0 引 言
煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中的严重自然灾害之一[1]。我国80%的特大型突出均发生在石门揭开煤层时，突出规模大、死亡人数多[2]。穿层钻孔预抽揭煤区域瓦斯是石门揭穿突出煤层最主要的区域防突措施，煤层透气性是影响抽采效果的主要因素。我国95%以上的高瓦斯矿井所开采的煤层都属于低透气性煤层，具有非均质性、高瓦斯、低储层压力、低渗透性和低含气饱和度等特点[3]，导致抽采浓度低、抽采量小、抽采成本高、抽采难度大等诸多问题。为了提高煤层透气性，从而提高瓦斯抽采效率，消除煤层突出危险性，很多学者研究了水力压裂[4-6]、水力割缝[7-8]、水力冲孔等[9-10]水力化措施[11-12]。水力割缝因割出煤量大、卸压效果明显而逐渐被广泛研究[13]，但是大多数研究应用的煤层坚固性系数都大于0.5[14]，对水力割缝增透技术在碎软突出煤层[15]中的应用报道较少。笔者在新疆艾维尔沟矿区的碎软突出煤层中开展了高压水力割缝增透试验，研究其在碎软突出煤层中的增透效果，为艾维尔沟矿区及其他赋存低渗碎软突出煤层的矿区开展消突工作提供了参考。
1 试验区域概况
1.1 矿井及试验区域情况
艾维尔沟矿区地处新疆天山山脉，位于乌鲁木齐市以南的艾维尔沟内，距乌鲁木齐市130 km。矿区含煤地层属侏罗系地层，有2个含煤地层，从上至下为中统西山窑组和下统八道湾组。矿区内3个矿井主采煤层均为4、5、6号煤层，坚固性系数分别为0.32、0.28、0.22，均为碎软突出煤层，试验煤层为井田西部一煤矿的4号煤层。
试验区域为4号煤层24223综采工作面运输巷掘进工作面前方80 m范围(以80 m为1个循环采取消突措施)。运输巷已掘进380 m，断面为梯形，沿煤层顶板掘进，断面积13.2 m2。试验区域上覆3号煤层和下伏5号煤层未采动。
1.2 煤层及瓦斯情况
4号煤层属侏罗系系统八道湾组煤系地层，倾角46°，平均厚度3.86 m，属大部可采的较稳定煤层，煤种为25号焦煤，埋深约380 m。顶板为粗砂岩、砂砾岩，局部地段为粉砂岩，围岩结构为层理面，节理及裂隙发育；底板为粉砂岩、细砂岩及中砂岩，围岩结构为层理面，局部裂隙发育。4号煤层鉴定为突出煤层，试验期间取样测试最大瓦斯含量为14.05 m3/t，透气性系数为0.194 m2/(MPa2·d)。
2 高压水力割缝增渗原理
高压水力割缝是利用高压水射流的冲击破碎能力在煤层内沿钻孔径向对煤体进行冲击破坏，切割出一定深度的圆盘型缝槽。这一过程会对煤体应力分布产生扰动，导致缝槽周围煤体应力重新分布，缝槽平面受力如图1所示，图1中σH为轴向水平地应力；σh为侧向水平地应力；K为应力集中系数。钻孔实施高压水射流割缝之后，在圆盘状缝槽周围会出现卸压区、应力集中区及原始应力区[16]。
图1 高压水力割缝缝槽平面受力示意
Fig.1 Schematic diagram of plane force of high-pressure hydraulic slotting slot
煤层割缝后，在缝槽周围形成自由面，在煤层应力作用下，缝槽周围的煤体向缝槽流变、膨胀、变形和位移。集中应力区的煤体在集中应力的作用破坏下，原有裂隙得到扩展、贯通，同时萌生新的裂隙，有效提高集中应力区煤体渗透性；卸压区内的煤体由于煤层应力减小，原有裂隙所受到的有效应力降低，增加了原有裂隙的宽度，提高了卸压区煤体渗透性。煤体透气性增大，进一步促进瓦斯排放，瓦斯压力与瓦斯含量下降，瓦斯潜能降低。同时由于大量瓦斯的释放，使煤的坚固性增加，即增高了煤自身抗突出的能力。
3 高压水力割缝钻-割一体化系统
高压水力割缝钻-割一体化系统主要由金刚石复合片钻头、水力割缝浅螺旋整体钻杆、超高压旋转水尾、超高压清水泵、高低压转换割缝器、超高压软管等组成，整体系统如图2所示。
图2 高压水力割缝钻-割一体化系统
Fig.2 High-pressure hydraulic slitting drilling-cutting integrated system
割缝器在水压低于15 MPa时允许水从割缝器流过，后从钻头流出，保证钻孔施工期间排渣顺利，水压高于15 MPa进行割缝时，割缝器前端自动关闭，高压水从割缝器侧面直径2.5 mm的射流孔高速射出，随着钻杆的旋转不断环向切割煤体。所有超高压设备均能承受100 MPa的高压水。
