言
本研究的目的旨在针对小宝鼎矿区瓦斯的赋存特点，结合高瓦斯低透气性难抽煤层的瓦斯抽采难题，借鉴西南地区典型国有煤矿瓦斯灾害防治实践，系统开展了对小宝鼎矿区的瓦斯赋存规律进行研究，利用超高压水力割缝和水压预裂的新技术的运用，进而改变低透气性煤层的瓦斯运移规律，促进吸附瓦斯转变为游离瓦斯，增加煤层裂隙率和透气性，最终提高瓦斯抽采率，缩短瓦斯的治理时间，为高瓦斯低透气性难抽煤层的瓦斯抽采及灾害防治开辟了一条新的途径，这将对增强我公司煤矿安全科技自主创新能力具有重要的理论及现实意义。
2 小宝鼎煤矿基本情况
1971年7月，按照《矿区改扩建总体设计方案》所确定的原则，将小宝鼎煤矿进行扩建（二期），净增产能力30万吨/年，使全矿达到设计生产能力45万吨/年。经川煤生函（1973）450号《关开小宝鼎煤矿扩建初步设计的批复》，由重庆煤矿设计院及重庆院渡口设计队设计，三十九工程施工，至1978年3月建成，矿井核定生产能力45万吨/年。2010年矿井核定生产能力72万吨/年，目前已形成年产72万吨原煤的生产规模。
目前开采的范围为十一采区，十一采区向背斜间正在开拓准备巷道，开采标高+1060m。开采对象有32号、33-1号、35-1号、36号、37-1号、38号、39-1号煤层。其中十一采区下山开拓将延伸至+900米标高。
矿井瓦斯含量的变化，主要受埋藏深度、所处标高、构造部位产量、气压、顶板压力所控制，结合过去老窑及生产矿井开采过程中积累的实际资料定为低瓦斯矿井，局部地段瓦斯富集达到高瓦斯矿井。
根据重庆煤炭研究所《煤的自燃倾向等级鉴定报告表》中可以看出，自燃发火期大于12个月以上，自燃倾向等级为Ⅲ类，属不易自燃煤层。
小宝鼎井田属平硐+暗斜井开拓，上山回采，水沟自然排泄水，抽出式通风。各可采煤层的开采方法均为走向长壁后退式综合机械化采煤。顶板支护双柱掩护式液压支架， 39-1号煤层的工作面顶板松软破碎，漏顶或冒顶频繁，顶板管理难度较大。鉴于小宝鼎井田近距离煤层较多，顶底板凹凸不平，小型断层比较发育，岩性比较松软破碎，煤层顶底板类型定为Ⅲ类。顶板管理均采用全部陷落法。工作面初次来压步距最大35米（37-1号煤层）最小12米，一般15～30米。
3 小宝鼎煤矿瓦斯异常区域防治措施
3.1 瓦斯异常区域防治措施
3.1.1 钻孔超高压水力切割增透技术
经过现场参数测定，小宝鼎煤矿煤巷采掘工作面瓦斯抽采的优化方案为：顺层长钻孔超高压水力切割增透抽采（或自排）技术，钻孔长≧60米。
①切割钻孔布置
综合考虑煤岩层赋存条件及其岩性、硬度条件，并考虑超高压水力切割成缝半径为1-2m，割逢影响范围为3m，合理布置钻孔。
在工作面及钻场巷道内施工煤层抽放孔，采用已有钻机、φ75mm（钻割一体化）钻头施工、超高压水力割缝；巷道施工抽采钻孔必控制巷道轮廓线外12m，有效半径暂按2.m；穿煤层钻孔必过顶或底板0.5m，所有切割孔应退钻时割缝。
在煤矿，顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯依然是一种主要的瓦斯抽放方法，是从根本上降低煤层瓦斯含量、瓦斯压力，保证高瓦斯矿井在低瓦斯状态下开采的唯一途径。它能确保采掘工作在低瓦斯含量条件下进行，给采掘工作创造良好安全环境。
分析本煤层瓦斯抽放工作中存在的问题，可知影响预抽效果的主要因素有煤层透气性、钻孔方位与煤层节理方向的关系、钻孔与采场的相对位置、封孔质量及钻孔直径等。为此，特提出使用高压水射流孔内切割方案，以提高煤层透气性，扩大与煤层节理裂隙的联系，增加钻孔直径，从而起到提高本煤层瓦斯抽放效果的目的。由于割缝后的煤层暴露面积增大、透气性提高，控制范围扩大，可大幅度减少钻孔施工数量，缩短钻孔施工时间，另外可使钻孔瓦斯涌出速度加快、提高瓦斯抽采效率，从而缩短了煤层瓦治理时间。
