林華煤礦可控沖擊波煤層瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù)試驗(yàn)

李明澤 李惠云 羅秀坤

(1.國家電力投資集團(tuán)有限公司，北京市西城區(qū)，100033；2.中國煤炭建設(shè)協(xié)會，北京市朝陽區(qū)，100013；3.國家電投貴州金元林華礦業(yè)有限公司，貴州省畢節(jié)市，551806)

煤炭資源在我國當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)中的地位短期內(nèi)不會動搖，隨著開采深度和開采強(qiáng)度逐漸增加，礦井瓦斯防治難度也在加大。目前礦井常用的瓦斯抽采方式有本煤層鉆孔預(yù)抽、穿層鉆孔預(yù)抽、高抽巷預(yù)抽等，但是上述方法都存在瓦斯抽采時(shí)間長、成本高、鉆孔工程量大、抽采效率低等問題，導(dǎo)致區(qū)域消突周期長、礦井采掘接續(xù)緊張。改善煤儲層條件，提高煤層透氣性是實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采，緩解礦井采掘接替緊張局面的關(guān)鍵所在。經(jīng)過多年的研究，形成了鉆孔深孔預(yù)裂爆破、水力割縫、水力壓裂、二氧化碳爆破致裂等一系列煤層瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù)。然而現(xiàn)有的每種技術(shù)都有其技術(shù)局限性，無法完全滿足礦井瓦斯高效抽采和高效利用的問題。

可控沖擊波是以高功率脈沖技術(shù)為基礎(chǔ)，以電爆炸等離子體驅(qū)動含能混合物所產(chǎn)生?？煽貨_擊波煤層增透技術(shù)是我國自主研發(fā)的煤層增透瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù)。沖擊波通過破裂、撕裂、彈性聲波擾動等方式產(chǎn)生裂縫，實(shí)現(xiàn)提高煤層透氣性的目的。增透效果取決于沖擊波幅值、加載次數(shù)與煤儲層物性的耦合特性，沖擊波幅值與煤層物性的耦合作用決定著沖擊波在煤層中的傳播特性，加載次數(shù)與煤儲層物性的耦合則與煤儲層疲勞效應(yīng)有關(guān)。根據(jù)不同的地質(zhì)條件和煤層特性，選用不同的聚能棒，設(shè)置不同的增透間距、單點(diǎn)增透次數(shù)等以達(dá)到最佳增透效果。目前該技術(shù)已經(jīng)在山西、貴州等地進(jìn)行了初步試驗(yàn)。項(xiàng)目的實(shí)施對于探索適合于林華煤礦瓦斯強(qiáng)化抽采的技術(shù)措施，改善林華煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀，緩解礦井采掘接替緊張局面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井概況

林華煤礦位于貴州省金沙縣境內(nèi)，屬煤與瓦斯突出礦井，礦井主采二疊系龍?zhí)督M9#煤層。9#煤層瓦斯含量大、瓦斯壓力高、透氣性差，實(shí)測+787 m標(biāo)高及以上煤層原始瓦斯含量23.42 m3/t，煤層瓦斯壓力2.15 MPa。林華井田位于金沙—黔西向斜的北西翼，總體呈一向斜構(gòu)造，并有次一級褶曲，井田的構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。井田內(nèi)出露地層從老至新有下二疊統(tǒng)茅口組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組、下三疊系夜郎組及茅草鋪組和第四系，缺失侏羅系、白堊系和第三系。9#煤層直接頂板為粉砂質(zhì)泥巖，往上為粉砂巖或細(xì)砂巖，直接底板為泥質(zhì)粉砂巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

2 可控沖擊波增透技術(shù)

可控沖擊波的定義是作業(yè)區(qū)域和次數(shù)可控，沖擊波產(chǎn)生設(shè)備的輸出窗口限制了沖擊波縱向有效作業(yè)區(qū)域，自然產(chǎn)生對儲層有限區(qū)域的作用，控制沖擊波產(chǎn)生設(shè)備的工作次數(shù)，對有限區(qū)域進(jìn)行反復(fù)作用。煤層既是沖擊波的作用對象，也是傳播沖擊波的介質(zhì)。煤層中的每一個(gè)區(qū)域，因沖擊波作用而改變性質(zhì)或狀態(tài)，消耗部分沖擊波能量，并傳播剩余能量到下一區(qū)域。在鉆孔周圍不同區(qū)域，分別以沖擊波、壓縮波和彈性聲波的模式形成沖擊裂隙帶和沖擊解吸帶?？煽貨_擊波在煤巖層中傳播示意圖見圖1。

圖1 可控沖擊波在煤巖層中傳播示意圖

可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備組成包括防爆電池組、高壓直流電源、儲能電容器、能量控制器、能量轉(zhuǎn)換器。將各部件集成為一個(gè)外徑為90 mm的柱狀剛性整體，作為孔內(nèi)增透設(shè)備，如圖2所示?？淄庠O(shè)備為一臺小型的脈沖電源控制器，用于向孔內(nèi)設(shè)備傳輸工作指令、接收孔內(nèi)設(shè)備反饋的工作狀態(tài)并在人機(jī)交互界面上顯示。

