水力造穴瓦斯治理技術(shù)的研究與應(yīng)用

田大林

中煤集團(tuán)山西有限公司白羊嶺煤礦 山西 晉中 030600

瓦斯作為礦井五大災(zāi)害之一，受復(fù)雜賦存環(huán)境的影響，深井煤層孔隙細(xì)小密集，滲透率低且受高地應(yīng)力影響瓦斯吸附能力強(qiáng)不易解析，瓦斯抽采效果不佳。在開采過程中受強(qiáng)動(dòng)壓影響，瓦斯極易從煤層中解析出來且短時(shí)間內(nèi)造成工作面瓦斯含量激增，存在較大的安全隱患。因此，增大煤層間孔隙，擴(kuò)展煤層間瓦斯運(yùn)移通道，加速煤層吸附瓦斯解析，降低煤層原始瓦斯壓力是提高深井煤層瓦斯抽采效果的主要途徑。

高壓水射流增透技術(shù)作為低透氣性煤層瓦斯治理領(lǐng)域的主要手段，因其適用性強(qiáng)、增透效果好被廣泛應(yīng)用。通過在煤層中布置鉆孔，借助鉆孔深入煤層內(nèi)部，接通高壓水利用水射流對(duì)鉆孔內(nèi)部煤體進(jìn)行切割，破壞鉆孔周圍煤體穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，構(gòu)建圍巖弱結(jié)構(gòu)裂隙擴(kuò)展區(qū)域，改善煤層高應(yīng)力環(huán)境，形成煤層間瓦斯自由運(yùn)移通道，加速煤層吸附瓦斯解析過程。同時(shí)，在高壓水射流的沖擊切割作用下，使鉆孔間煤體擾動(dòng)范圍增大，減小鉆孔布置密度，減小鉆孔施工數(shù)量，有效縮減鉆孔成本進(jìn)而提高瓦斯抽采效率[1]。

1 礦井概況及工作面瓦斯分布規(guī)律

1.1 礦井概況

白羊嶺煤礦隸屬于中煤國投昔陽能源有限責(zé)任公司，位于昔陽縣城南約13km處，北側(cè)為豐匯煤礦，東和南側(cè)為松溪河，井田東西寬約4km，南北長約4.5km，井田面積為12.482km2。礦井核定生產(chǎn)能力1.50Mt/a，15號(hào)煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層。煤層厚度為3.79～5.89m，平均約4.65m。含0～3層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單-復(fù)雜，夾矸巖性為泥巖。頂板為深灰色泥巖及砂質(zhì)泥巖，水平層理，含植物化石，底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖及泥巖。礦井實(shí)測(cè)原始瓦斯含量為4.17～12.99m3/t，瓦斯壓力為0.37～0.54MPa，瓦斯放散初速度為34.7～36.7mmHg，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.52～0.66，煤層破壞類型為Ⅲ類強(qiáng)烈破壞煤。

1.2 工作面回采期間瓦斯涌出量及分布規(guī)律

對(duì)15110綜采工作面進(jìn)行為期10d的瓦斯含量監(jiān)測(cè)，主要涉及頂板鉆孔瓦斯抽采量、高抽巷瓦斯抽采量、采空區(qū)瓦斯抽采量以及本煤層瓦斯抽采量。通過監(jiān)測(cè)可知，采空區(qū)瓦斯抽采量為44.87m3/min，高抽巷瓦斯抽采量為44.5m3/min，二者之和占工作面瓦斯總量的82.92%，工作面上隅角瓦斯含量極易超量，嚴(yán)重影響工作面安全生產(chǎn)，加強(qiáng)瓦斯抽采是15110綜采工作面瓦斯治理的關(guān)鍵所在。而本煤層瓦斯抽采量為3.75m3/min，僅占工作面瓦斯總量的6.93%。煤層透氣性較差，瓦斯吸附能力強(qiáng)不易解析，瓦斯抽采效果不佳。因此，增大煤層透氣性，構(gòu)建煤層間瓦斯自由運(yùn)移通道，加速煤層吸附瓦斯解析過程是確保15110綜采工作面進(jìn)行安全生產(chǎn)的重要保障[2]。

2 高壓水射流“鉆沖-造穴”卸壓增透作用機(jī)理

在煤層中按照一定的間距布置鉆孔，借助鉆孔深入煤層內(nèi)部，安裝擴(kuò)孔器連接高壓力泵站，開啟鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿及擴(kuò)孔器在初始位置進(jìn)行原地鉆動(dòng)，由高壓噴嘴口噴射高壓水射流對(duì)鉆孔內(nèi)部煤體進(jìn)行水里切割，破壞鉆孔周圍煤體穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成大大小小縱橫交錯(cuò)的裂隙。在水的滲透作用及高壓水射流的沖擊切割作用下，圍巖弱結(jié)構(gòu)裂隙縱橫交錯(cuò)相互貫通，形成圍巖弱結(jié)構(gòu)裂隙擴(kuò)展區(qū)域，破壞的煤體碎屑通過水流作用帶出鉆孔，使原本致密完整的煤體出現(xiàn)孔隙，形成煤層間瓦斯自由運(yùn)移通道。

