松軟煤層煤巷掘進(jìn)條帶瓦斯治理技術(shù)研究

黃旭超

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

新疆艾維爾溝礦區(qū)2130煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，所開采的4號(hào)煤層為松軟、低透氣性突出煤層。由于煤層滲透率低，抽采鉆孔成孔效果差，導(dǎo)致常規(guī)技術(shù)治理煤層瓦斯的效率較低，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)接續(xù)。因此，利用可靠的先進(jìn)技術(shù)提升煤層透氣性和鉆孔成孔率[1-2]，提高鉆孔利用率及瓦斯抽采效率，縮短瓦斯治理時(shí)間，成為4號(hào)煤層煤巷條帶瓦斯高效抽采亟待解決的技術(shù)難題。

定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備自“十一五”期間以來取得了長(zhǎng)足發(fā)展，基于井下定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采技術(shù)和配套裝備已在貴州、山西、淮南等地成功應(yīng)用。瓦斯抽采技術(shù)和裝備日漸成熟，目前已廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采領(lǐng)域，具有鉆孔軌跡可控，能有效提高鉆孔成孔率、利用率及瓦斯抽采率，降低鉆孔施工成本的優(yōu)勢(shì)[3-10]。

高壓水力壓裂技術(shù)具有能擴(kuò)展煤層裂隙、提高煤層透氣性、驅(qū)替瓦斯、改變應(yīng)力場(chǎng)、抑塵等作用，是改造煤儲(chǔ)層性質(zhì)的重要技術(shù)手段之一，為低滲透性突出煤層煤巷條帶瓦斯治理提供了一條安全、快捷的新途徑。該技術(shù)已在我國(guó)部分大中型煤礦成功應(yīng)用，正在被大范圍推廣應(yīng)用，應(yīng)用效果良好[11-20]。筆者以2130煤礦4號(hào)煤層煤巷條帶瓦斯抽采為研究對(duì)象，利用千米定向鉆機(jī)施工長(zhǎng)鉆孔，根據(jù)4號(hào)煤層賦存情況和頂?shù)装鍘r層情況開展低滲透性突出煤層煤巷條帶定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂及抽采試驗(yàn)，以期為新疆艾維爾溝礦區(qū)及具有相似地質(zhì)條件的礦井瓦斯治理提供借鑒。

1 煤層概況

2130煤礦為煤層群開采，4號(hào)煤層為主采煤層，大部分可采、賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單—中等，含0～2層粉砂巖夾矸。煤層走向近東西，傾角37°～42°，平均厚度2.8 m，埋深約540 m，與上部3號(hào)煤層間距為15.66～28.15 m，平均約21.29 m，與下部5號(hào)煤層間距為17.00～54.00 m，平均約33.70 m。4號(hào)煤層頂板大部分為粗砂巖，局部夾中砂巖，底板為深灰—灰黑色粉、細(xì)砂巖。4號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)如表1所示。

表1 4號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)

4號(hào)煤層24223綜采工作面運(yùn)輸巷開口標(biāo)高為+1 971 m，巷道揭開煤層后以-5°的坡度施工135 m后落平至+1 960 m水平，巷道沿4號(hào)煤層頂板布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 350 m，沿中腰線掘進(jìn)，斷面為斜梯狀，寬4.0 m，截面面積12.5 m2。低滲透性突出煤層煤巷條帶定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂抽采試驗(yàn)選在24223綜采工作面運(yùn)輸巷0～450 m段，走向長(zhǎng)450 m，傾向長(zhǎng)40 m。

2 煤巷掘進(jìn)條帶瓦斯治理

2.1 施工設(shè)備

采用ZYWL-6000DS型煤礦用履帶式全液壓千米鉆機(jī)施工定向長(zhǎng)鉆孔，該鉆機(jī)設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度大于1 000 m，額定輸出轉(zhuǎn)矩為6 000～1 600 N·m，額定輸出轉(zhuǎn)速為0～210 r/min，給進(jìn)起拔力最大為 160 kN；采用BYW315/55型高壓泵組，實(shí)施定向長(zhǎng)鉆孔井下水力壓裂試驗(yàn)。

2.2 定向長(zhǎng)鉆孔

2.2.1 定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)

在4號(hào)煤層集中運(yùn)輸石門內(nèi)施工定向鉆孔鉆場(chǎng)，距離4號(hào)煤層底板約25 m。在4號(hào)煤層底板設(shè)計(jì)4個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔(主孔)，通過主孔向煤層施工穿層梳狀分支孔，1號(hào)和4號(hào)鉆孔控制運(yùn)輸巷道輪廓線上方20 m范圍，2號(hào)和3號(hào)鉆孔控制運(yùn)輸巷道軸線標(biāo)高及下方12 m范圍，定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。定向鉆孔轉(zhuǎn)彎半徑較大，靠近鉆場(chǎng)附近存在100 m左右范圍的空白帶，待長(zhǎng)鉆孔施工完畢后在此區(qū)域補(bǔ)充普通短鉆孔。

表2 定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2 定向長(zhǎng)鉆孔施工

4個(gè)主孔和17個(gè)分支孔總長(zhǎng)度為3 229 m，見煤段總長(zhǎng)度約為848 m。定向長(zhǎng)鉆孔竣工軌跡如圖1所示,定向長(zhǎng)鉆孔竣工參數(shù)見表3。

