水射流割縫在低透氣性強(qiáng)突煤層瓦斯抽采中的應(yīng)用

陳 睿

(1.四川煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，四川成都 610041；2.四川鑄創(chuàng)安全科技有限公司，四川成都 610041）

作為有效的卸壓增透手段，水射流割縫技術(shù)逐漸被廣泛的應(yīng)用，但大多數(shù)的研究均基于堅(jiān)固性系數(shù)在0.5 以上且突出危險(xiǎn)性較小的堅(jiān)硬煤層，對(duì)松軟的低滲透性強(qiáng)突煤層應(yīng)用報(bào)道相對(duì)較少[1]。本文通過(guò)在宜賓市興文縣建設(shè)煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，論證了水射流割縫技術(shù)在川南礦區(qū)煤層賦存條件下的應(yīng)用效果，為低透氣性強(qiáng)突煤層的消突工作提供了參考。

1 鉆割一體化技術(shù)裝備

川南地區(qū)作為我國(guó)煤礦煤與瓦斯突出事故的重災(zāi)區(qū)，其煤層普遍具有煤質(zhì)松軟，煤體破壞類型大以及煤層賦存不穩(wěn)定等特點(diǎn)，如采用傳統(tǒng)的煤層水射流割縫方式，即施鉆完畢退出鉆桿，然后另行部署割縫裝置進(jìn)行水力化作業(yè)，則會(huì)由于煤體流變導(dǎo)致鉆孔垮孔，大大限制了鉆孔割縫深度和煤體擾動(dòng)效果。為了克服該難題，課題組設(shè)計(jì)了后退式旋轉(zhuǎn)水射流割縫方式，即施工過(guò)程中先打鉆至預(yù)定深度，在回退鉆桿的同時(shí)邊旋轉(zhuǎn)鉆桿邊進(jìn)行割縫，并以此為基礎(chǔ)研制了煤層水射流鉆割一體化技術(shù)裝備。該裝備可通過(guò)壓控一體化鉆頭實(shí)現(xiàn)高低壓之間的自動(dòng)切換，當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)鉆頭供應(yīng)低壓水，前端的壓力控制閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，大孔徑出水口能保持暢通，流過(guò)足夠量的低壓水滿足排粉和對(duì)鉆頭降溫的需要；鉆機(jī)退鉆割縫切換過(guò)程中，高壓射流作用在單向閥的一端，當(dāng)壓力達(dá)到8～10 MPa的啟動(dòng)壓力時(shí)，單向閥將鉆頭前端大直徑出水口關(guān)閉，僅由小直徑噴嘴通過(guò)高壓的射流實(shí)現(xiàn)割縫功能[2]。設(shè)備總體，見(jiàn)圖1。

圖1 水射流鉆割一體化裝備系統(tǒng)

2 工業(yè)性試驗(yàn)

2.1 礦井概況

四川省興文縣建設(shè)煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采11 號(hào)煤層，煤層平均厚度1.74 m，平均傾角26°，其瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表1。

由于不具備保護(hù)層開(kāi)采條件，所以選取預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域性防突措施。礦井未采用水射流割縫增透技術(shù)前瓦斯抽采存在的主要問(wèn)題為：11號(hào)煤層為低透氣性強(qiáng)突煤層，煤質(zhì)松軟，抽采鉆孔施工期間常伴有塌孔、噴孔等現(xiàn)象，且瓦斯抽采量衰減速度快，工作面瓦斯達(dá)標(biāo)時(shí)間至少在12個(gè)月以上。

表1 建設(shè)煤礦11號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)概況

在建設(shè)煤礦+150 m 南運(yùn)輸巷內(nèi)選取長(zhǎng)度約100 m的一段巷道，從該段巷道向11號(hào)煤層施工頂板穿層鉆孔對(duì)1522 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)條帶進(jìn)行網(wǎng)格化預(yù)抽，試驗(yàn)區(qū)域巷道層位關(guān)系，見(jiàn)圖2。為驗(yàn)證抽采效果，將該試驗(yàn)區(qū)域分為三組考察單元，分別施工水射流割縫鉆孔與常規(guī)鉆孔，并記錄抽采期間瓦斯抽采流量、濃度等指標(biāo)變化情況。

