低透氣性煤層高壓水預(yù)裂試驗(yàn)及效果分析

文/王瑞　白鵬

低透氣性煤層高壓水預(yù)裂試驗(yàn)及效果分析

文/王瑞白鵬

煤礦低透氣性煤層瓦斯治理是世界性難題，長(zhǎng)期以來(lái)一直未得到徹底解決，此類煤礦瓦斯事故多發(fā)、易發(fā)，生產(chǎn)效率低下，高效開(kāi)采難以實(shí)現(xiàn)。山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司為高瓦斯礦井，現(xiàn)開(kāi)采煤層為3#煤層，為較難抽采煤層，礦井客觀存在煤層瓦斯含量大、透氣性差、吸附性強(qiáng)、單孔抽采鉆孔衰減快，抽采效果差及“抽掘采”銜接緊張等實(shí)際情況，采用常規(guī)的瓦斯治理技術(shù)難以達(dá)到預(yù)期效果，瓦斯治理難度極大，嚴(yán)重制約礦井正常生產(chǎn)接續(xù)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，高壓水預(yù)裂新技術(shù)效果顯著，煤層透氣性增強(qiáng)，單孔抽采鉆孔衰減緩慢，煤層內(nèi)游離瓦斯所占比例明顯加大，單孔瓦斯抽采鉆孔濃度呈高倍數(shù)遞增，抽采純瓦斯量大幅度提升，為瓦斯利用所需氣源呈梯次遞增提供了技術(shù)支撐，夯實(shí)了高瓦斯礦井安全生產(chǎn)基礎(chǔ)。

一、30103工作面基本概況

石泉煤業(yè)30103備抽工作面走向長(zhǎng)度為821m，傾向長(zhǎng)度為180m，煤層厚度平均為6.4m，工作面煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為細(xì)砂巖，煤層底板直接底為泥巖，基本底為中粒砂巖。工作面沿走向回采，采用綜采放頂煤開(kāi)采，采用一進(jìn)兩回“U+I”型通風(fēng)方式。30103工作面共布置三條順槽，其中膠帶順槽和軌道順槽均沿煤層底板掘進(jìn)，分別作為工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷，內(nèi)錯(cuò)尾巷沿煤層頂板掘進(jìn)，作為專用排瓦巷，30103備抽工作面巷道平面布置如圖1所示。

二、高壓水預(yù)裂實(shí)施方案

30103膠帶順槽瓦斯含量為10.49m3/t，瓦斯壓力為0.43Mpa。根據(jù)30103工作面掘進(jìn)期間瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，30103工作面絕對(duì)瓦斯涌出量約為20.5m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為12.6m3/t。由于煤層透氣性較差，采用普通的平行鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，單孔瓦斯抽放濃度較低且衰減較快。為了增加煤層透氣性，提高工作面瓦斯抽采率，提升礦井整體通風(fēng)能力，緩解風(fēng)量緊張的局面，決定在30103膠帶順槽實(shí)施本煤層順層鉆孔高壓水預(yù)裂煤層。