②超高压水力切割成缝技术装备
在钻进瓦斯预抽切割孔时，需要的设备主要有钻机、超高压泵、高压密封钻杆、切割钻头等。超高压水力切割成缝系统设备承受压力均按100MPa配套所有参数，在此基础上，另需要增加远距离超高压管、高压管连接装置和高压密封、大功率干式变压器及开关装置等。
为简化系统装置设备、方便操作，所有设备的连接都是在原有设备连接环节上增加新设备。同时为了使系统更安全、适用于矿井环境，所有设备均为防爆设计。其超高压水力切割成缝系统装置连接如图2所示。
③超高压水力切割成缝工艺
超高压水力切割成缝在切缝时主要分为辅助钻进瓦斯抽放孔和煤体切缝两个步骤。在辅助钻进瓦斯抽放孔时，该系统压力较低，自动切换式切缝器处于关闭状态，全部射流通过自激振荡喷嘴形成脉冲射流对煤岩体进行预破碎。当瓦斯抽采孔钻进完毕，即瓦斯抽采孔穿过煤层全厚，钻进停止钻进保持旋转状态，升高系统压力，自动切换式切缝器处于工作状态，对煤体进行切缝。待切缝完毕，退出钻杆进行下一缝隙的切割；具体工艺流程如下：
启动超高压泵→调节压力至3～10MPa→推进钻机钻进瓦斯预抽孔→预抽孔钻进完毕→升高压力至70～90MPa→旋转对煤体切缝→切缝工作完毕→退钻杆继续切缝→切缝完毕、关闭开关、关闭乳化泵。 切缝时间根据煤层硬度和厚度而定，当切至煤层顶板或底板时，钻孔返水清澈，即可停止切割，进行下一缝隙切割。当煤层较厚时，切缝时间应控制在10分钟以上，以保证切缝效果。
④瓦斯抽采
钻孔施工完成后立即进行接抽，抽采主管不小于Φ125，接抽管为Φ40mm的PPR管，封孔长度为8m，采用黑胶管进行连接，与支管采用并联分组连接，接头不超过3个，保证抽采负压不小于13Kpa。
3.1.2 瓦斯治理抽采达标开采
采掘面作业前必须有经攀煤公司备案的区域瓦斯抽采达标评价报告和可采安全煤量。区域瓦斯抽采达标开采效检和预测控制指标为：煤层残余瓦斯含量小于8m3，压力小于0.74MPa；区域瓦斯抽采达标开采验证及工作面预测指标（如表8.1）；采煤工作面瓦斯抽采率控制指标（如表8.2）；矿井瓦斯抽采率控制指标（如表8.3）；工作面及回风系统瓦斯不超限的前提条件下，采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量控制指标（如表8.4）。
4 结论及创新点
4.1 结论
针对小宝鼎矿区随着开采深度的增加，矿井由低瓦斯矿向高瓦斯矿井转变的过程中，在生产安全中都面临新的挑战。为此，本课题在全面研究掌握小宝鼎矿区瓦斯的赋存情况的基础上，创新了超高压（100Mpa）水力切割技术和水压预裂的区域措施技术，分析了这两种新技术对煤层透气性的影响规律，确定了和研制超高压（100mpa）水力切割成缝和31.5Mpa水压预裂系统装置及施工工艺，同时，对小宝鼎煤矿瓦斯异常区域的防治措施作了系统的研究，提出其技术措施和管理的方法；本项目主要研究成果如下：
（1）简析了小宝鼎矿的煤层瓦斯赋存规律，同时还预测了小宝鼎煤矿延深水平异常煤层的瓦斯参数，为后面煤层开采瓦斯治理做好了一些基础工作。
（2）研制了超高压（100Mpa）水力切割系统的构成部分：包括高压清水泵、输送管路和高压密封钻杆等等，以及超高压水力切割系统的切割工艺和安全操作规程。并在地面的试验表明：该套超高压水力切割成缝系统具有操作简单，切割半径大等优点，为井下试验打下良好的基础。