高压水力割缝的基本步骤为：①连接设备，采用井下静压水施工水力割缝钻孔至设计深度；②卸下普通水尾，连接超高压旋转水尾；③钻杆低速旋转，加压至设计水力割缝所需的压力；④保持高压，水力割缝一定时间，完成环向割缝一刀；⑤关闭高压水，后退钻杆；⑥加压割第二刀，如此循环直至本钻孔割缝完毕。
4 高压水力割缝试验
割缝试验选用直径113 mm金刚石复合片钻头，直径73 mm、长1 000 mm浅螺旋整体钻杆，ZYWL-3200矿用全液压履带钻机。所有超高压设备均能承受100 MPa的高压水，超高压清水泵设定安全溢流阀压力为105 MPa。
在24223运输巷掘进工作面共布置措施钻孔15个，控制巷道上方20 m、下方10 m、前方80 m的全部煤体。钻孔设计剖面如图3所示。
图3 试验钻孔设计剖面
Fig.3 Sectional view of the test drilling design
1—8号钻孔实施高压水力割缝(1—6号为上行孔)，终孔间距5 m，钻孔从孔底开始每3 m割一刀，每割一刀约5 min，退钻割缝至距孔口20 m止；9—15号钻孔不割缝，为普通抽采钻孔，终孔间距为3 m。
4.1 水力割缝压力试验
选择1号孔开展水力割缝压力考察试验，加压至35 MPa开始，每10 MPa为一个梯度直至95 MPa，观察孔口返水返渣情况。通过现场观察，仅描述45、55、65 MPa时的割缝现场情况。
1)45 MPa水压割缝时，割缝过程中钻孔内排水浑浊，但伴随的煤渣较少，割一刀煤大概需要10 min。
2)55 MPa水压割缝时，割缝过程中钻孔内流出来的水明显浑浊，伴随排出的煤渣较多，排水排渣顺畅，割缝顺利，割一刀煤大概需要5 min。
3)65 MPa水压割缝时，钻孔内煤渣量非常大、含煤粉量的浓度非常高，接近稠糊状，排渣流速缓慢，钻机运转阻力逐渐加大，偶尔出现间歇性排渣。
综合以上3种不同典型水力割缝压力下的割缝排渣效果，水力割缝压力为55 MPa左右时，水力割缝速度快，钻孔排渣顺畅，割缝效率最高，综合得出该矿4号煤层的割缝压力在55 MPa左右较为合理。随着钻孔倾角变小，割缝压力应当适当降低。
4.2 割缝半径试验
在水力割缝压力试验结束后，在试验地点左帮煤壁开展割缝半径试验。首先，垂直左帮煤壁施工0.5 m深的钻孔；然后，将水压升高至55 MPa割缝5 min；最后，关闭高压水和钻机(不退钻)，敲碎钻杆附近的煤壁观察割缝情况，将被切割出来的圆盘缝槽平均分为8份(每45°为一份，布置一个测点)，用钢卷尺以钻头为中心测量钻头到各测点的距离，取其平均值做为割缝半径；在各测点处测量缝槽厚度后取其平均值做为缝槽厚度。经测量，割缝区域基本为圆盘状，割缝半径大约为0.89 m，缝槽厚度大约为10 cm。
4.3 不同钻孔倾角试验
试验中设计7号钻孔为水平孔，8号钻孔倾角为-2°。7号钻孔水力割缝第1刀时，水力割缝压力为65 MPa，发现钻孔内煤渣量非常大，排渣速度缓慢，钻机运转阻力较大。降低水力割缝压力到50 MPa后，钻孔内煤渣量减少，排渣顺畅，钻机运转阻力降低。割煤期间时刻观察割煤量，在割煤量基本保证的前提下，割煤时间大约延长了2 min。随着割缝不断向孔口靠近，排渣阻力逐渐减小(表1)。
8号钻孔水力割缝第1刀时水力割缝压力为50 MPa，发现排渣速度缓慢，钻机运转阻力大。降低水力割缝压力到45 MPa后有改善，持续割煤13刀后，发生抱钻，钻头、钻杆、割缝器未能退出，埋于孔内。因此，碎软突出煤层下向钻孔不适合采用高压水力割缝措施。
表 1 水力割缝钻孔割缝刀数和排渣量
Table 1 Number of hydraulic cutting seamdrilling knives and slag discharge
孔号孔深/m割缝刀数/刀倾角/(°)排渣量/m3备注1365205.2—2478158.5—362131112.5—48019819.0—58220521.0喷孔68119319.5—78019018.5—88013-210.5埋钻
4.4 水力割缝增透效果
1)相同地点割缝钻孔和普通钻孔抽采效果对比。水力割缝试验点共有7个水力割缝钻孔和7个普通抽采孔。统计所有钻孔施工完后2个月的抽采浓度、流量、纯量等数据，分别计算出水力割缝钻孔和普通抽采孔的日平均单孔纯流量和浓度，如图4、图5所示。
图4 相同地点日平均单孔抽采纯流量
Fig.4 Daily average single hole drainage flow at same location
