導向槽定向水力壓穿防突技術研究及應用

閆萬俊，任仲久，樊志剛

(1.山西汾西中興煤業(yè)有限責任公司，山西 呂梁 030500； 2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

隨著煤礦的開采深度加大，瓦斯壓力、瓦斯含量不斷增大，突出危險性增加。對于透氣性系數(shù)低、煤質松軟的煤層，通過強化措施來增加煤層的透氣性，能大幅提高瓦斯抽采效率[1]。近年來大量的科研實踐證明，水力割縫和水力壓裂作為增加煤層透氣性的兩項有效技術，在我國煤礦瓦斯災害治理中發(fā)揮著一定的作用[2]。

中興煤業(yè)2號煤層屬于低透氣性煤層，并存在瓦斯壓力高、煤層碎軟、瓦斯衰減快等特點，造成2號煤層瓦斯抽采及消突效果差，嚴重制約了礦井的安全生產(chǎn)。針對以上難點，本文提出通過射流深穿透射孔技術預設導向槽和布置控制鉆孔實現(xiàn)定向水力壓裂，并將壓裂孔與控制孔之間壓穿，達到增加煤層透氣性、提高抽采效果的目的。為實現(xiàn)對煤層預置導向槽，需研究適合中興煤業(yè)2號煤層的預置導向槽施工工藝和導向槽定向水力壓穿技術參數(shù)。

1 導向槽定向水力壓穿增透機理

美國的Bruno博士等學者[3]通過物理實驗研究了孔隙壓力對裂縫擴展的影響，并取得了一定的成績。通過把3個呈三角形分布的圓孔布置在一塊巖板上，如圖1(a)所示，對一個孔注入恒定油壓，使其周邊一定范圍內的巖石介質達到飽和，再對另一個孔施加逐漸增大的油壓，而對第三個孔不加任何干擾，在非對稱孔隙壓力梯度下使巖板發(fā)生宏觀破壞。該實驗對孔隙壓力對裂縫擴展的影響展示比較清晰。楊天鴻[4]等學者利用滲流耦合數(shù)值模型，研究了滲透性巖石非對稱孔隙壓力分布情況下裂縫擴展的機制，也得出同樣的結論，數(shù)值模擬結果如圖1(b)所示。

圖1 非對稱孔隙壓力下數(shù)值試驗與物理實驗對比

2 導向槽定向水力壓穿工藝參數(shù)研究

影響導向槽定向水力壓穿增透防突效果的因素可以分為工藝參數(shù)和煤的基礎條件兩種類別[5-7]。第一種影響因素工藝參數(shù)一般指泵壓、流量、噴嘴設計參數(shù)、鉆孔布置參數(shù)等影響導向槽定向水力壓穿的實施效果；第二種影響因素主要是對煤層賦存、頂?shù)装鍘r性、地質構造、地應力等與煤層地質相關的因素[8-10]。本文主要優(yōu)化泵的噴頭噴嘴類型及鉆孔布置參數(shù)。

2.1 噴頭噴嘴選型

根據(jù)實驗室試驗結果得出的高壓旋轉水射流噴嘴的最優(yōu)結構參數(shù)，結合現(xiàn)場試驗用高壓泵的工作參數(shù)，設計出了三種高壓旋轉水射流擴孔噴嘴組合，并進行了現(xiàn)場用噴嘴的加工。

由噴嘴壓降和流量的關系公式：

式中，ΔP為噴嘴壓降，MPa；Q為通過噴嘴的流量，L/s；ρ為流體密度，g/cm3；dne為噴嘴當量直徑，cm；C為噴嘴流量系數(shù)，其值與噴嘴結構有關，越大越好，此處取0.9～0.95。

代入現(xiàn)場試驗高壓泵的銘牌參數(shù)，由式(1)算出當量直徑dne=3.06mm，再由式(2)可以推算出噴嘴直徑和噴嘴個數(shù)。

式中，di為噴嘴直徑，cm；z為噴嘴個數(shù)。

由式(2)可計算出：在前述泵壓及流量條件下，可采用直徑為1.7mm的三個噴嘴或直徑為2.2mm的兩個噴嘴安裝在噴頭上，實現(xiàn)高壓旋轉水射流預置導向槽。

2.2 鉆孔布置

2.2.1 鉆孔個數(shù)

根據(jù)導向槽定向水力壓穿增透消突技術原理，應當將高壓水射流鉆孔、割縫(或擴孔)形成裂隙作為實現(xiàn)目的的關鍵一環(huán)。每組試驗鉆孔一共由8個鉆孔組成，分別是1個預置導向槽割縫鉆孔、5個控制鉆孔和2個壓裂孔，如圖2所示。各鉆孔均沿不同的傾角施工，鉆孔穿過4+5號煤層及2號煤層，最終打至2號煤層頂板以上1m處。

圖2 鉆孔布置圖

2.2.2 控制孔與壓裂鉆孔見煤點間距

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，順層鉆孔或穿層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯的區(qū)域防突措施的鉆孔應當控制整個開采塊段的煤層。因此，應該考察水力擴孔(壓裂)影響半徑和常規(guī)鉆孔抽采影響半徑，保證各控制鉆孔與水力擴孔(壓裂)鉆孔見煤點間距應小于水力擴孔(壓裂)鉆孔影響半徑、常規(guī)鉆孔抽采影響半徑之和，無空白區(qū)域。