（3）研究了煤体水压预裂技术，分为三个阶段：起裂阶段，高压水形成裂缝阶段，高压水注入煤岩体阶段。煤体水压预裂技术参数确定：①煤体水压预裂泵：流量：160L/min；压力：31.5MPa；可调排量和压力；泵出口有流量计和压力表，配有限压功能电控柜；②封孔深度40m以上；抗压强度40Mpa以上；③高压管路是联接高压泵和压裂钻孔的必备设施，抗压能力：35MPa；接扣：快速接头。
（4）对小宝鼎矿瓦斯异常区域的瓦斯抽采参数进行传统密集钻孔和超高压水力切割技术两种方式的对比研究，同时利用SF6示踪气体，得出其在不同方式下的瓦斯自然排放半径、抽采量与抽采时间、抽采半径与时间关系、其有效抽采半径等参数，同时还详细介绍新型的封孔材料和工艺。
（5）提出了小宝鼎矿复杂地质条件异常区域或预测有突出危险的采、掘面瓦斯综合防治方案：①采煤面用本煤层增透区域预抽和采空区尾排卸压瓦斯抽采+局部防突措施和风排瓦斯治理方案，掘进面用本煤层区域条带增透预抽或底板巷区域条带穿层预抽+局部防突措施和风排瓦斯治理方案；②合理各煤层的开采顺序，尽可能在邻近上覆低瓦斯煤层进行保护层开采或采用水力切割、水压预裂等增透预抽煤层瓦斯技术后才进行38#、39#煤层的开采；③严格执行《煤矿安规程》和该矿的《异常区域瓦斯防治工作细则》等相关规定。
4.2 创新点
（1）采用超高压（100Mpa）水力切割技术，在煤层中进行水力切割成缝后，利用SF6示踪气体进行瓦斯抽采参数的测定；
（2）利用矿井综采液压泵，对煤层进行水压预裂，区域性增加瓦斯渗透性，减少煤层瓦斯突出与涌出的危险。
[关键词]瓦斯异常区域 超高压水力切割 水压预裂 瓦斯防治技术
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0064-02
1 引言
本研究的目的旨在针对小宝鼎矿区瓦斯的赋存特点，结合高瓦斯低透气性难抽煤层的瓦斯抽采难题，借鉴西南地区典型国有煤矿瓦斯灾害防治实践，系统开展了对小宝鼎矿区的瓦斯赋存规律进行研究，利用超高压水力割缝和水压预裂的新技术的运用，进而改变低透气性煤层的瓦斯运移规律，促进吸附瓦斯转变为游离瓦斯，增加煤层裂隙率和透气性，最终提高瓦斯抽采率，缩短瓦斯的治理时间，为高瓦斯低透气性难抽煤层的瓦斯抽采及灾害防治开辟了一条新的途径，这将对增强我公司煤矿安全科技自主创新能力具有重要的理论及现实意义。
2 小宝鼎煤矿基本情况
1971年7月，按照《矿区改扩建总体设计方案》所确定的原则，将小宝鼎煤矿进行扩建（二期），净增产能力30万吨/年，使全矿达到设计生产能力45万吨/年。经川煤生函（1973）450号《关开小宝鼎煤矿扩建初步设计的批复》，由重庆煤矿设计院及重庆院渡口设计队设计，三十九工程施工，至1978年3月建成，矿井核定生产能力45万吨/年。2010年矿井核定生产能力72万吨/年，目前已形成年产72万吨原煤的生产规模。
目前开采的范围为十一采区，十一采区向背斜间正在开拓准备巷道，开采标高+1060m。开采对象有32号、33-1号、35-1号、36号、37-1号、38号、39-1号煤层。其中十一采区下山开拓将延伸至+900米标高。
矿井瓦斯含量的变化，主要受埋藏深度、所处标高、构造部位产量、气压、顶板压力所控制，结合过去老窑及生产矿井开采过程中积累的实际资料定为低瓦斯矿井，局部地段瓦斯富集达到高瓦斯矿井。
根据重庆煤炭研究所《煤的自燃倾向等级鉴定报告表》中可以看出，自燃发火期大于12个月以上，自燃倾向等级为Ⅲ类，属不易自燃煤层。