图5 相同地点日平均单孔抽采浓度
Fig.5 Daily average single hole extraction concentration in same location
对抽采数据进行对比分析，水力割缝钻孔与同一地点普通抽采孔抽采效果相比，日平均单孔体积分数分别为16.2%和8.0%；日平均单孔纯流量分别为0.066、0.032 m3/min；日均纯量分别为89 m3和43 m3，均提高了2倍以上。
2)与相邻钻场普通钻孔抽采效果对比。相邻钻场为距本次试验点80 m处的上一循环普通抽采钻孔钻场，该钻场内施工了15个普通抽采孔。统计所有普通抽采孔施工完后2个月的抽采浓度、流量、纯量等数据，计算出日平均单孔纯流量和浓度并与试验点水力割缝钻孔进行对比，如图6、图7所示。
图6 相邻钻场日平均单孔抽采纯流量
Fig.6 Daily average single hole drainage flow of adjacent drilling stations
图7 相邻钻场日平均单孔抽采浓度
Fig.7 Daily average single hole extraction concentration of adjacent drilling stations
对抽采数据进行对比分析，水力割缝钻孔与相邻地点普通抽采孔抽采效果相比，日平均单孔体积分数分别为16.2%和2.1%；日平均单孔纯流量分别为0.066、0.023 m3/min；日均纯量分别为89、34 m3，分别提高了7.7、2.8、2.6倍。
3)从图4、图6中的抽采纯流量来看，水力割缝钻孔和该区域下部的普通钻孔在抽采初期都有一段时间抽采纯流量很低，但是未进行过水力割缝区域的普通抽采钻孔却不存在此现象。结合现场情况对比分析认为，水力割缝期间不仅在煤体中割出了大量圆盘状缝槽，同时也注入了大量水。因此，抽采的前几天主要为返排注入到缝槽和裂隙中的水，水返排后瓦斯才会大量涌出，水力割缝钻孔返排期大约为6 d。
对图4中的抽采纯流量直接进行指数拟合，相关系数仅为0.335，二者并非呈指数函数变化规律；如果从返排期后开始进行拟合，则抽采纯流量与抽采时间仍然符合指数函数规律。水力割缝钻孔和普通抽采钻孔的抽采纯流量、抽采浓度与抽采时间的关系见表2，由表2可知，抽采纯流量、抽采浓度与抽采时间均呈现指数函数关系。
表2 抽采纯流量、抽采浓度与抽采时间x的关系
Table 2 Relationship between pure flow rate, extractionconcentration and extraction time x
钻孔类别函数关系相关系数水力割缝抽采纯流量y=0.264 9e-0.103 8x+0.017 50.915 9水力割缝抽采浓度y=43.268 1e-0.086 2x+7.577 80.827 8相同位置抽采纯流量y=0.091 0e-0.099 9x+0.017 60.807 5相同位置抽采浓度y=18.898 3e-0.187 1x+5.247 90.782 7相邻位置抽采纯流量y=0.050 5e-0.041 7x+0.004 90.939 9相邻位置抽采浓度y=6.550 8e-0.017 3x-2.020 60.951 3
4)抽采衰减特性。通过对图4和图5中的抽采纯流量和抽采浓度分析发现，抽采的前22 d，水力割缝钻孔的抽采纯流量和抽采浓度要明显高于普通抽采孔，但是前者衰减速度较快，大约抽采30 d后，二者抽采效果便趋于稳定，差别并不明显。
5 结 论
1)4号煤层的割缝压力在55 MPa左右较为合理。随着钻孔倾角变小，割缝压力应当适当降低；在55 MPa割缝压力下割缝5 min，割缝半径大约为0.89 m；下向钻孔不适合采用高压水力割缝措施。
2)水力割缝钻孔与同一地点普通抽采孔抽采效果相比，日单孔浓度、单孔流量和抽采纯量大约提高了2倍。水力割缝钻孔与相邻地点普通抽采孔抽采效果相比，日单孔抽采浓度、单孔抽采流量和抽采纯量分别提高了7.7、2.8、2.6倍。
3)水力割缝后，水的返排期大约为6 d，返排期后抽采纯流量与抽采时间呈现指数函数规律变化。水力割缝钻孔抽采的前22 d，抽采效果明显优于普通抽采孔，但衰减速度很快，大约30 d后，二者抽采效果基本接近。
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