圖1 定向長(zhǎng)鉆孔竣工軌跡平面圖

表3 定向長(zhǎng)鉆孔竣工參數(shù)

2.3 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂

2.3.1 水力壓裂施工

水力壓裂方式包括主孔段、分支孔段及全孔段整體壓裂。采用壓裂鋼管和封隔器對(duì)3號(hào)、4號(hào)鉆孔封孔并連接管路、設(shè)備，在壓裂過程中對(duì)注水壓力與流量的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過在鉆孔孔口安裝壓力傳感器對(duì)孔內(nèi)壓力的變化情況實(shí)施遠(yuǎn)距離精確監(jiān)測(cè)；通過安裝在泵注管路系統(tǒng)中的流量計(jì)對(duì)流量及壓裂液累計(jì)注入量實(shí)施監(jiān)控。定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂參數(shù)如表4所示。

表4 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂參數(shù)

2.3.2 保壓壓裂及排水

水力壓裂操作完成后，及時(shí)關(guān)閉孔口壓裂管上的高壓閥門進(jìn)行保壓，驅(qū)使孔內(nèi)高壓水繼續(xù)壓裂擴(kuò)展裂隙形成煤體裂隙網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)孔內(nèi)高壓水壓力降低至起裂壓力時(shí)，高壓水仍然會(huì)通過煤體裂隙出現(xiàn)濾失，使得水壓持續(xù)下降。保壓3 d期間分析孔內(nèi)壓力變化情況，結(jié)果表明：孔內(nèi)水壓變化呈現(xiàn)前期快速下降，中期緩慢下降，后期基本不變的特征。保壓 3 d 后，鉆孔內(nèi)水壓降低至1 MPa左右。保壓結(jié)束后通過控制高壓閥門開啟度控制排水速度，使其緩慢排出，防止鉆孔壁失穩(wěn)坍塌，影響瓦斯抽采效果。

3 應(yīng)用效果

3.1 瓦斯抽采效果

鉆孔排水結(jié)束后，立即將鉆孔并入瓦斯抽采系統(tǒng)抽采瓦斯。抽采期間初始瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù)，下同)在30%以上，純瓦斯流量約為2.5 m3/min；隨后由于抽采負(fù)壓的作用，鉆孔內(nèi)排水量增大，瓦斯?jié)舛冉抵?5%左右，純瓦斯流量約為1.5 m3/min，日抽采瓦斯純量約為1 000 m3；抽采5個(gè)月后，抽采支管路瓦斯?jié)舛燃s為12%，純瓦斯流量約為 0.5 m3/min，日抽采瓦斯純量約為720 m3，累計(jì)抽采瓦斯純量為105 891 m3。定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯純量變化情況如圖2所示。

圖2 定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯純量變化曲線

3.2 水力壓裂效果

此次水力壓裂的效果及壓裂影響范圍以煤體中的含水率為評(píng)價(jià)依據(jù)，水分超過原始含水率表明煤體已受水力壓裂影響，煤體處在壓裂影響范圍內(nèi)。24223運(yùn)輸巷距離開口100 m范圍內(nèi)是定向長(zhǎng)鉆孔的控制空白帶，該范圍未進(jìn)行水力壓裂，不適合作為壓裂效果考察段。在24223運(yùn)輸巷距離開口300、320、340 m處設(shè)置考察點(diǎn)，在各考察點(diǎn)垂直巷道并沿煤層傾向施工順層鉆孔作為水力壓裂考察鉆孔，每個(gè)考察點(diǎn)施工1個(gè)鉆孔，鉆孔傾角42°，每個(gè)鉆孔取4個(gè)煤樣測(cè)試瓦斯含量和含水率，各煤樣含水率如表5所示。

表5 水力壓裂影響范圍內(nèi)煤樣含水率考察情況

24223運(yùn)輸巷4號(hào)煤層原始含水率為0.44%，結(jié)合表5中考察鉆孔的煤樣含水率測(cè)定結(jié)果，可得1#考察點(diǎn)鉆孔中水力壓裂有效影響范圍約為20 m，2#和3#考察點(diǎn)鉆孔的有效影響范圍均為25 m。因此認(rèn)為24223運(yùn)輸巷4號(hào)煤層定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂有效影響范圍約為20 m。

3.3 抽采效果、瓦斯治理成本對(duì)比

定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)在較大范圍內(nèi)對(duì)煤巷條帶瓦斯進(jìn)行超前預(yù)抽，與同等條件下的普通鉆孔相比，其平均抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞髁烤休^大幅度提升，分別為普通鉆孔的2.4倍和4.0倍。瓦斯抽采效果對(duì)比如表6所示。

表6 瓦斯抽采效果對(duì)比

與掘進(jìn)消突巷道治理煤巷條帶瓦斯技術(shù)相比，其經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本均有大幅度降低，分別降低了80%和67%。瓦斯治理時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本如表7所示。

表7 瓦斯治理時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比

4 結(jié)論

1)定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂能夠有效增加煤層的透氣性，提高定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效率。4號(hào)煤層起裂壓力約為13.4～13.7 MPa，注水壓力為14.7～15.2 MPa，壓裂有效影響半徑約為20 m。

2)水力壓裂定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采與傳統(tǒng)瓦斯治理方式相比，抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞髁糠謩e提升了2.4倍和4.0倍，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)所需的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本分別降低了80%和67%。