小宝鼎井田属平硐+暗斜井开拓，上山回采，水沟自然排泄水，抽出式通风。各可采煤层的开采方法均为走向长壁后退式综合机械化采煤。顶板支护双柱掩护式液压支架， 39-1号煤层的工作面顶板松软破碎，漏顶或冒顶频繁，顶板管理难度较大。鉴于小宝鼎井田近距离煤层较多，顶底板凹凸不平，小型断层比较发育，岩性比较松软破碎，煤层顶底板类型定为Ⅲ类。顶板管理均采用全部陷落法。工作面初次来压步距最大35米（37-1号煤层）最小12米，一般15～30米。
3 小宝鼎煤矿瓦斯异常区域防治措施
3.1 瓦斯异常区域防治措施
3.1.1 钻孔超高压水力切割增透技术
经过现场参数测定，小宝鼎煤矿煤巷采掘工作面瓦斯抽采的优化方案为：顺层长钻孔超高压水力切割增透抽采（或自排）技术，钻孔长≧60米。
①切割钻孔布置
综合考虑煤岩层赋存条件及其岩性、硬度条件，并考虑超高压水力切割成缝半径为1-2m，割逢影响范围为3m，合理布置钻孔。
在工作面及钻场巷道内施工煤层抽放孔，采用已有钻机、φ75mm（钻割一体化）钻头施工、超高压水力割缝；巷道施工抽采钻孔必控制巷道轮廓线外12m，有效半径暂按2.m；穿煤层钻孔必过顶或底板0.5m，所有切割孔应退钻时割缝。
在煤矿，顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯依然是一种主要的瓦斯抽放方法，是从根本上降低煤层瓦斯含量、瓦斯压力，保证高瓦斯矿井在低瓦斯状态下开采的唯一途径。它能确保采掘工作在低瓦斯含量条件下进行，给采掘工作创造良好安全环境。
分析本煤层瓦斯抽放工作中存在的问题，可知影响预抽效果的主要因素有煤层透气性、钻孔方位与煤层节理方向的关系、钻孔与采场的相对位置、封孔质量及钻孔直径等。为此，特提出使用高压水射流孔内切割方案，以提高煤层透气性，扩大与煤层节理裂隙的联系，增加钻孔直径，从而起到提高本煤层瓦斯抽放效果的目的。由于割缝后的煤层暴露面积增大、透气性提高，控制范围扩大，可大幅度减少钻孔施工数量，缩短钻孔施工时间，另外可使钻孔瓦斯涌出速度加快、提高瓦斯抽采效率，从而缩短了煤层瓦治理时间。
②超高压水力切割成缝技术装备
在钻进瓦斯预抽切割孔时，需要的设备主要有钻机、超高压泵、高压密封钻杆、切割钻头等。超高压水力切割成缝系统设备承受压力均按100MPa配套所有参数，在此基础上，另需要增加远距离超高压管、高压管连接装置和高压密封、大功率干式变压器及开关装置等。
为简化系统装置设备、方便操作，所有设备的连接都是在原有设备连接环节上增加新设备。同时为了使系统更安全、适用于矿井环境，所有设备均为防爆设计。其超高压水力切割成缝系统装置连接如图2所示。
③超高压水力切割成缝工艺
超高压水力切割成缝在切缝时主要分为辅助钻进瓦斯抽放孔和煤体切缝两个步骤。在辅助钻进瓦斯抽放孔时，该系统压力较低，自动切换式切缝器处于关闭状态，全部射流通过自激振荡喷嘴形成脉冲射流对煤岩体进行预破碎。当瓦斯抽采孔钻进完毕，即瓦斯抽采孔穿过煤层全厚，钻进停止钻进保持旋转状态，升高系统压力，自动切换式切缝器处于工作状态，对煤体进行切缝。待切缝完毕，退出钻杆进行下一缝隙的切割；具体工艺流程如下：
启动超高压泵→调节压力至3～10MPa→推进钻机钻进瓦斯预抽孔→预抽孔钻进完毕→升高压力至70～90MPa→旋转对煤体切缝→切缝工作完毕→退钻杆继续切缝→切缝完毕、关闭开关、关闭乳化泵。 切缝时间根据煤层硬度和厚度而定，当切至煤层顶板或底板时，钻孔返水清澈，即可停止切割，进行下一缝隙切割。当煤层较厚时，切缝时间应控制在10分钟以上，以保证切缝效果。