圖2 水射流割縫試驗(yàn)區(qū)域三維模擬圖

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，每個(gè)考察單元共布置4 組鉆場(chǎng)，三個(gè)考察單元的鉆場(chǎng)間距分別為8 m、10 m、12 m。為方便進(jìn)行效果對(duì)比，每個(gè)考察單元的1、2號(hào)鉆場(chǎng)施工割縫孔，3、4號(hào)鉆場(chǎng)施工常規(guī)孔。每個(gè)鉆場(chǎng)含5個(gè)鉆孔，控制巷道上幫20 m、下幫10 m范圍。以第一考察單元為例，其鉆孔布置情況，見(jiàn)圖3。

圖3 第一考察單元鉆孔布置示意圖

通過(guò)實(shí)踐，每根鉆桿的最佳割縫時(shí)間為45 min左右，初始割縫壓力應(yīng)控制在20 MPa以下，當(dāng)煤炭開(kāi)始隨水流排出后，緩慢將壓力抬高到30 MPa，并最終保持在30～35 MPa之間。

3 效果考察與分析

3.1 煤體擾動(dòng)效果分析

煤體在進(jìn)行水射流割縫后，煤炭隨水流排出的同時(shí)由于受地應(yīng)力、瓦斯壓力以及煤體自重的共同影響，鉆孔空腔內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生流變并破壞其完整性，但如果將煤體視作剛性介質(zhì)，則可根據(jù)出煤量、煤炭容重等指標(biāo)反算出割縫后形成的圓柱形空間，以此來(lái)定量的分析出割縫鉆孔對(duì)煤體所產(chǎn)生的擾動(dòng)范圍。

考慮到割縫后煤體的蠕變，假設(shè)常規(guī)鉆孔和割縫鉆孔的出煤量M，則擾動(dòng)半徑R可用下式表示：

式中：γ為煤的容重，t/m3；R0為措施前鉆孔孔徑，m；L為割縫孔（或常規(guī)鉆孔）長(zhǎng)度，m。

以+150 m南運(yùn)輸巷8-1列割縫試驗(yàn)鉆孔割縫前后進(jìn)行分析比對(duì)，該鉆孔割縫前成孔半徑38 mm，割縫后的總出煤量M約為32 t，經(jīng)計(jì)算割縫孔與常規(guī)孔擾動(dòng)效果對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 割縫孔與常規(guī)孔擾動(dòng)效果對(duì)比

由表2 可知，割縫起到了很好的擴(kuò)孔作用，直接擾動(dòng)半徑與直接擾動(dòng)表面積較常規(guī)鉆孔均提高了5～10 倍，鉆孔直接擾動(dòng)表面積的增加促使孔壁周圍瓦斯?jié)舛忍荻燃哟螅欣谕咚沟牧鲃?dòng)與解吸。直接擾動(dòng)體積提高了22～98倍，充分的卸壓空間為煤體破壞流變提供良好的條件，擴(kuò)大了煤體的破碎區(qū)、卸壓影響區(qū)范圍，促進(jìn)煤體裂隙的發(fā)育，為提高瓦斯抽采效果創(chuàng)造了有利條件[3]。

3.2 抽采量對(duì)比分析

在抽采負(fù)壓恒定的情況下，可通過(guò)下式擬合鉆孔瓦斯純流量的衰減情況：

式中：qt為時(shí)間t下折成每米鉆孔的瓦斯抽采量，m3/(d·m)；q0為折成每米鉆孔的初始瓦斯抽采量，m3/·m；α為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；t為鉆孔抽采時(shí)間，d。

表征鉆孔流量衰變特征的參數(shù)有二個(gè)：鉆孔初始瓦斯流量q0和鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α[4]。q0、α是通過(guò)測(cè)定不同時(shí)間下的鉆孔瓦斯流量通過(guò)回歸分析求得的，對(duì)該式進(jìn)行積分可得任一時(shí)間t內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量。

從10-1列試驗(yàn)割縫孔和10-3列常規(guī)鉆孔中各選取一個(gè)施工參數(shù)相似的單孔考察濃度與流量的變化情況，以此建立不同施工工藝下，單孔抽采量隨時(shí)間的變化關(guān)系，見(jiàn)圖4。

