低透氣性煤層水力割縫增透技術(shù)試驗(yàn)研究

王 坤

(山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

引 言

我國(guó)高瓦斯礦井煤層透氣性普遍較差，瓦斯抽采主要面臨著抽采鉆孔濃度低、流量衰減快、抽采時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[1-2]。同時(shí)，隨著煤礦開(kāi)采深度的逐步增加，瓦斯涌出量急劇增大，瓦斯頻繁超限，嚴(yán)重制約煤礦安全生產(chǎn)，因此增加煤層透氣性成為提高礦井瓦斯抽采效率的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題[3]。

水力割縫作為一種新型卸壓增透技術(shù)，目前很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的理論與實(shí)踐研究。李曉紅等[4]模擬了高壓脈沖水射流瞬時(shí)動(dòng)載荷作用下煤體裂隙場(chǎng)的變化規(guī)律，結(jié)果表明沖擊載荷作用可有效提高煤層透氣性；林柏泉等[5]研究了基于瓦斯治理的鉆割抽一體化技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)配套設(shè)備進(jìn)行了應(yīng)用；王正帥[6]將水力割縫技術(shù)應(yīng)用于碎軟突出煤層瓦斯抽采，研究表明水力割縫鉆孔與普通抽采空相比，日單孔抽采純量至少提高2倍以上；劉孔智等[7]進(jìn)行了高壓水射流自旋式割縫試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水力切割鉆孔百米瓦斯自排量和瓦斯抽采量分別是非切割鉆孔的5.6和4.5倍。

1 水力割縫技術(shù)及增透機(jī)理

水力割縫技術(shù)是在20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種新型切割技術(shù)，具有良好的切割、粉碎功能、且不產(chǎn)生粉塵，加工安全等優(yōu)點(diǎn)，適用于存在易燃易爆物質(zhì)和封閉的環(huán)境中，為我國(guó)水力增透技術(shù)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用[8]。

一般情況下，低滲透性煤層內(nèi)部孔隙和裂隙都很小，通過(guò)強(qiáng)制增透技術(shù)措施，可有效增大煤體暴露面積,再造煤層中裂隙及微裂隙，疏通瓦斯流動(dòng)通道，提高瓦斯解吸、釋放速度，達(dá)到實(shí)現(xiàn)較高的瓦斯抽放率的目的。水力割縫是首先在煤層中打一鉆孔，鉆機(jī)帶動(dòng)高壓水鉆頭旋轉(zhuǎn)，利用高壓水射流對(duì)鉆孔兩側(cè)的煤體切割形成一個(gè)或多個(gè)縫槽，類(lèi)似于在煤層內(nèi)開(kāi)采一個(gè)極小的巷道，改變煤層本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成局部卸壓的條件，提高煤層透氣性，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化瓦斯抽采的目的[9-10]。

2 超高壓水力割縫設(shè)備

高壓水力割縫裝置主要由金剛石水力割縫鉆頭、水力割縫淺螺旋鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、超高壓清水泵、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、超高壓膠管等組成。超高壓水力割縫工藝系統(tǒng)如第100頁(yè)圖1所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

常村煤礦位于山西省屯留縣東部，礦區(qū)東西寬7.4 km，南北長(zhǎng)17 km，面積約為107.381 8 km2。本礦采用立井單水平盤(pán)區(qū)式開(kāi)采，2014年核定生產(chǎn)能力800萬(wàn)t，屬高瓦斯礦井。

2105工作面回采3#煤層，煤層標(biāo)高為+460 m，埋深500 m，煤層平均厚度為6.0 m，煤層傾角3°～5°。3#煤層屬于全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，該煤層位于山

圖1 超高壓水力割縫工藝示意圖

西組的中下部，是礦區(qū)主采煤層，該煤層的瓦斯基本參數(shù)，如表1所示。該工作面已施工部分順煤層鉆孔抽采，瓦斯抽采濃度較低，其瓦斯抽采效果可為評(píng)價(jià)順層鉆孔高壓水力割縫增透強(qiáng)化預(yù)抽效果提供良好的參照系。

表1 3#煤層瓦斯基本參數(shù)表

3.2 水力割縫試驗(yàn)方案

3.2.1 切割半徑考察鉆孔布置

河北作為資源型缺水省份，由于降水少，沒(méi)有大江大河過(guò)境，客水資源嚴(yán)重不足等因素，每年實(shí)際用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了水資源承載能力，尤其是地下水超采問(wèn)題十分突出，無(wú)論是超采時(shí)間之長(zhǎng)、超采數(shù)量之大，還是超采范圍之廣、超采危害之重，均已威脅到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，后果令人擔(dān)憂。為從根本上解決地下水超采問(wèn)題，按照國(guó)家試點(diǎn)工作總體部署，將地下水超采治理作為改善生態(tài)環(huán)境的三件大事之一，突出重點(diǎn)，抓住關(guān)鍵，全力以赴打好超采治理攻堅(jiān)戰(zhàn)。