3 工程應用

3.1 工程概況

中興煤業(yè)瓦斯治理底板巖巷位于三采區(qū)西翼，北面為北翼瓦斯治理巷，南面為三采軌道大巷，東面為馬莊風井，西面為瓦斯治理底板巖巷延伸方向，如圖3所示。瓦斯治理底板巖巷沿K3砂巖底部巖層(砂質泥巖)掘進，該巖層位于山西組下部，5號(4+5)煤下10m左右，煤厚在5.5～7.5m，巖層為灰色砂質泥巖，含植物碎屑化石，半堅硬。是井田較穩(wěn)定地段，巖層工作面大部分穩(wěn)定，巖層傾角為0°～10°，平均傾角6°。預抽巷頂板巖層由下至上依次為3.29m厚細粒砂巖，3.71m厚砂質泥巖，1.6m厚細粒砂巖，1.59m厚泥巖；底板由上至下依次為6.82m厚L5灰?guī)r，0.5m厚6號上煤線。

圖3 試驗地點位置圖

3.2 導向槽定向水力壓穿防突裝備

導向槽定向水力壓穿防突裝備由高壓水泵(RBW200/31.5型)、高壓旋轉接頭(耐壓40MPa)、高壓水射流鉆桿(耐壓50MPa)、高壓水射流噴頭和噴嘴、高壓膠管、閥門、封孔器、壓裂鋼管及封孔材料等部分組成。

3.3 水力割縫和壓裂鉆孔布置

根據(jù)試驗地點瓦斯治理底板巖巷的布置情況和項目研究需求，共布置4組試驗鉆孔，其中，割縫鉆孔4個，壓裂鉆孔8個，控制孔20個；常規(guī)對比鉆孔10個。瓦斯治理底板巖巷導向槽定向水力壓穿增透鉆孔布置如圖4所示。穿層鉆孔施工參數(shù)見表1。

圖4 瓦斯治理底板巖巷導向槽定向水力壓穿增透鉆孔布置圖

1)壓裂鉆孔孔徑94mm。采用水力壓裂封孔材料或者膨脹水泥封孔。具體封孔方式為：采用“兩堵一注”封孔膠囊封住封孔段兩端，封孔段中部帶壓注入封孔材料。

表1 穿層鉆孔施工參數(shù)

2)割縫鉆孔布置在巷幫穿層中，鉆孔距巷道底板1.8m，孔徑94mm，割縫完成后連接到抽采系統(tǒng)進行抽采。

3)常規(guī)鉆孔施工后，連接到抽采系統(tǒng)進行抽采。

3.4 增透試驗過程

在2018年12月26日至2019年1月14日期間，利用1#至32#鉆孔，開展了導向槽定向水力壓穿技術試驗。把1#至32#共分為4組，1#～8#、9#～16#、17#～24#、25#～32#，對6#鉆孔的2號煤層及4+5號煤層進行了割縫，分別割出煤量0.65t和1.5t，對14#鉆孔的2號煤層及4+5號煤層進行了割縫，分別割出煤量0.6t和1.52t，對30#鉆孔的2號煤層及4+5號煤層進行了割縫，分別割出煤量0.6t和1.48t，然后對1#、3#、6#、9#、11#、14#、17#、19#、30#鉆孔進行了水力壓裂，試驗參數(shù)見表2。

表2 瓦斯治理底板巖巷壓裂試驗參數(shù)

由表1可以看出，割縫鉆孔6#、9#、11#在2號煤層中平均割出煤量為0.62t，割縫鉆孔6#、9#、11#在4+5號煤層中平均割出煤量為1.5t。

水力割縫段鉆孔可近似看作圓柱體，為了計算方便，也將經(jīng)水力割縫后的煤層段近似看作圓柱體，則可得出割縫后鉆孔直徑D的計算公式：

式中，W為割縫過程中出煤重量，t；ρ為煤的密度，取 1.38t/m3；d為鉆孔直徑，取113mm；h為煤層厚度，2號煤層取1.85m，4+5號煤層取4.5m。

根據(jù)式(3)計算得出，2號煤層和4+5號煤層內割縫后鉆孔直徑分別為568mm，566mm。

3.5 抽采效果分析

實驗鉆孔1#～32#與常規(guī)鉆孔33#～43#的瓦斯抽采濃度和流量對比曲線如圖5所示，從圖5可以看出，從1月3日采取壓裂作業(yè)后，1#～32#鉆孔的瓦斯抽采濃度介于36.9%～55.4%之間，平均為42.4%；瓦斯抽采流量介于0.017～0.028m3/min，平均為0.021m3/min。而常規(guī)鉆孔33#～42#鉆孔的平均瓦斯抽采濃度介于5.4%～38.5%之間，平均為15.4%；瓦斯抽采流量介于0.007～0.017m3/min，平均為0.011m3/min。因此可以得出采取增透作業(yè)鉆孔的平均瓦斯?jié)舛仁浅Ｒ?guī)孔的2.75倍，瓦斯抽采流量是1.91倍。

圖5 實驗鉆孔與常規(guī)鉆孔的瓦斯抽采濃度和流量對比曲線

4 結 論

1)采用三維旋轉水射流預置導向槽后，穿層鉆孔煤層段直徑擴大至566～568mm。

2)實施導向槽定向水力壓穿作業(yè)鉆孔的平均瓦斯?jié)舛仁浅Ｒ?guī)鉆孔的2.75倍，其瓦斯抽采流量是常規(guī)鉆孔1.91倍。

3)實施導向槽定向水力壓穿作業(yè)鉆孔的平均瓦斯抽采純流量是常規(guī)鉆孔的5.33倍。