圖4 每米煤孔抽采量隨時(shí)間變化曲線圖

由圖4可知，割縫孔的單日最大瓦斯抽采純量為16.02 m3，是常規(guī)鉆孔單日最大瓦斯抽采純量（10.1 m3）的1.59 倍。通過(guò)擬合抽采量隨時(shí)間的變化曲線可以得出割縫鉆孔、常規(guī)鉆孔的流量衰減系數(shù)α分別為0.031 d-1、0.096 d-1，割縫鉆孔流量衰減速度要遠(yuǎn)慢于常規(guī)鉆孔，鉆孔的有效抽采時(shí)間得到了顯著的延長(zhǎng)。

在已知了初始瓦斯抽采量q0和流量衰減系數(shù)α的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)式（2）積分可得t=+∞時(shí)，割縫孔的每米極限抽采量為300 m3，而常規(guī)鉆孔每米極限抽采量為105.17 m3，采用水射流割縫工藝后鉆孔極限抽采量提升了近2倍。因此可推斷：由于割縫鉆孔間存在明顯的應(yīng)力疊加，導(dǎo)致煤體在不同方向上產(chǎn)生了變形破壞，促使裂隙衍生，瓦斯流動(dòng)通道增多，卸壓增透效果顯著[5]。

3.3 考察單元預(yù)抽率對(duì)比分析

圖3為分別在三組考察單元內(nèi)布設(shè)6個(gè)瓦斯含量檢測(cè)鉆孔（每單元的1#、2#測(cè)孔分別考察割縫鉆孔與常規(guī)鉆孔布置區(qū)域的殘余瓦斯含量值），在試驗(yàn)區(qū)域連續(xù)抽放5個(gè)月后，通過(guò)定點(diǎn)取芯法測(cè)定殘余瓦斯含量，已知11號(hào)煤層原始瓦斯含量為14.46 m3/min，可計(jì)算出各考察單元的瓦斯預(yù)抽率，計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 殘余瓦斯含量值與瓦斯預(yù)抽率統(tǒng)計(jì)表

由表3 可知，在5 個(gè)月的抽采時(shí)間段內(nèi)，常規(guī)鉆孔無(wú)一實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)，且瓦斯含量下降幅度較小，而三組考察單元內(nèi)的割縫鉆孔均能實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)，說(shuō)明煤層鉆孔割縫后可以使煤體卸壓范圍明顯增加。由于8 m、10 m 孔間距割縫鉆孔瓦斯預(yù)抽率要顯著高于12 m 孔間距鉆孔，故可認(rèn)為11 號(hào)煤層水射流割縫鉆孔的最優(yōu)布孔間距為10 m。

根據(jù)煤礦原有的抽采設(shè)計(jì)，每6 m 施工一組鉆場(chǎng)，則試驗(yàn)區(qū)域120 m范圍的鉆孔工程量為3 132 m。采用水射流割縫技術(shù)后，每10 m施工一組鉆場(chǎng)，試驗(yàn)區(qū)域范圍內(nèi)鉆孔工程量為1 381 m，施鉆總工程量減少56%，縮短工期的同時(shí)也節(jié)約了成本。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)低透氣性強(qiáng)突煤層煤質(zhì)松軟、容易塌孔等特點(diǎn)提出了后退式旋轉(zhuǎn)水射流割縫方案，并在此基礎(chǔ)上研制了鉆割一體化技術(shù)裝備。

（2）割縫壓力控制在30～35 MPa，單根鉆桿鉆割時(shí)間為45 min 左右時(shí)煤體擾動(dòng)體積可達(dá)20.92 m3，充分的卸壓空間為煤巷的快速消突創(chuàng)造了有利條件。

（3）采用水射流割縫卸壓增透技術(shù)后，單孔的極限瓦斯抽采量提高了近2倍，工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間至少縮短了7個(gè)月，抽采效果得到了顯著提升。

（4）通過(guò)考察分析得出割縫鉆孔的最優(yōu)布孔間距為10 m，而常規(guī)鉆孔的布孔間距僅為6 m，水射流割縫技術(shù)大大降低了抽采鉆孔工程量，為煤礦節(jié)約了治災(zāi)成本。