在3#煤層2105工作面運(yùn)輸順槽距離開(kāi)口900 m～920 m施工6個(gè)鉆孔，孔徑均為94 mm，其中2個(gè)水力切割鉆孔，4個(gè)觀察孔。該組鉆孔主要通過(guò)考察出水鉆孔與切割鉆孔的間距確定切割孔的半徑大小。

3.2.2 瓦斯抽放量考察鉆孔布置

在3#煤層2105工作面運(yùn)輸順槽距離開(kāi)口930 m～960 m施工6個(gè)鉆孔，鉆孔間距6 m，孔徑94 mm，孔深80 m，其中1號(hào)～3號(hào)鉆孔為切割孔，4號(hào)～6號(hào)為對(duì)比考察孔，如圖2所示。

圖2 瓦斯抽放量鉆孔布置圖

每個(gè)鉆孔施工完畢后，要求立即封孔聯(lián)網(wǎng)抽采，6個(gè)鉆孔均安裝孔板流量計(jì)，詳細(xì)考察鉆孔瓦斯抽采效果。鉆孔連抽后要求每天測(cè)定單孔瓦斯抽采負(fù)壓、流量、濃度等參數(shù)。

3.2.3 百米鉆孔瓦斯自排量考察鉆孔布置

在2105工作面軌順施工4個(gè)鉆孔，鉆孔間距6 m，孔徑94 mm，孔深80 m，其中7、8號(hào)為切割孔，9號(hào)、10號(hào)為對(duì)比考察孔，如圖3所示。

圖3 百米瓦斯自排量鉆孔布置圖

要求每個(gè)鉆孔施工完畢后，用4分鍍鋅管立即進(jìn)行封孔，單孔4分鍍鋅管長(zhǎng)度不低于12 m，封孔完畢后，安裝燃?xì)獗磉M(jìn)行鉆孔瓦斯自排量測(cè)定，對(duì)兩組鉆孔的瓦斯自排量進(jìn)行對(duì)比考察。

3.3 試驗(yàn)效果分析

3.3.1 水力切割半徑考察

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察鉆孔出水情況，如表2所示，由出水情況可判斷切割半徑可達(dá)1.5 m。

表2 切割半徑考察鉆孔出水情況

3.3.2 瓦斯抽放量考察

瓦斯抽放量考察鉆孔3個(gè)，非切割對(duì)比鉆孔3個(gè)，在切割完畢后立即對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔聯(lián)網(wǎng)抽采，記錄六個(gè)鉆孔施工后次日起的數(shù)據(jù)，每天觀測(cè)一次，共44 d。各鉆孔日瓦斯抽采純量隨抽采時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 鉆孔瓦斯抽采量對(duì)比圖

由圖4可知，1號(hào)～3號(hào)切割鉆孔日抽采量明顯比4號(hào)～6號(hào)非切割鉆孔高，且瓦斯抽采量衰減速度慢，高流量抽采時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)各鉆孔瓦斯抽采量進(jìn)行累加得到瓦斯抽采總量統(tǒng)計(jì)表，如表3所示。

表3 鉆孔瓦斯抽采總量統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，1號(hào)～3號(hào)切割鉆孔瓦斯抽采總量明顯比4號(hào)～6號(hào)非切割鉆孔高，2號(hào)鉆孔瓦斯抽采總量最高為4 090 m3，是5號(hào)非切割鉆孔瓦斯抽采總量311 m3的13.15倍。

3.3.3 百米瓦斯自排量考察

通過(guò)觀測(cè)燃?xì)獗?2 d的數(shù)據(jù)得到各鉆孔瓦斯涌出量，如表4所示。

表4 鉆孔瓦斯涌出總量統(tǒng)計(jì)表

由表4可知，8號(hào)切割鉆孔瓦斯涌出總量最高為6 438 m3，是10號(hào)非切割鉆孔瓦斯自排量的6.03倍。

4 結(jié)論

1) 采用水力割縫技術(shù)后，煤層鉆孔瓦斯抽采量顯著提升，單鉆孔瓦斯抽采總量最高達(dá)4 090 m3，瓦斯抽采量最大提高到13.15倍。

2) 由于割縫后鉆孔暴露面積和卸壓影響范圍增大，造成瓦斯涌出量大幅度增加，切割鉆孔的瓦斯自排量是非切割鉆孔的6.03倍。

3) 鉆孔水力割縫后，改變了煤層本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成局部卸壓的條件，提高了鉆孔的瓦斯抽采量及瓦斯抽采效率，縮短了瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，為我國(guó)低透氣性煤層瓦斯的治理提供了一條可借鑒的新方法、新工藝。