順層鉆孔分段復合水力化增透技術應用研究

程虹銘，寧掌玄，李永明

(1.山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003；2.中國礦業(yè)大學(北京)應急管理與安全工程學院，北京 100083)

煤礦瓦斯嚴重制約著我國煤礦的安全生產，同時它又是一種非常規(guī)清潔能源，受煤層透氣性系數(shù)的影響，治理和開發(fā)煤礦瓦斯效果均不理想。20世紀50年代，我國煤礦開始嘗試水力化增透技術，林柏泉等[1]建立了埋深、瓦斯壓力和水力破裂壓力三者耦合關系，研究分析含瓦斯煤體水力壓裂動態(tài)變化規(guī)律；余陶等[2]分析水力壓裂裂縫擴展方向，并在潘三煤礦試驗穿層鉆孔水力壓裂；袁志剛等[3]建立水力壓裂數(shù)學模型，并用該模型驗證現(xiàn)場水力壓裂效果；劉明舉等[4]研究了水力沖孔防突機理和工藝流程；魏國營等[5]在演馬莊礦試驗了水力掏槽技術，并系統(tǒng)評價了其有效性、適應性和安全性；唐建新等[6]設計了高壓水射流裝置，在白皎煤礦的試驗結果表明，割縫后鉆孔瓦斯抽采率提高了18.8%；王耀鋒[7]研制了三維旋轉水射流擴孔裝，并對其工藝參數(shù)進行了研究，使擴孔效率明顯提高；徐幼平等[8]優(yōu)化鉆割一體化裝置的割縫入射角和割縫方式，在蘆嶺煤礦應用后表明能顯著提高設備割縫能力。以上各單項水力化增透技術各有長處和缺點，如水力壓裂其作用對象是鉆孔壁，對于順層鉆孔有效抽采段長，壓裂很容易在煤層某一薄弱處開裂并沿其擴展，造成壓裂空白帶；水射流擴孔或割縫后煤體卸壓、增透效果明顯，但是影響范圍小，僅有幾米[9]。為取長補短，有學者將單項水力化增透技術搭配起來，取得了良好的效果，如黃炳香等[10]提出預先在孔壁定向割縫，后對其壓裂的定向壓裂技術；王耀鋒等[11]利用預置導向槽，結合水力壓裂實現(xiàn)煤層卸壓增透；邱德才等[12]為增加低滲突出煤層的透氣性，提高煤層瓦斯抽采率，提出“鉆擴一體化+水力壓裂”復合水力化增透技術。

霍爾辛赫煤礦為高瓦斯礦井，設計生產能力3.0 Mt/a，主采3號煤層，煤層平均傾角5°，平均厚度5.65 m，瓦斯含量8.5～10.5 m3/t，不可解吸瓦斯量2.39 m3/t，3號煤層透氣性系數(shù)為2.06×10-4m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.37 d-1，為較難抽放煤層，本煤層采用孔間距為2.5 m的順層長鉆孔預抽，效果較差，如何有效增加3號煤層透氣性、提高瓦斯抽采效果，成為礦方亟需解決的問題?；诖?，借鑒上述水力化增透技術研究成果，本文開展了低滲煤層順層鉆孔分段復合水力化增透技術試驗研究。

1 順層鉆孔分段復合水力化增透技術原理

井下鉆孔抽采瓦斯，一方面受煤層滲透率影響，很難達到預期抽采效果；另一方面施工抽采鉆孔后，孔周一定范圍內應力集中嚴重影響孔周瓦斯流動，形成“瓶塞效應”，降低鉆孔抽采效果[13]。以往研究中認為：水射流割縫可有效利用高壓水噴射作用，在鉆孔壁上形成槽縫，減弱或消除孔周“瓶塞效應”[14]；水力壓裂可借助高壓水使煤層中的弱面張開、擴展和延伸，增加裂隙之間的連通；且水力化措施使煤中水分增加，還可改變煤體的物理力學性質，增加煤體塑性[15]。

