穿層樹狀鉆孔煤層增透技術在深部礦井的應用試驗

張瀾濤

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000)

隨著礦井開采深度增加、應力增高，進一步降低了煤層的透氣性系數(shù)，礦井瓦斯治理的“瓶頸”問題日益突出[1]。首山一礦所主采的己組煤具有地應力高、瓦斯含量高、滲透率低和煤層單一的特點[2]。煤與瓦斯突出是首山一礦煤層開采所面臨的重要挑戰(zhàn)。

對于深部單一低透氣性煤層，瓦斯抽采是最為有效的防突措施之一[3]。在深部單一煤層增透理論和技術方面，我國學者進行了大量研究[4]。目前，煤層卸壓增透技術主要有水力壓裂、水力割縫和深孔爆破等[5]。申晉[6]等基于有限元數(shù)值模擬研究了高壓水作用下煤層裂縫的擴展延伸規(guī)律；張寅[7]等在義馬礦區(qū)開展了高壓水力壓裂試驗。趙陽升[8]等通過室內(nèi)1∶1大煤樣的實驗方法對水力割縫提高瓦斯在煤層的滲流速度和瓦斯抽放效率進行了研究；周廷揚[9]等在寧夏礦區(qū)汝箕溝煤礦開展了高壓水割縫強化抽采試驗。徐偉[10]采用了數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法對高瓦斯低透煤層松動爆破的有效影響范圍進行了研究；吳小明[11]等為了預防淮南礦區(qū)石門揭煤中發(fā)生的突出災害，對深孔松動爆破進行了現(xiàn)場試驗。上述煤層增透技術，在單一煤層消突方面具有較好的效果。但目前瓦斯預抽增透技術依然存在抽采有效半徑較小、布孔密集、鉆場控制范圍小、勞動強度高等缺點。由于首山一礦己組煤層透氣性低，為了提高抽采效率，首山一礦急需一種抽采半徑大的新技術。穿層樹狀鉆孔以自進式鉆頭進行分支孔的鉆進，采用割煤泄壓的方式對主孔周邊深部煤體進行增透，并形成樹狀抽采網(wǎng)絡，具有降低鉆孔的密集程度，增大鉆孔控制范圍的優(yōu)勢。因此，在首山一礦開展穿層樹狀鉆孔的應用試驗，對提高深部單一煤層的透氣性，確保礦井的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 穿層樹狀鉆孔鉆進原理

穿層樹狀鉆孔采用自進式水力噴射樹狀鉆進工藝，其增透原理為[12-15]：首先，在煤層低位巷施工穿層鉆孔，作為樹狀鉆孔的主孔；然后，將轉(zhuǎn)向器推進到主孔的煤孔段；最后，分支鉆頭沿轉(zhuǎn)向器的軌道進入煤層進行自行鉆進，形成樹狀鉆孔的分支孔。改變轉(zhuǎn)向器的方向和在鉆孔中的位置，可以形成由主孔和多個分支孔構成的樹狀抽采網(wǎng)絡。通過分支鉆孔來提高主孔的泄壓抽采影響范圍，增加主孔徑向深部煤體的透氣性，從而提高單孔瓦斯抽采量，減少鉆孔的施工個數(shù)。穿層樹狀鉆孔鉆進技術如圖1所示。

圖1 穿層樹狀鉆孔鉆進技術

1.1 抽采影響半徑模擬分析

瓦斯抽采過程中，鉆孔布置的一個重要依據(jù)是鉆孔的抽采半徑。目前，一般將抽采半徑劃分為抽采有效半徑和抽采影響半徑。對于深部低透煤層，由于煤層透氣性太差，抽采有效半徑太小，一般采用抽采影響半徑指導鉆孔的布置。

為了探討穿層樹狀鉆孔對煤層透氣性的影響，在不考慮煤層賦存傾角影響的條件下。分別構建水力沖孔鉆孔和穿層樹狀鉆孔的幾何模型，模型尺寸為15m×15m×15m，模型中間部分為煤層，煤層傾角為0°，厚度為2m；水力沖孔鉆孔和樹狀鉆孔的主孔直徑均為75mm，穿層樹狀鉆孔分支孔的深度為5m、孔徑為0.05m，共設計4個分支鉆孔。幾何模型如圖2所示。

圖2 水力沖孔鉆孔和樹狀鉆孔幾何模型

模型底部邊界設為固定約束，四周邊界約束水平位移，上部邊界按上覆巖重力加載12.5MPa壓力，且模型具有體荷載。煤層及其四周邊界的瓦斯壓力均按初始瓦斯壓力值2.16MPa進行設定，鉆孔邊界瓦斯壓力值設為一個標準大氣壓。

選取平頂山礦區(qū)某煤層物理力學參數(shù)進行研究。其中，巖層的彈性模量10GPa、泊松比0.25、密度2500kg/m3，煤層物理參數(shù)取值見表1。

表1 煤層物理參數(shù)表

采用COMSOL數(shù)值仿真軟件進行模擬，分別得出預抽90d時，在水力沖孔鉆孔和穿層樹狀鉆孔抽采條件下煤層的滲透率分布和瓦斯壓力分布，如圖3、圖4所示。

圖3 煤層滲透率分布

圖4 煤層瓦斯壓力分布

由圖3可以看出，水力沖孔鉆孔增透區(qū)域主要沿鉆孔軸向分布，沿鉆孔切向滲透率迅速衰減為煤層原始滲透率。穿層樹狀鉆孔泄壓增透區(qū)域可以擴大到子孔的控制范圍，高透煤層的體量大幅增加，但是煤層滲透率在穿層樹狀鉆孔兩端的應力集中區(qū)呈現(xiàn)相對減小的趨勢。

