突出煤層水力沖孔卸壓消突合理出煤率考察研究

郝從猛

(華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層瓦斯是成煤過程中的伴生產(chǎn)物，成分以甲烷為主，并隨著開采的進行釋放到大氣中[1]，排放到大氣中的瓦斯氣體是引起全球溫室效應(yīng)的重要因素之一[2]。另外，煤儲層中的甲烷氣體是誘發(fā)煤與瓦斯突出，引起瓦斯爆炸等事故的源頭[3]。目前，我國高瓦斯礦井占到50%～70%，并且隨著采深增加，煤儲層瓦斯含量和瓦斯壓力也不斷增大，瓦斯治理難度將持續(xù)加大。

由于我國大部分含煤地層成煤過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運動，因此受構(gòu)造破壞的煤層普遍存在，這些煤層具有煤體破碎、煤質(zhì)松軟、滲透性差等特點。據(jù)統(tǒng)計，中國的高瓦斯煤層和突出煤層中95%以上屬于低滲透煤層，滲透率只有10-4～10-3mD，比美國低3～4個數(shù)量級[4, 5]。為了提高煤層滲透性，科研工作者們提出了多種增透措施和技術(shù)。其中，水力沖孔技術(shù)是通過高壓水射流的沖擊將煤體破碎并排出，在煤體內(nèi)部形成大量的孔洞，孔洞周圍應(yīng)力得到釋放，集中應(yīng)力向洞室深部轉(zhuǎn)移，洞室周圍煤體孔裂隙擴展延伸，使沖孔附近煤體卸壓增透，可以有效地提高造穴周圍煤體的滲透率。通過合理控制出煤量和布置造穴的位置可以達到區(qū)域煤體瓦斯高效抽采和大面積快速消突的目的，目前已成為提高松軟煤層滲透率的主要技術(shù)措施[6-8]。

首次應(yīng)用水力沖孔進行煤層瓦斯災(zāi)害治理時，為了科學(xué)的布置鉆孔，需要對控制區(qū)域內(nèi)的煤層卸壓需求進行研究，進而確定控制區(qū)內(nèi)水力沖孔措施的目標(biāo)出煤量，即出煤率。然而，目前在工程現(xiàn)場應(yīng)用時往往缺少對沖孔出煤率的考察及確定，使得施工存在一定的盲目性。本文結(jié)合現(xiàn)場案例，對突出煤層水力沖孔卸壓消突合理出煤率進行研究。

1 水力沖孔煤層卸壓消突機制

1.1 水力沖孔技術(shù)

水力沖孔技術(shù)最早于20世紀(jì)50年代開始作為在突出煤層中消突并掩護煤巷掘進的一種新技術(shù)在北票礦務(wù)局、焦作礦務(wù)局及南桐礦務(wù)局進行實驗應(yīng)用[9]。盡管限于裝備和技術(shù)的落后未能大規(guī)模推廣，但由于其在煤層消突效果上的良好表現(xiàn)引起了廣大學(xué)者足夠的重視，以至于之后幾十年間水力沖孔相關(guān)的研究成果持續(xù)發(fā)表。近幾年，隨著裝備的不斷完善和理論研究的不斷深入，水力沖孔技術(shù)得到了大規(guī)模的發(fā)展和應(yīng)用[10]。目前常用的水力造穴設(shè)備為“鉆沖一體化”裝備，即打鉆、沖孔自由轉(zhuǎn)換而無需更換鉆頭。如圖1(a)所示為目前較為先進的分體式水射流高低壓轉(zhuǎn)換裝置，配合鉆機及高壓水泵站可實現(xiàn)打鉆、造穴的自由轉(zhuǎn)換。沖孔效果如圖1(b)和圖1(c)所示。

圖1 煤層水力沖孔裝置及沖孔效果

1.2 水力沖孔煤層卸壓消突機制

在地應(yīng)力的作用下煤層裂隙閉合，瓦斯處于相對封閉狀態(tài)，鉆孔抽采效果較差。通過水力沖孔可大幅擴大鉆孔直徑，在煤體內(nèi)部形成造穴洞室，洞室周圍煤體受到強烈的應(yīng)力擾動作用，且由于自由面的產(chǎn)生使得煤體裂隙迅速發(fā)育，煤體應(yīng)力重新分布而出現(xiàn)較大的卸壓范圍，在煤體損傷區(qū)域及卸壓區(qū)域內(nèi)，滲透率大幅提高，可在較短時間內(nèi)使煤體殘余瓦斯快速下降，進而消除煤體的突出危險性[11, 12]。

根據(jù)相關(guān)研究成果[13]，水力沖孔周圍煤體的應(yīng)力-滲透性演化可分為三個區(qū)域，通過合理布置鉆孔及造穴出煤量，可以達到煤體快速消突的目的。水力沖孔及煤體應(yīng)力-滲透性演化如圖2所示。按照類型通常分為從底板巖巷中施工穿層鉆孔(如圖2(a)所示)或者煤層巷道中施工順層鉆孔(如圖2(b)所示)進行沖孔造穴。造穴周圍一定范圍內(nèi)的煤體會發(fā)生損傷卸壓及應(yīng)力的重新分布，卸壓區(qū)煤體伴隨滲透率的大幅增高，如圖2(c)所示。