可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備在鉆孔中的工作原理：孔外脈沖電源控制器通過中心通纜式鉆桿與孔內(nèi)設(shè)備建立4.5 V的信號通訊，當(dāng)孔內(nèi)設(shè)備的高壓直流電源接收到孔外脈沖電源控制器的信號指令后，其自身攜帶的100 V防爆電池組開始向儲能電容器充電，當(dāng)儲能電容器儲存的電能達(dá)到能量控制器的工作閾值時(shí)，儲能電容器儲存的電能經(jīng)能量控制器傳遞給能量轉(zhuǎn)換器；在能量轉(zhuǎn)換器中，放電電流迅速使金屬絲加熱、汽化、電離，將電能和化學(xué)能(物質(zhì)的內(nèi)能)轉(zhuǎn)換成液體中的機(jī)械能――脈沖沖擊波能量?？煽貨_擊波增透設(shè)備工作原理如圖3所示。

圖2 可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備示意圖

圖3 可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備工作原理圖

3 工程試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)條件

本次試驗(yàn)鉆孔位于林華煤礦一采區(qū)1091運(yùn)輸巷上幫，距離1091運(yùn)輸巷開口處150 m。試驗(yàn)點(diǎn)煤層平均厚度約2.3 m，傾角8°，層位穩(wěn)定，屬低中灰～中高灰、特低硫～高硫分、中低～特高熱值無煙煤。煤層相對瓦斯壓力2.05 MPa，瓦斯含量23.42 m3/t，瓦斯放散初速度指標(biāo)△pmax=4.3996 kPa，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.35～1.7，煤的吸附常數(shù)a=33.369 m3/(t·r)，b=1.768 MPa-1；透氣性系數(shù)為0.05～7.17 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.064～0.165 d-1，屬較難抽采～可以抽采煤層。

3.2 鉆孔布置和增透參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)鉆孔順煤層鉆進(jìn)，開孔高度1.5 m，開孔傾角12°，增透鉆孔孔深67 m，孔徑133 mm，封孔長度9 m，下入內(nèi)徑108 mm護(hù)孔篩管67 m。在可控沖擊波增透鉆孔后方每隔3 m施工考察鉆孔，考察孔孔深100 m。鉆孔布置如圖4所示。增透作業(yè)完成后對增透鉆孔和后方相鄰鉆孔進(jìn)行抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

圖4 鉆孔布置剖面示意圖

可控沖擊波增透作業(yè)設(shè)計(jì)增透區(qū)間為孔深57～30 m，作業(yè)點(diǎn)分別為57 m、48 m、39 m、30 m，單點(diǎn)作業(yè)次數(shù)8次，采用后退式作業(yè)方式。

3.3 試驗(yàn)流程

可控沖擊波增透作業(yè)流程：地面調(diào)試沖擊波增透作業(yè)設(shè)備→運(yùn)輸下井→沖擊波產(chǎn)生裝置入孔→與脈沖電源控制器接通→封閉試驗(yàn)孔孔口→鉆機(jī)對孔內(nèi)注水→清點(diǎn)工作面撤離人數(shù)→作業(yè)前檢查鉆孔及巷道瓦斯→電源通電→沖擊波增透作業(yè)。

準(zhǔn)備工作完成后，按照設(shè)計(jì)增透參數(shù)完成鉆孔增透作業(yè)。在孔深57 m、48 m、39 m、30 m處分別作業(yè)8次，共計(jì)32次。增透作業(yè)參數(shù)見表1。

表1 增透作業(yè)參數(shù)表

4 增透效果分析

4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測

沖擊波增透完成后分別對增透鉆孔和考察鉆孔瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測，如圖5所示。在102 d的抽采期內(nèi)，增透鉆孔瓦斯平均抽采純量為0.06 m3/min，增透鉆孔孔深67 m，封孔深度9 m，計(jì)算的百米鉆孔瓦斯抽采量為0.10 m3/(min·hm)?？煽貨_擊波增透鉆孔里側(cè)7個(gè)觀察孔的瓦斯平均抽采純量為0.061 m3/min，觀察孔孔深100 m，封孔深度24 m，計(jì)算的百米鉆孔瓦斯抽采量為0.08 m3/(min·hm)。

4.2 抽采效果分析

1091運(yùn)輸巷內(nèi)常規(guī)鉆孔孔深100 m，封孔深度24 m，平均日抽采瓦斯純量為24.48 m3/d(0.032 m3/min)，計(jì)算的百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.04 m3/(min·hm)，可見可控沖擊波增透鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽采純量為常規(guī)鉆孔的2.5倍，增透區(qū)域內(nèi)觀察鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔的2.0倍。

圖5 可控沖擊波增透鉆孔抽采數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)論

(1)相較于水力割縫、深孔預(yù)裂爆破等鉆孔瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù)，可控沖擊波具有作業(yè)點(diǎn)位、單點(diǎn)作業(yè)次數(shù)、作業(yè)能量精確可控的技術(shù)優(yōu)勢。

(2)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，可控沖擊波增透鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔的2.5倍，增透區(qū)域內(nèi)觀察鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔的2.0倍。

(3)可控沖擊波增透技術(shù)在煤礦瓦斯強(qiáng)化抽采領(lǐng)域應(yīng)用尚處于起步階段，本次只進(jìn)行了1個(gè)鉆孔的增透作業(yè)，且鉆孔增透段有限，因此還需要做進(jìn)一步的研究。