大直徑長鉆孔定向水力割縫增抽瓦斯技術(shù)及應(yīng)用

蘇士龍，高海海，郭凡勇，李文剛，衛(wèi)國華，畢德純

(1.山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 042100； 2.遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001)

煤礦瓦斯是我國煤礦重特大災(zāi)害事故的首要致災(zāi)因素，我國80%以上的礦井都具有瓦斯含量高、煤層滲透性低、吸附特性高、煤儲層壓力大、瓦斯抽采量低、抽采成本高等特點(diǎn)[1]，導(dǎo)致瓦斯抽采困難。目前，國內(nèi)外科研人員通常采用密集鉆孔抽放、水力沖孔、加砂致裂預(yù)抽、擴(kuò)大鉆孔直徑等手段來增加煤層裂隙，提高煤層透氣性，以提高瓦斯抽采效率，消除煤層突出危險性。裴昌合等[2]研究了千秋煤礦21121綜放工作面利用大直徑水平長鉆孔抽放瓦斯的技術(shù)方法和效果，得出了采用高位鉆場大直徑水平長鉆孔瓦斯抽放技術(shù)具有抽放流量大，鉆孔利用率高，抽放效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。李艷增[3]利用導(dǎo)向槽和控制鉆孔共同定向作用實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向槽鉆孔與控制鉆孔間煤體的定向水力壓穿，實(shí)現(xiàn)了煤層卸壓和增加煤層透氣性。王念紅等[4]研究了水力割縫前后瓦斯抽放濃度變化以及割縫后巷道內(nèi)的變化，得出水力割縫技術(shù)提高抽放濃度和抽放量的效果明顯。蔡峰等[5]研究了井下煤層水力割縫強(qiáng)化增透技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤層氣的強(qiáng)化增透和抽采，有效地解決了煤層氣抽采的時效性難題,為相似條件下的煤層氣強(qiáng)化抽采提供借鑒。這些技術(shù)在礦井瓦斯治理中發(fā)揮了很好的作用，但并沒有把這幾項(xiàng)技術(shù)系統(tǒng)地結(jié)合起來應(yīng)用，存在割縫結(jié)束后，由于割縫孔內(nèi)水壓高，易發(fā)生噴孔和塌孔現(xiàn)象，不宜直接排水的問題，為此有必要探索新的增透技術(shù)，提高瓦斯抽采效率。

以華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司2107膠帶巷為研究背景，采用大直徑長鉆孔定向水力割縫技術(shù)[6-8]增加煤層透氣性，促進(jìn)瓦斯解吸，通過孔口保壓技術(shù)，保證孔內(nèi)壓力緩慢降低，直至降低至煤層瓦斯壓力后，開始排水作業(yè)。由于水力割縫實(shí)施后增透方向的隨機(jī)性，使應(yīng)力集中無法順利釋放，易誘發(fā)事故。因此，采用定向水力割縫增透技術(shù)[9-10]，來實(shí)現(xiàn)煤層卸壓促進(jìn)瓦斯抽采。

1 試驗(yàn)礦井概況

華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司主要開采層為2#煤層，位于山西組中下部，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層厚度5.69～7.20 m，平均6.30 m，含0～2層夾矸，一般含1層夾石，夾矸厚度0～0.42 m，平均0.24 m，結(jié)構(gòu)簡單。頂?shù)装逡话銥槟鄮r或粉砂巖，泥巖占60%左右，厚度在1.70～3.20 m，底板多為泥巖或粉砂巖，泥巖占60%～70%，厚度2.20～3.50 m，該煤層屬穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。2#煤層絕對瓦斯壓力為0.42 MPa，最大相對瓦斯涌出量21.79 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量137.54 m3/min，煤層透氣性系數(shù)為0.023 008～0.085 813 m2/(MPa2·d)，均小于0.1 m2/(MPa2·d)，原煤瓦斯含量平均8.23 m3/t，屬較難抽放煤層，煤層堅固性系數(shù)f=0.6，屬于高瓦斯礦井。在2107膠帶運(yùn)輸巷取樣，煤樣工業(yè)分析結(jié)果為水分Mad0.82%，灰分Ad36.29%，揮發(fā)分Vdaf20.74%，固定碳FCad42.15%.

2 水力割縫增透機(jī)理

水力割縫技術(shù)主要是利用高壓水射流對鉆孔的煤層段進(jìn)行切割。首先設(shè)計施工鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)利用高壓水射流沿孔對煤體進(jìn)行切割，同時通過高壓水射流鉆桿沿鉆孔軸向移動擴(kuò)大鉆孔煤層段直徑，并利用水流將切割下來的煤體排出孔外，煤層在地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下產(chǎn)生不均勻的變形和破壞，甚至可以使相鄰鉆孔相互貫通，為瓦斯的解吸和流動提供通道。由于高壓水射流強(qiáng)烈的切割、沖擊作用，鉆孔周圍部分煤體被高壓水擊落沖走，形成較深的孔洞空間，增加了煤體的暴露面積，使周圍煤體發(fā)生激烈的位移和膨脹，增加了煤體中的裂隙、改變了煤體的物理性質(zhì)，并導(dǎo)致原始應(yīng)力重新分布；同時伴隨煤體膨脹變形，影響范圍逐漸擴(kuò)大，孔隙增加，透氣性增大，導(dǎo)致較遠(yuǎn)處的瓦斯也不斷地涌向孔道，其結(jié)果是抽出的瓦斯量遠(yuǎn)大于原煤瓦斯量，提高抽放效率，有效降低割縫附近煤體的煤層瓦斯含量。由于鉆孔附近的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，瓦斯含量減小，煤層透氣性增加，從而有效地抽放瓦斯，達(dá)到消除煤與瓦斯突出的作用[11-12].