1.預(yù)裂鉆孔布置方案

距30103膠帶順槽開(kāi)口處308m處施工一個(gè)注水孔，注水孔距底板為1.3m，孔徑為Φ75mm，孔深為150m，傾角為0°，方位角為90°。

距底板1.6m與注水孔平行布置1個(gè)返水孔，兩個(gè)鉆孔間距為12m，孔徑為Φ113mm，孔深為150m，傾角為0°，方位角為90°。

圖1　30103備抽工作面巷道平面布置圖

注水孔封孔采用Φ50mm鋼管，孔口加裝閘閥，采用水泥砂漿封孔，封孔長(zhǎng)度為15m，孔口裝設(shè)壓力表。

返水孔封孔采用Φ75mm×8m雙抗管，采用水泥砂漿封孔，封孔長(zhǎng)度為12m，孔口裝設(shè)壓力表。

施工鉆孔采用低鉆速、大扭矩ZDY4000S型礦用全液壓坑道鉆機(jī)，為了保證施工鉆孔期間安全，在孔口安設(shè)孔口噴霧。

鉆孔施工采用井下靜壓水，注水孔和返水孔間距為12m，鉆孔布置如圖2所示。

圖2　30103膠帶順槽高壓水預(yù)裂鉆孔布置示意圖

2.高壓注水預(yù)裂實(shí)施方案

（1）高壓注水預(yù)裂工藝

采用BZW63/31.5-SZ型高壓柱塞泵，額定注水壓力為31.5MPa，額定流量為63L/min。

注水前配齊壓力表、流量表，以便及時(shí)掌握注水情況；注水過(guò)程中需連續(xù)記錄注水壓力及流量，必須安排專人做好詳細(xì)的原始記錄，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，適時(shí)調(diào)整預(yù)裂參數(shù)。注水壓力不得小于20MPa。

每次注水需5個(gè)小時(shí)左右，采用間歇式注水，待煤壁掛汗返水孔出水后，表明注水孔和返水孔間距12m范圍，長(zhǎng)150m面積范圍內(nèi)的煤體內(nèi)水分已達(dá)到飽和狀態(tài)，即說(shuō)明煤體注水工作完成。

（2）高壓注水施工安全技術(shù)措施

注水前必須對(duì)高壓注水泵進(jìn)行全面檢查，確保高壓注水泵運(yùn)行正常。

進(jìn)入注水地點(diǎn)，必須首先檢查工作現(xiàn)場(chǎng)周圍巷道煤層頂、幫情況，檢查確認(rèn)安全后，方可進(jìn)行注水作業(yè)，且注水地點(diǎn)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔坏贸^(guò)0.5%。高壓注水泵安設(shè)位置距注水孔間距不得小于30m，通過(guò)高壓膠管與注水孔進(jìn)行連接，注水泵必須安裝牢固，靠巷道一側(cè)放置。此外，接、拆注水泵電源需辦理接停電手續(xù)，并由專職電工負(fù)責(zé)操作。

注水前，必須檢查各連接件連接是否牢靠，高壓膠管連接必須用正規(guī)U型卡進(jìn)行連接，并采用8#鐵絲將連接處系牢加固。同時(shí)，還須認(rèn)真檢查注水系統(tǒng)和注水管線的氣密性，在高壓管路密封性不嚴(yán)密或有破損現(xiàn)象時(shí)，禁止注水；若發(fā)現(xiàn)松動(dòng)，必須及時(shí)進(jìn)行有效連接，防止脫扣傷人；當(dāng)高壓膠管處于承壓狀態(tài)或注水期間，禁止連接、拆卸和修理高壓管路。

注水期間，必須安排專人觀察注水鉆孔周圍及鄰近頂板、煤幫及支護(hù)情況，若發(fā)現(xiàn)異常情況，必須立即停止作業(yè)，采取措施進(jìn)行處理。嚴(yán)禁人員正對(duì)注水孔，若發(fā)生片幫、冒頂或其它異常情況時(shí)，必須立即停止注水。必須經(jīng)常檢查注水鉆孔附近處瓦斯?jié)舛?，若發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛仍龃蠡虼嬖诋惓Ｓ砍霈F(xiàn)象，必須及時(shí)匯報(bào)，采取針對(duì)性措施后，方可繼續(xù)進(jìn)行注水。注水結(jié)束后，操作人員必須對(duì)注水管路進(jìn)行卸壓，卸壓后方可拆除設(shè)備。

注水高壓膠管必須采用14＃鐵絲綁扎吊掛在巷道幫部，且在高壓膠管通過(guò)地段兩端懸掛警示牌并設(shè)置安全警戒，禁止人員通過(guò)，防止高壓膠管脫落或爆裂傷人。

注水前后，必須檢查兩鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋⒆骱糜涗?，為注水半徑確定、注水效果分析提供依據(jù)。