順層鉆孔分段復合水力化增透技術融合水力割縫技術和水力壓裂技術兩者作用特點(圖1)：利用專門設備，將柔性鋼管伸入順層長鉆孔一定深度處，高壓水經過特制噴頭打擊孔周煤體；一方面依靠高壓水射流的噴射沖擊力，造成煤體的破碎、掉落，減弱或消除孔周“瓶塞效應”；另一方面在有限的空間內和返出煤渣的堵塞效應下，噴射出的水被“壓入”煤體，擴展并溝通煤體裂隙，增加煤體透氣性并降低煤體強度，達到既噴射又壓裂的目的。相比于穿層鉆孔，順層鉆孔抽采段長，單次水力化增透很難達到理想效果，增透空白帶范圍大。為此，上述復合水力化增透技術需根據(jù)煤層賦存情況設定分段間距，從順層鉆孔孔底依次后退分段實施(圖1)。

圖1 分段定點復合水力化增透技術示意圖

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗設備

試驗采用河南理工大學蘇現(xiàn)波團隊研制的瓦斯抽采孔水力作業(yè)機[16]，它依靠一根柔性鋼管伸入100 m左右的鉆孔，實施水力化作業(yè)，設備包含：水力作業(yè)機、操作臺、水箱、高壓水泵以及相對應的饋電開關等，現(xiàn)場布置如圖2所示。

(注：1-煤層；2-順層鉆孔；3-水力作業(yè)機；4-操作臺；5-水箱；6-高壓水泵；7-饋電開關；8-電纜；9-高壓水管；10-高壓油管。)

借鑒相關穿層鉆孔復合水力化增透技術成果，為試驗前疏通鉆孔，并防治試驗中鉆孔塌孔埋管，選用A、B兩種噴頭，如圖3所示。A噴頭前端設置一個噴嘴，起沖開堵孔段作用，后端設置三個噴嘴，產生的后噴射流將煤體沖出鉆孔，防止集聚壓管；B噴頭側面設三個噴嘴，三個噴嘴產生的高壓水射流打擊煤體，起噴射壓裂作用，后端三個噴嘴仍起防止煤體集聚壓管作用。

圖3 增透試驗噴頭

2.2 現(xiàn)場布置

試驗選在霍爾辛赫煤礦3302工作面，工作面長為200 m，平均厚度為5.0 m，采用長壁后退式低位放頂煤一次采全高的綜合機械化采煤方法，工作面設運輸順槽、回風順槽、輔助進風巷和輔助回風巷四條巷道，且均沿煤層頂板布置。試驗位置為3302工作面回風順槽，巷道斷面為矩形，高2.9 m，寬4.4 m，取靠近聯(lián)絡巷50 m區(qū)域為試驗區(qū)。試驗前在試驗區(qū)每隔10 m測一個瓦斯含量，測定結果分別為10.93 m3/t、9.02 m3/t、10.11 m3/t、8.96 m3/t、9.48 m3/t、9.84 m3/t，取瓦斯含量平均值9.72 m3/t為試驗區(qū)域煤層瓦斯含量。

試驗布置12個鉆孔，共分三組，每組4個鉆孔(其中1個鉆孔作為對比孔，不實施增透措施)，三組鉆孔間距分別為2.5 m、3.5 m、4.5 m，組間距為5.0 m，鉆孔垂直巷道壁施工，鉆孔直徑94 mm，鉆孔施工深度平均100 m，呈“一”字型布置在試驗區(qū)內，鉆孔施工參數(shù)見表1。

表1 鉆孔施工參數(shù)

2.3 試驗工藝

順層鉆孔分段定點復合水力化增透技術現(xiàn)場分兩步實施。第一步疏通鉆孔，采用A噴頭，依靠水射流的“前沖后噴”作用，沖洗鉆孔并防止壓管。

具體步驟：啟動高壓水泵，調整水壓力為5 MPa，液壓作用下推動轉盤將柔性鋼管和噴頭送入鉆孔，沖洗鉆孔。沖洗中緩慢推進，視出煤量調整推進速度，若出煤量大，可停止前進待出煤量減少后繼續(xù)前進，防止壓管；若推進不動，可增大壓力破煤，但壓力不超過20 MPa，直至孔底沖洗完畢退出柔性鋼管。

第二步噴射壓裂復合水力化增透鉆孔。由于順層鉆孔有效抽采段長，采用B噴頭分段噴射壓裂增透鉆孔。

具體步驟：①更換噴頭B，啟動高壓水泵，在5 MPa壓力下，送入孔底后；②在出水順暢的前提下，增加壓力至30～35 MPa，進行噴射壓裂復合水力化增透作業(yè)，根據(jù)出水情況判斷增透時間，不少于5 min；③借鑒現(xiàn)有順層鉆孔布孔間距，且為減少相鄰兩個水力化增透點間的抽采空白帶，取分段間距為2 m，一次增透后在5 MPa壓力下緩慢后退2 m繼續(xù)增透，依次循環(huán)直至距孔口20 m處結束作業(yè)。試驗過程詳細記錄鉆孔單孔出煤量，并根據(jù)試驗情況隨時調整試驗步驟。