3 水力造穴卸壓瓦斯抽采數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

以白羊嶺煤礦15110綜采工作面為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，運(yùn)用COMSOL-Multiphysics數(shù)值模擬軟件建立長×寬×高=50m×20m×5m三維計(jì)算模型。根據(jù)工作面埋深對(duì)模型上覆巖層施加8.75MPa載荷，模型底部邊界設(shè)定為固定邊界，整個(gè)煤層以無流動(dòng)邊界為條件；按照該礦的抽采負(fù)壓的情況在鉆孔周邊施加相應(yīng)的固定的壓力邊界。在煤層中設(shè)置鉆孔半徑為0.2m、0.3m、0.4m及0.5m等四種瓦斯抽采鉆孔，研究不同水力造穴半徑鉆孔周圍煤體的瓦斯壓力演化規(guī)律。

3.2 水力造穴周圍煤體的瓦斯壓力演化規(guī)律

3.2.1 水力造穴周圍煤體的應(yīng)力分布規(guī)律

在煤層中設(shè)置鉆孔半徑為0.2m、0.3m、0.4m及0.5m等四種瓦斯抽采鉆孔，分別計(jì)算四種不同鉆孔對(duì)周圍煤體應(yīng)力的影響。造穴鉆孔形成之后圍巖原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生明顯的重新分布特征，鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布呈現(xiàn)“蝶形”趨勢(shì)。隨著鉆孔造穴半徑的增大，鉆孔周圍煤體應(yīng)力擾動(dòng)范圍隨之增大，由此說明，水力造穴技術(shù)針對(duì)煤體卸壓具有良好的應(yīng)用效果[7，8]。

3.2.2 水力造穴周圍煤體的瓦斯壓力演化規(guī)律

水力造穴后煤體圍巖應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，圍巖發(fā)生破碎形變，圍巖弱結(jié)構(gòu)裂隙縱橫交錯(cuò)相互貫通，形成圍巖弱結(jié)構(gòu)裂隙擴(kuò)展區(qū)域，使原本致密完整的煤體出現(xiàn)孔隙，形成煤層間瓦斯自由運(yùn)移通道，極大增加了煤體透氣性和孔隙率，對(duì)造穴后瓦斯抽采起到了增透的作用。分別探究鉆孔半徑為0.2m、0.3m、0.4m及0.5m等四種瓦斯抽采鉆孔，抽采時(shí)間為30d、60d、90d及120d時(shí)，造穴造穴洞室周圍煤體的瓦斯壓力分布及演化規(guī)律。實(shí)施水力沖孔造穴措施時(shí)，鉆孔周圍煤體在高水射流的作用下發(fā)生塑性變形，圍巖弱結(jié)構(gòu)裂隙縱橫交錯(cuò)相互貫通，形成圍巖弱結(jié)構(gòu)裂隙擴(kuò)展區(qū)域，進(jìn)一步擴(kuò)展形成卸壓帶。煤層深部的高濃度瓦斯沿著這些裂隙通道流向外部低濃度瓦斯區(qū)域，實(shí)現(xiàn)低透氣性煤層增透作用。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場試驗(yàn)鉆場布置與施工

根據(jù)15110綜采工作面地質(zhì)條件結(jié)合實(shí)際工況，最終確定造穴半徑為0.4m，同組鉆孔間距為8.0m，設(shè)計(jì)3組沖鉆造穴鉆孔，每組3個(gè)，編標(biāo)依次為Z1～Z9，其中3組鉆孔間距依次為6m、5m和4m，沖孔造穴鉆孔布置如圖1所示。為了對(duì)比鉆孔造穴后的增透效果，又在15110膠帶運(yùn)輸下幫煤壁，遠(yuǎn)離Z9造穴鉆孔影響范圍，施工了5個(gè)普通抽采鉆孔，即C1-C5。

圖1 白羊嶺煤礦15110沖孔造穴鉆孔布置圖

4.2 高壓水射流“鉆沖-造穴”一體化技術(shù)的促抽效果

為了直觀體現(xiàn)，順層孔造穴對(duì)瓦斯抽采的作用效果，以每組造穴鉆孔為單位，將每組造穴鉆孔平均每天抽采瓦斯?jié)舛群褪┕さ钠胀ㄣ@孔抽采瓦斯?jié)舛?，分析造穴鉆孔和普通鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比。

經(jīng)過順層孔造穴后，鉆孔周圍的煤體被充分破壞，煤體中的裂隙相互發(fā)育、貫通，煤體中瓦斯流動(dòng)的阻力降低。順層鉆孔經(jīng)過造穴增透后，三組造穴鉆孔抽采瓦斯?jié)舛染?5%～40%之間，而普通鉆孔抽采濃度大多在3%～15%之間。造穴鉆孔的抽采濃度與普通鉆孔的抽采濃度變化曲線形成明顯的分區(qū)，且造穴鉆孔抽采濃度總體上高于普通鉆孔，說明沖孔造穴有利于煤層瓦斯抽采的作用[11-12]。

5 結(jié)論

1）高壓水射流“鉆沖-造穴”一體化技術(shù)改變巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，鉆孔周圍煤體被充分破壞，煤體中的裂隙充分?jǐn)U展發(fā)育相互貫通連接形成卸壓帶，形成煤層間瓦斯自由運(yùn)移通道，煤層透氣性增強(qiáng)，降低煤層瓦斯含量。

2）試驗(yàn)工作面應(yīng)用高壓水射流“鉆沖-造穴”一體化技術(shù)后，造穴鉆孔抽采瓦斯?jié)舛染?5%～40%之間，而普通鉆孔抽采濃度大多在3%～15%之間，瓦斯抽采效率提升約3倍。