三、試驗(yàn)方法及效果分析

1.試驗(yàn)方法

在30103膠帶順槽實(shí)施煤層高壓注水預(yù)裂試驗(yàn)期間，當(dāng)注水預(yù)裂壓力泵達(dá)到8MPa時(shí)，周圍巷道頂板、煤壁出現(xiàn)掉渣、響動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)注水達(dá)到一定程度，相鄰返水孔出現(xiàn)出水現(xiàn)象，說(shuō)明當(dāng)注水壓力達(dá)到8Mpa時(shí)相鄰鉆孔之間的煤層裂隙已通過(guò)高壓預(yù)裂導(dǎo)通，應(yīng)力集中區(qū)重新進(jìn)行分布，裂隙發(fā)育，即可將抽采半徑擴(kuò)大到12m，相當(dāng)于目前石泉煤業(yè)抽采半徑的6倍。為了考察高壓注水壓裂后的抽采效果，對(duì)注水孔和返水孔實(shí)施連接抽采，采集高壓預(yù)裂后單孔瓦斯?jié)舛燃俺椴杉兺咚沽康葏?shù)，如圖3、圖4所示，與普通抽采鉆孔參數(shù)進(jìn)行對(duì)比、分析其預(yù)裂效果。

2.試驗(yàn)效果分析

煤體采取高壓水預(yù)裂后，由于鉆孔壁原生裂隙及壓裂裂隙在高壓水作用下擴(kuò)展發(fā)育并相互導(dǎo)通，使得原巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，瓦斯隨著鉆孔周圍煤層卸壓及壓裂裂隙溝通向鉆孔內(nèi)流動(dòng)，由圖3、圖4可以得出：

（1）鉆孔實(shí)施抽采后，鉆孔單孔濃度大幅度提高；預(yù)裂后1#、2#孔瓦斯?jié)舛仍?0%～40%，平均瓦斯?jié)舛葹?9.43%。實(shí)施抽采7個(gè)月后，瓦斯抽采濃度仍然還能達(dá)到15%。

（2）抽采純瓦斯量呈高倍數(shù)遞增；1#孔、2#孔的抽采純瓦斯量在0.04m3/min～0.1m3/min，平均抽采純瓦斯量為0.07m3/min，兩個(gè)鉆孔的抽采純瓦斯量相當(dāng)于普通抽采鉆孔的4～5倍，足可見(jiàn)預(yù)裂對(duì)瓦斯抽采效果明顯。

圖3　1#孔瓦斯抽采濃度及抽采純量變化規(guī)律

圖4　2#孔瓦斯抽采濃度及抽采純量變化規(guī)律

（3）煤層透氣性增強(qiáng)，單孔衰減程度降低；高壓水預(yù)裂后，鉆孔瓦斯抽采濃度隨著時(shí)間的推移有增大的趨勢(shì)，煤層透氣性增強(qiáng)，瓦斯抽采濃度及抽采純量明顯增大。

（4）實(shí)施高壓水預(yù)裂并進(jìn)行抽采后煤層瓦斯含量和壓力均大幅度降低，實(shí)現(xiàn)真正意義上的消突治突；對(duì)1#孔、2#孔間距為12m范圍的煤體內(nèi)煤層瓦斯含量和壓力分別進(jìn)行測(cè)定，煤層瓦斯含量為4.65m3/t，降低56%；瓦斯壓力為0.21Mpa，降低51%。

（5）實(shí)施高壓水預(yù)裂抽采半徑呈高倍數(shù)遞增，減小了鉆孔工程量，降低了瓦斯治理成本。

四、結(jié)論

實(shí)踐表明，高壓水預(yù)裂技術(shù)能夠有效提高單孔瓦斯抽采濃度及瓦斯抽采純量，相較于普通預(yù)抽鉆孔高4～5倍。同時(shí)，抽采濃度衰減時(shí)間明顯增長(zhǎng)，有效提高了瓦斯抽采效率，使煤層瓦斯抽采半徑呈高倍數(shù)增加。鉆孔工程量減少90%以上，降低了瓦斯治理成本。

（作者單位：華電煤業(yè)集團(tuán)有限公司山西分公司、山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司）

（責(zé)任編輯：周瓊）