水力造穴增透技術(shù)在余吾煤業(yè)的應(yīng)用

李 云

(山西潞安集團余吾煤業(yè)公司，山西省長治市，046103)

我國多數(shù)煤層具有非均質(zhì)、高瓦斯、低滲透率和低含氣飽和度等特點[1]。針對高瓦斯低滲透煤層，采用常規(guī)的抽采方法難以達到高效抽采的目的，有效增加煤層的滲透率成為提高礦井瓦斯抽采效率的主要技術(shù)途徑[2]。改變煤層滲透率的方法主要分為力學(xué)方法和物理化學(xué)方法兩大類。力學(xué)的方法主要有開采保護層、密集鉆孔、卸壓帶抽采、高壓水射流增透、高能氣體壓裂等；物理化學(xué)的方法主要有超聲波、水力震動、表面活性劑、惰性氣體置換等[3]。

近年來，水力造穴技術(shù)作為一項取材便捷、成本低廉的水力化措施在高瓦斯煤層中得到廣泛應(yīng)用。2018年，潞安礦區(qū)在12座高瓦斯礦井全面推廣應(yīng)用了水力造穴增透技術(shù)。

1 礦井概況

余吾煤業(yè)是潞安集團的一座高瓦斯礦井，礦井核定生產(chǎn)能力750萬t/a，礦井絕對瓦斯涌出量達440 m3/min，抽采瓦斯量240 m3/min ，瓦斯抽采率54.5%。主采的3#煤層平均煤厚6.06 m，透氣性系數(shù)0.1460～1.0938 m2/(MPa2·d)，屬于可抽放煤層。余吾煤業(yè)主要采用順層鉆孔本煤層抽采方式，鉆孔間距2.5 m，臨近切眼附近300 m范圍經(jīng)常采用加密鉆孔布置方式，鉆孔間距1.25 m，在打孔過程中容易出現(xiàn)串孔、卡鉆等現(xiàn)象。鉆孔布置工程量大、高效抽采時間短、抽采效率低是制約工作面采前預(yù)抽的關(guān)鍵問題。

2 技術(shù)原理與設(shè)備

2.1 技術(shù)原理

水力造穴主要利用高壓水力射流[4]，通過對煤層進行擴孔造穴，增加煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓，為瓦斯釋放和流動創(chuàng)造良好條件，洞穴周圍煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性[5]。

水力造穴可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，緩和了煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可削弱或消除動力影響，又可提高煤層的強度、煤層透氣性和瓦斯釋放能力[6-7]，水力造穴原理如圖1所示。

圖1 水力造穴技術(shù)增透原理示意圖

2.2 技術(shù)設(shè)備

余吾煤業(yè)水力造穴采用河南鐵福來公司的水力造穴一體化設(shè)備[8]，主要包括ZDY4500LXY-A履帶式液壓鉆機、BQWL200/31.5-XQ200/12清水泵站、KFS-50/11礦用振動篩式固液分離機、?73 mm高壓密封螺旋鉆桿、?113 mm金剛石復(fù)合片鉆頭、高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置、打鉆三防裝置。水力造穴成套設(shè)備裝配圖如圖2所示。

(1)高壓水泵。高壓水泵型號為BQWL200/31.5-XQ200/12履帶式清水泵站。輸出壓力25 MPa，公稱壓力31.5 MPa，容積1200 L，瓦斯流量200 L/min，額定功率75 kW。

(2)振動篩。采用型號為KFS-50/11礦用振動篩式固液分離機。煤水混合物進入振動篩箱體后，煤隨著篩網(wǎng)的振動從出煤口排出，水聚合在出水管從出水口排出。

(3)高壓水刀。高壓水刀，即高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置，該裝置通入低壓水時從鉆頭前端出水，滿足打鉆要求；通入高壓水時從裝置兩側(cè)噴頭產(chǎn)生高壓水射流進行造穴作業(yè)，噴嘴直徑3.5 mm。

1-BQWL200/31.5-XQ200/12高壓清水泵站；2-ZDY4500LXY-A履帶式液壓鉆機；3-高壓密封鉆具；4-打鉆三防裝置；5-膠筒；6-高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置；7-煤水分離器圖2 水力造穴成套設(shè)備裝配圖

3 技術(shù)改進與優(yōu)化

余吾煤業(yè)水力造穴鉆孔前期按照間距5.0 m布置，后期調(diào)整至4.0 m，開孔高度1.8 m，鉆孔均為仰角，造穴壓力20 MPa，造穴范圍為31～119 m，穴洞間距8.0 m/穴，造穴煤量1.0 t/穴。造穴施工采用“后退式”施工工藝，即鉆孔成孔后邊退鉆邊造穴，在退鉆至不同孔位依次進行造穴。

(1)鉆孔間距調(diào)整。2018年水力造穴試驗期間，鉆孔間距均按照5.0 m布置，后期考慮到鉆孔深度均為150 m，鉆孔120 m以里范圍內(nèi)無造穴增透措施，2019年開始將鉆孔的造穴孔間距由5.0 m縮小至4.0 m，以縮小未造穴孔段間距。