3 試驗結果統(tǒng)計及分析

試驗鉆孔單孔累積出煤量見表2。用式(1)計算增透后鉆孔直徑，見表2。在高壓水射流的沖擊力和壓入雙重作用下，增透鉆孔孔徑提高3～4倍，卸壓范圍增大。

表2 增透后鉆孔參數(shù)

(1)

式中：R1為增透后鉆孔半徑,m；R0為鉆孔原始半徑,m；M為單孔累積出煤量,t；γ為煤容重;L為增透長度,m。

增透結束，待鉆孔內水排出，采用囊袋式封孔聯(lián)管抽采，監(jiān)測30 d抽采數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)分析，將測得的數(shù)據(jù)換算成鉆孔單孔日抽采瓦斯純量和單孔累積抽采瓦斯純量，結果統(tǒng)計如圖4所示。

圖4(a)為孔間距2.5 m組，其中，1#鉆孔、2#鉆孔、3#鉆孔為增透鉆孔，4#鉆孔對比鉆孔；圖4(b)為孔間距3.5 m組，其中， 5#鉆孔、6#鉆孔、7#鉆孔為增透鉆孔，8#鉆孔對比鉆孔；圖4(c)為孔間距4.5 m組，其中，9#鉆孔、10#鉆孔、11#鉆孔為增透鉆孔，12#鉆孔為對比鉆孔。可以看出，增透鉆孔的單孔日抽采瓦斯純量較對比鉆孔提升幅度明顯，抽采初期提高3～4倍，且累積抽采30 d后仍能保持日抽瓦斯量不低于5 m3；從單孔日抽采瓦斯純量變化趨勢上可以看出，增透鉆孔抽采20 d內可保持較為穩(wěn)定的單孔日抽采量，后有衰減趨勢，對比鉆孔抽采10 d后有明顯衰減；從單孔累積抽采瓦斯純量可以看出，增透鉆孔30 d單孔累積抽量是對比鉆孔的4～6倍。

圖4 單孔日抽采瓦斯純量及單孔累積抽采瓦斯純量

用式(2)和式(3)計算累積抽采30 d單孔瓦斯抽采率，結果見表3。

表3 單孔瓦斯抽采率(累積抽采30 d)

(2)

(3)

式中：Q可抽為單孔可抽瓦斯量，m3；d為孔間距，m；L為鉆孔長度，m；Q平為煤層平均瓦斯含量，m3/t；Q不可解吸為煤層不可解吸瓦斯量，m3/t；η30為30 d單孔瓦斯抽采率。

增透后30 d單孔瓦斯抽采率提高3～5倍?？组g距2.5 m時，抽采30 d可形成孔間干擾，抽采效果提高較孔間距3.5 m、4.5 m明顯，隨抽采時間的增長，可適當增大增透鉆孔布孔間距。 順層鉆孔分段復合水力化增透技術可有效提高單孔抽采控制范圍，提高鉆孔利用率，增大布孔間距，因此，下一步可重點研究增透后鉆孔的有效抽采半徑，優(yōu)化布孔間距。

4 結 論

1) 順層鉆孔分段復合水力化增透技術在高壓水射流的噴射沖擊和壓入雙重作用下，提高孔徑，溝通近孔壁裂隙網絡，增大卸壓范圍，增透煤層，提高抽采效果。

2) 順層鉆孔分段復合水力化增透技術現(xiàn)場試驗表明：增透鉆孔孔徑提高3～4倍，卸壓范圍顯著增大；單孔日抽采瓦斯純量較對比鉆孔提升幅度明顯，抽采初期提高3～4倍，單孔日抽采瓦斯純量衰減時間由10 d提高到20 d，30 d單孔累積抽量是對比鉆孔的4～6倍。

3) 復合水力化增透后，不同布孔間距鉆孔，30 d單孔瓦斯抽采率提高3～5倍，有效提高了單孔抽采控制范圍，下一步可重點研究增透后鉆孔的有效抽采半徑，優(yōu)化布孔間距。