④瓦斯抽采
钻孔施工完成后立即进行接抽，抽采主管不小于Φ125，接抽管为Φ40mm的PPR管，封孔长度为8m，采用黑胶管进行连接，与支管采用并联分组连接，接头不超过3个，保证抽采负压不小于13Kpa。
3.1.2 瓦斯治理抽采达标开采
采掘面作业前必须有经攀煤公司备案的区域瓦斯抽采达标评价报告和可采安全煤量。区域瓦斯抽采达标开采效检和预测控制指标为：煤层残余瓦斯含量小于8m3，压力小于0.74MPa；区域瓦斯抽采达标开采验证及工作面预测指标（如表8.1）；采煤工作面瓦斯抽采率控制指标（如表8.2）；矿井瓦斯抽采率控制指标（如表8.3）；工作面及回风系统瓦斯不超限的前提条件下，采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量控制指标（如表8.4）。
4 结论及创新点
4.1 结论
针对小宝鼎矿区随着开采深度的增加，矿井由低瓦斯矿向高瓦斯矿井转变的过程中，在生产安全中都面临新的挑战。为此，本课题在全面研究掌握小宝鼎矿区瓦斯的赋存情况的基础上，创新了超高压（100Mpa）水力切割技术和水压预裂的区域措施技术，分析了这两种新技术对煤层透气性的影响规律，确定了和研制超高压（100mpa）水力切割成缝和31.5Mpa水压预裂系统装置及施工工艺，同时，对小宝鼎煤矿瓦斯异常区域的防治措施作了系统的研究，提出其技术措施和管理的方法；本项目主要研究成果如下：
（1）简析了小宝鼎矿的煤层瓦斯赋存规律，同时还预测了小宝鼎煤矿延深水平异常煤层的瓦斯参数，为后面煤层开采瓦斯治理做好了一些基础工作。
（2）研制了超高压（100Mpa）水力切割系统的构成部分：包括高压清水泵、输送管路和高压密封钻杆等等，以及超高压水力切割系统的切割工艺和安全操作规程。并在地面的试验表明：该套超高压水力切割成缝系统具有操作简单，切割半径大等优点，为井下试验打下良好的基础。
（3）研究了煤体水压预裂技术，分为三个阶段：起裂阶段，高压水形成裂缝阶段，高压水注入煤岩体阶段。煤体水压预裂技术参数确定：①煤体水压预裂泵：流量：160L/min；压力：31.5MPa；可调排量和压力；泵出口有流量计和压力表，配有限压功能电控柜；②封孔深度40m以上；抗压强度40Mpa以上；③高压管路是联接高压泵和压裂钻孔的必备设施，抗压能力：35MPa；接扣：快速接头。
（4）对小宝鼎矿瓦斯异常区域的瓦斯抽采参数进行传统密集钻孔和超高压水力切割技术两种方式的对比研究，同时利用SF6示踪气体，得出其在不同方式下的瓦斯自然排放半径、抽采量与抽采时间、抽采半径与时间关系、其有效抽采半径等参数，同时还详细介绍新型的封孔材料和工艺。
（5）提出了小宝鼎矿复杂地质条件异常区域或预测有突出危险的采、掘面瓦斯综合防治方案：①采煤面用本煤层增透区域预抽和采空区尾排卸压瓦斯抽采+局部防突措施和风排瓦斯治理方案，掘进面用本煤层区域条带增透预抽或底板巷区域条带穿层预抽+局部防突措施和风排瓦斯治理方案；②合理各煤层的开采顺序，尽可能在邻近上覆低瓦斯煤层进行保护层开采或采用水力切割、水压预裂等增透预抽煤层瓦斯技术后才进行38#、39#煤层的开采；③严格执行《煤矿安规程》和该矿的《异常区域瓦斯防治工作细则》等相关规定。
4.2 创新点
（1）采用超高压（100Mpa）水力切割技术，在煤层中进行水力切割成缝后，利用SF6示踪气体进行瓦斯抽采参数的测定；
（2）利用矿井综采液压泵，对煤层进行水压预裂，区域性增加瓦斯渗透性，减少煤层瓦斯突出与涌出的危险。