(2)造穴孔位調(diào)整。前期試驗階段鉆孔的造穴范圍為31～119 m，造穴間距8.0 m/穴，每孔造穴12個，相鄰鉆孔的造穴位置位于鉆孔同一深度，處于同一平行線上，加之鉆孔間距縮小，造穴孔串孔現(xiàn)象較多。為此，將單一的“平行式”布置改變?yōu)椤敖诲e式”布置，將相鄰鉆孔的空穴位置在孔內(nèi)交錯開，擴大水力造穴鉆孔增透范圍，使造穴孔段布置更加均勻，提高順層鉆孔的整體抽采效果。具體為：奇數(shù)號孔造穴孔段為31～120 m，偶數(shù)號孔造穴孔段為35～124 m，每穴間距均仍為8.0 m。

(3)改用“后退式”造穴。2018年5月N1105回風(fēng)巷自S2#孔采用“前進式”造穴，試驗至S6#鉆孔，最大深度僅為85 m，頻繁出現(xiàn)夾鉆掉鉆問題，前期施工的11個鉆孔，出現(xiàn)夾鉆鉆孔5個。為了解決鉆孔成孔深度不足、夾鉆掉鉆問題，采用“后退式”造穴進行試驗，即鉆孔施工至設(shè)計深度后，再退鉆至設(shè)計位置進行造穴，依次對80 m、90 m、100 m、110 m、120 m造穴深度進行了試驗，最大造穴深度提升至120 m。試驗鉆孔的造穴參數(shù)見表1。

表1 不同造穴深度鉆孔造穴參數(shù)

(4)高壓鉆桿的改進。N1105回風(fēng)巷施工水力造穴過程中，煤體松軟破碎，塌孔現(xiàn)象嚴重，造成夾鉆事故3次。為此，將過去采用的淺螺紋肋骨鉆桿更換為三棱高壓鉆桿進行排渣，增大了鉆進排渣能力，有效減緩了夾鉆掉鉆現(xiàn)象。水力造穴高壓鉆桿改進如圖3所示。

圖3 水力造穴高壓鉆桿改進

(5)視頻驗收造穴出煤量。為保證水力造穴的施工效果，每次造穴出煤量必須達到要求。前期驗收出煤量需要安排技術(shù)人員現(xiàn)場跟班，出煤量達到1.0 t/穴給予驗收，出煤量不合格的不予驗收。多班次連續(xù)施工占用現(xiàn)場跟班人員較多，為了減少人工投入，余吾煤業(yè)引進了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，配套制作了固定容積的量煤箱進行煤量驗收。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

余吾煤業(yè)自2017年10月開始進行水力造穴試驗，先后在N1103膠帶巷、N1105膠帶巷完成34個造穴鉆孔試驗。2018年5月開始正式推廣使用，先后在S5206膠帶巷、N1105回風(fēng)巷、S3102膠帶巷、S5101膠帶巷和S5101回風(fēng)巷完成482個鉆孔，截至目前累計完成水力造穴鉆孔516個，覆蓋巷道范圍2380 m，出煤量逾3700 t。總結(jié)出造穴壓力20 MPa，造穴時長30 min/穴，造穴間距8 m，單穴煤量1.0 t的施工參數(shù)。余吾煤業(yè)水力造穴鉆孔施工統(tǒng)計情況見表2。

4.1 水力造穴鉆孔瓦斯流量衰減變化規(guī)律

因水力造穴施工地點較多，為分析水力造穴鉆孔的瓦斯流量和瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律[9-10]，特選取具有代表性的N1105回風(fēng)巷鉆孔進行對比分析。N1105回風(fēng)巷水力造穴鉆孔瓦斯純量變化規(guī)律如圖4所示。

表2 余吾煤業(yè)水力造穴鉆孔施工統(tǒng)計

圖4 N1105回風(fēng)巷水力造穴鉆孔瓦斯純量變化規(guī)律

由圖4可以看出，以上8個鉆孔成孔深度均為155 m，造穴9～12個，單孔出煤量8～12 t。鉆孔觀測時間最長7個月。最大鉆孔抽采純量為0.24 m3/min，抽采60 d后瓦斯流量衰減至平穩(wěn)值，穩(wěn)定在0.068 m3/min。

為對比水力造穴鉆孔與普通鉆孔的抽采瓦斯流量變化，在N1105回風(fēng)巷選取與造穴孔同期成孔的4個普通鉆孔進行了瓦斯流量的對比，見表3。

4個對比孔最長觀測時間為4個月，普通鉆孔的瓦斯流量變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 N1105回風(fēng)巷普通鉆孔瓦斯純量變化規(guī)律

4個普通鉆孔的平均深度為155 m，最大純量為404#孔0.075 m3/min，平均抽采純量為0.026 m3/min?？梢钥闯?，普通鉆孔的衰減較快，抽采20 d后瓦斯流量衰減至平穩(wěn)值。