水力割縫系統(tǒng)是由水箱、高壓水泵、溢流閥、操作臺、鉆機(jī)、分水器、密封鉆桿、一體化鉆頭等組成，水力割縫工藝系統(tǒng)見圖1.

1—水箱 2—高壓水泵 3—溢流閥 4—操作臺 5—鉆機(jī)6—分水器 7—密封鉆桿 8—一體化鉆頭圖1 水力割縫工藝示意圖

3 水力割縫增透技術(shù)應(yīng)用

3.1 水力割縫鉆孔設(shè)計

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司2#煤層2107膠帶運(yùn)輸巷(圖2)，巷道高3 m. 該礦原采用兩排d133 mm，長為200 m的密集鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，采用定向水力割縫技術(shù)。在鉆孔設(shè)計時需要考慮的問題是既要達(dá)到卸壓、增透效果，又要減少鉆孔的數(shù)量降低成本，依據(jù)該巷道沿頂板掘進(jìn)的特征，該實(shí)驗(yàn)鉆孔設(shè)計見圖3.

圖2 試驗(yàn)地點(diǎn)位置圖

圖3 鉆孔布置圖

3.2 試驗(yàn)過程

首先用鉆機(jī)鉆出深150 m、d133 mm的鉆孔，然后將高壓水射流高壓密封專用鉆桿(d73 mm)與高壓水射流專用鉆頭一體化裝置送入孔底，每組鉆孔應(yīng)按照從里到外的順序?qū)︻A(yù)定的割縫位置進(jìn)行割縫。割縫結(jié)束后，采用封孔器封孔。將封孔器用推桿送至鉆孔15 m深處，向封隔器內(nèi)注入高壓水，壓力達(dá)到設(shè)定值后即可開始割縫試驗(yàn)。對所有鉆孔按照抽采鉆孔要求進(jìn)行封孔，封孔長度8 m以上，將鉆孔分別安裝流量計后，接入瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽采效果考察。

4 水力割縫卸壓增透效果分析

為了評估瓦斯抽采效果，2019年7月1日—2019年9月30日，每天測試普通孔、割縫孔瓦斯抽采參數(shù)變化，割縫鉆孔瓦斯抽采參數(shù)變化曲線(由于篇幅原因，僅列出7#與10#鉆孔)見圖4，未割縫孔瓦斯抽采參數(shù)變化曲線(僅列出補(bǔ)2#與補(bǔ)7#鉆孔)見圖5，割縫孔與未割縫孔的相關(guān)參數(shù)見表1，2.

圖4 割縫鉆孔瓦斯抽采參數(shù)變化曲線圖

圖5 普通鉆孔瓦斯抽采參數(shù)變化曲線圖

由表1和表2可知，試驗(yàn)孔平均瓦斯抽采純量0.028 2 m3/min是普通孔平均瓦斯抽采純量0.003 5 m3/min的8.06倍。采用水力割縫后，試驗(yàn)孔平均瓦斯抽采流量0.094 6 m3/min是普通鉆孔平均瓦斯抽采流量0.017 2 m3/min的5.5倍，表明水力割縫后有效增加了煤層透氣性。由此可見，水力割縫效果顯著，具有卸壓增透作用，有助于瓦斯抽采。普通孔與割縫孔平均瓦斯?jié)舛葘Ρ纫妶D6.

表1 割縫鉆孔瓦斯抽采參數(shù)表

表2 普通鉆孔瓦斯抽采參數(shù)表

圖6 普通孔與割縫孔平均瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

由圖6可看出，普通孔30天、60天和91天的平均瓦斯?jié)舛确謩e為25.29%、21.68%、19.84%，而割縫孔在30天、60天和91天的平均瓦斯?jié)舛确謩e為26.74%、26.59%、26.57%. 同普通孔相比，60天后割縫孔瓦斯抽采提高率分別為5.73%、22.65%、33.92%. 由此可見，水力割縫顯著提高了瓦斯抽采效果，具有卸壓增透作用。

5 結(jié) 論

1) 采用水力割縫后平均抽采流量是普通鉆孔的5.5倍，試驗(yàn)孔平均瓦斯抽采純量是普通孔平均瓦斯抽采純量的8.06倍，表明水力割縫有效增加了煤層透氣性。

2) 通過分析瓦斯抽采濃度可以看出，60 d后同普通孔相比，割縫孔瓦斯抽采提高率分別為5.73%、22.65%、33.92%，得出水力割縫后瓦斯抽采濃度增加明顯，表明水力割縫增透促抽瓦斯效果比較顯著。

3) 水力割縫時割出大量煤，煤層暴露面積和卸壓范圍增加，切割排出大量煤炭本身也緩解了煤體的應(yīng)力狀況，為瓦斯抽采提供了有利條件。