2 水力沖孔合理出煤率考察

2.1 試驗地點及考察流程

選取新景礦3#煤層3215工作面、3216工作面、3107工作面部分巷道進行順層鉆孔水力沖孔試驗。煤層堅固性系數(shù)為0.38～0.52，煤層平均瓦斯含量約為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3 ～2.26 MPa，有較大的煤與瓦斯突出危險性。同時，煤層為較難抽放煤層，瓦斯抽采十分困難，嚴(yán)重制約了煤巷的掘進效率和礦井采掘平衡。

合理出煤率考察過程包括：首先測定考察地點原始瓦斯含量；然后進行鉆孔的施工，期間測量沖孔出煤量及巷道風(fēng)排瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)；之后進行封孔抽采，期間測定瓦斯抽采數(shù)據(jù)，抽采結(jié)束之后進行殘余瓦斯含量的測定；然后進行突出危險性的評價，判定有突出危險性則繼續(xù)采用局部措施進行消突，無突出危險性則進行巷道掘進；最后，統(tǒng)計巷道掘進期間的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)及風(fēng)排瓦斯?jié)舛?。具體流程如圖3所示。

圖2 水力沖孔及其周圍煤體應(yīng)力-滲透性演化示意圖

圖3 出煤量指標(biāo)考察流程圖

2.2 考察結(jié)果分析

2.2.1 出煤率對瓦斯抽采數(shù)據(jù)的影響

統(tǒng)計鉆孔瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量隨鉆孔出煤率的變化關(guān)系如圖4所示。從圖中可知，在煤層瓦斯抽采過程中，掘進工作面的瓦斯抽采濃度和純量均隨出煤率的增加而增加，這說明增加出煤率可以有效地改善煤層的瓦斯抽采效果。但是當(dāng)出煤率大于10‰之后，瓦斯抽采數(shù)據(jù)增加將不再明顯，說明當(dāng)出煤量增加到一定程度后，煤層的瓦斯抽采效果改善程度將降低。此外，瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量數(shù)據(jù)與出煤率之間均可以采用多項式進行擬合，均呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。

圖4 循環(huán)出煤率與瓦斯抽采數(shù)據(jù)的關(guān)系

根據(jù)掘進過程中實測的原始瓦斯含量數(shù)據(jù)，煤層實測的原始瓦斯含量平均為17 m3/t。結(jié)合目標(biāo)殘余瓦斯含量臨界值11.0 m3/t，可知新景礦3#煤層所需要達到的瓦斯抽采率為35.3%。

從圖5可以看出，瓦斯抽采率隨出煤率的增加而增大，根據(jù)瓦斯抽采達標(biāo)指標(biāo)所定的瓦斯抽采率，煤層的出煤率應(yīng)不低于9.2‰。

圖5 循環(huán)出煤率與瓦斯抽采率的關(guān)系

2.2.2 出煤率對殘余瓦斯含量的影響

試驗巷道共進行了19個循環(huán)的水力沖孔瓦斯抽采，在抽采結(jié)束后采用井下直接法對煤層的殘余瓦斯含量進行了測定，每個區(qū)域?qū)崪y的最大殘余瓦斯含量如圖6所示。

圖6 出煤率與殘余瓦斯含量的關(guān)系曲線

從圖中可以看出，殘余瓦斯含量與出煤率呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，出煤率越大，殘余瓦斯含量越低，出煤率越小，殘余瓦斯含量越大。結(jié)合目標(biāo)瓦斯含量臨界指標(biāo)11.0 m3/t，試驗煤層的出煤率應(yīng)達到10‰。

2.2.3 出煤率對鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的影響

圖7 出煤率與殘余瓦斯含量的關(guān)系

2.2.4 出煤率對巷道掘進過程中風(fēng)排瓦斯?jié)舛鹊挠绊?/p>

根據(jù)對多個循環(huán)的風(fēng)排瓦斯統(tǒng)計結(jié)果，不同循環(huán)巷道掘進過程中煤層出煤率與風(fēng)排瓦斯?jié)舛戎g的關(guān)系如圖8所示。從圖中可知，在掘進過程中巷道內(nèi)的風(fēng)排瓦斯?jié)舛入S出煤率的增加而不斷減小。根據(jù)礦井?dāng)嚯娡咚節(jié)舛?.8%的要求，要保證試驗煤層巷道掘進過程中瓦斯?jié)舛炔怀?，其出煤率?yīng)不低于8.2‰。

圖8 出煤率與風(fēng)排瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系

綜合上述指標(biāo)值，在滿足生產(chǎn)的同時保留一定的安全余量，確定試驗煤層宜選用10‰作為卸壓消突出煤率的下限。

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)瓦斯抽采達標(biāo)指標(biāo)規(guī)定的瓦斯抽采率(35.3%)，煤層的出煤率應(yīng)不低于9.2‰；

(2) 在滿足生產(chǎn)的同時保留一定的安全余量，確定試驗煤層宜選用10‰作為卸壓消突出煤率的下限。