選取抽采時間與成孔深度相對一致的水力造穴孔與普通鉆孔進行對比，水力造穴鉆孔的最大抽采純量為0.24 m3/min，是普通鉆孔0.075 m3/min的3.2倍；水力造穴鉆孔平均抽采純量為0.068 m3/min，是普通鉆孔的2.3倍；高效抽采時間是普通鉆孔的3.0倍。

表3 N1105回風(fēng)巷普通鉆孔成孔參數(shù)

4.2 水力造穴鉆孔瓦斯?jié)舛人p變化規(guī)律

為分析水力造穴鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，特對以上選取鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律進行了分析。N1105回風(fēng)巷水力造穴鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律如圖6所示。

由圖6可知，8個造穴鉆孔中有4個鉆孔抽采4個月后出現(xiàn)緩慢下降趨勢，其余4個鉆孔在觀測期間無明顯下降趨勢，均為高瓦斯?jié)舛葼顟B(tài);鉆孔的平均瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在72.2%左右，高瓦斯?jié)舛瘸椴蓵r間保持較長。

為對比水力造穴鉆孔與普通鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，特對普通鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律進行了分析，如圖7所示。

圖6 N1105回風(fēng)巷水力造穴鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

圖7 N1105回風(fēng)巷普通鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

由圖7可知，普通鉆孔除405#孔外，抽采4個月內(nèi)鉆孔瓦斯?jié)舛葻o較大變化，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?2.8%；說明普通鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛认鄬^低，但高瓦斯?jié)舛瘸椴蓵r間與水力造穴鉆孔無明顯差別。

4.3 巷道整體效率提升

(1)鉆孔成孔深度增大。水力造穴鉆孔采用水鉆施工，排渣效果好，能夠邊造穴邊卸壓，2018年5月水力造穴推廣使用后，各地點的鉆孔成孔深度得到大幅度提升，平均增加深度57.5 m，有效保證了鉆孔覆蓋煤體范圍。造穴前后鉆孔成孔深度對比如圖8所示。

(2)巷道支管瓦斯?jié)舛忍嵘?。水力造穴后鉆孔煤壁暴露面積增大，次生裂隙增加，煤層透氣性獲得改善，高瓦斯?jié)舛韧咚钩掷m(xù)抽采時間較長，巷道支管瓦斯瓦斯?jié)舛入S之得到提升，平均抽采瓦斯?jié)舛忍嵘?3.1%，造穴前后巷道抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ热鐖D9所示。

圖8 造穴前后鉆孔成孔深度對比

(3)巷道鉆孔萬米抽采量提升。為比較鉆孔抽采效率的變化，對選取鉆孔的萬米抽采量進行了對比，水力造穴后巷道鉆孔萬米抽采量平均提升0.75 m3/(min·萬米)。造穴前后巷道鉆孔萬米抽采量對比如圖10所示。

圖9 造穴前后巷道抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

圖10 造穴前后巷道鉆孔萬米抽采量對比

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

余吾煤業(yè)通過不斷嘗試和探索，對水力造穴的施工工藝和參數(shù)進行了有益改進和優(yōu)化，形成了一套適合3#煤層的水力造穴施工參數(shù)。

(1)根據(jù)余吾煤業(yè)自身應(yīng)用存在的問題，對鉆孔間距、造穴孔位、造穴順序、鉆桿型號、驗收管理方式等進行了改進和優(yōu)化。

(2)余吾煤業(yè)累計完成水力造穴鉆孔516個，平均單孔抽采純量0.068 m3/min，是普通鉆孔的2.3倍，高效抽采時間是普通鉆孔的3.0倍。

(3)水力造穴鉆孔的平均瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在72.2%左右，比普通鉆孔瓦斯?jié)舛雀?0%，鉆孔抽采4個月后瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)衰減，高瓦斯?jié)舛瘸椴蓵r間保持較長。

(4)推廣使用水力造穴后，鉆孔成孔深度增加57.5 m，巷道支管瓦斯?jié)舛忍嵘?3.1%，巷道鉆孔抽采量平均提升0.75 m3/(min·萬米)，有效提高了采前預(yù)抽孔抽采效率。

5.2 展望

余吾煤業(yè)在水力造穴推廣使用中取得了一定的效果，但是還有許多不足需要繼續(xù)深入研究。

(1)俯孔條件下水力造穴成孔與排渣工藝需進行深入研究。余吾煤業(yè)對負角度鉆孔水力造穴進行了試驗，但造穴孔抽采量低于普通鉆孔，出現(xiàn)了大量煤堵水堵現(xiàn)象。今后需要探索新型排渣工藝，對負角度鉆孔水力造穴排渣技術(shù)進行攻關(guān)。

(2)增大水力造穴最大深度。余吾煤業(yè)的順層鉆孔設(shè)計深度一般在150 m左右，但是目前最大造穴深度為124 m，因設(shè)備能力問題，124～150 m范圍鉆孔無法增透，余吾煤業(yè)將不斷優(yōu)化設(shè)備和施工工藝，增大水力造穴的深度。