從圖4可以看出，水力沖孔鉆孔與穿層樹狀鉆孔瓦斯壓力下降幅度較大區(qū)域均為位于距鉆孔中心較近區(qū)域，隨著煤體距鉆孔中心距離的增加，瓦斯需要克服的流動阻力增大，離鉆孔中心較近區(qū)域瓦斯?jié)B流速度較大，煤層瓦斯壓力出現(xiàn)大幅下降；在同等抽采時間下，水力沖孔鉆孔的抽采影響半徑小于穿層樹狀鉆孔的，表明穿層樹狀鉆孔可以顯著地改善煤層瓦斯流動狀況、促進瓦斯運移。

2 應用試驗

2.1 工作面概況

試驗地點在首山一礦的己15-17-12110工作面抽放巷，該工作面位于井田己二采區(qū)下延東翼上部第一個區(qū)段，緊鄰己二采區(qū)己15-17-12090工作面下面布置。工作面西靠-760水平運輸大巷及己二采區(qū)下延三條下山，東部鄰近礦井53勘探線，北面緊鄰該采區(qū)己15-17-12090工作面運輸巷，以南尚未開采。己15-17-12110工作面設計走向長度為1550m，傾向長度為260m，采面回采己15-17煤層，可采儲量282.1萬t。己15-17-12110工作面所采煤層的厚度比較穩(wěn)定，結構較為單一。己15-17煤層厚度4.0～4.7m，平均厚度為4.5m，煤層為合層狀態(tài)。煤層傾角變化較大，一般在3°～13°左右，平均7°，在采面切眼附近煤層傾角較緩，在采面東部煤層厚度較為穩(wěn)定。己15和己16-17煤層均為突出煤層，實測己15-17煤層原始最大瓦斯壓力為1.38MPa，實測煤層最大原始瓦斯含量為10.46m3/t。

2.3.1 精密度試驗 取“2.2.2”項下供試品溶液（編號：S2）適量，按“2.1”項下色譜條件連續(xù)進樣測定6次。以巖白菜素峰的保留時間和峰面積為參照，記錄各共有峰的相對保留時間和相對峰面積。結果，14個共有峰相對保留時間的RSD均小于1%（n＝6），相對峰面積的RSD均小于4%（n＝6），表明本方法精密度良好。

2.2 鉆孔布置方案

在己15-17-12110工作面機巷低抽巷400～600m區(qū)段向煤體施工穿層鉆孔，每組鉆孔沿巷道軸向方向的間距為6m，每組施工7個鉆孔，分為兩排，其中，第一排鉆孔編號為1#、3#、5#和7#，第二排鉆孔編號為2#、4#和6#，排間距均為3m。鉆孔主孔的終孔進入煤層頂板0.3～1.0m，按照類扇形布置，并控制到煤巷輪廓線兩側(cè)各15m，如圖5所示。

圖5 穿層樹狀鉆孔布置示意圖(m)

鉆孔主孔孔徑為94m，分支孔按照兩層四個孔進行布置，分支孔孔徑為0.05m，長度為4m。在鉆孔鉆進過程中，倘若發(fā)生頂鉆、夾鉆、噴孔、煤炮聲等異常瓦斯動力現(xiàn)象時，在該穿層鉆孔的前后各增補1個穿層鉆孔。共設計施工穿層樹狀鉆孔34組，共238孔。鉆孔施工參數(shù)見表2。

表2 穿層樹狀鉆孔施工參數(shù)

2.3 施工流程

穿層樹狀鉆孔施工流程為：①穿層鉆孔開孔；②穿層鉆孔施工至終孔；③成組鉆孔成孔后進行樹狀試驗；④推進轉(zhuǎn)向器，通過鉆桿將其送至煤層；⑤安裝推進機構，開泵，施工該鉆孔煤層的第一層樹狀鉆孔；⑥退1～3根鉆桿后，施工該鉆孔煤層的第二層樹狀鉆孔；⑦對成組鉆孔進行樹狀試驗后打鉆工區(qū)施工下一組穿層孔；⑧對成組進行樹狀試驗的鉆孔封孔；⑨鉆孔實施帶壓封孔。

3 結果考察

3.1 抽采濃度考察

對己15-17-12110工作面低抽巷500m處穿層鉆孔的流量和濃度進行測試、統(tǒng)計與分析。選擇第27組1#、第29組3#和第14組4#三個穿層樹狀鉆孔與對應的水力沖孔鉆孔進行單孔瓦斯抽采濃度對比，結果如圖6—圖8所示。

圖6 27組1#孔瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

從圖6可以看出，第27組1#孔在抽采0～10d瓦斯?jié)舛认陆档乃俣容^大，隨后上升，在24d后鉆孔抽采濃度開始出現(xiàn)明顯衰減，66d后濃度降到最低，主要是由于抽采過程中水對瓦斯抽采效果的影響，13d后水的影響逐漸減小；水力沖孔鉆孔在3d后開始明顯衰減，并在第40d下降到低于10%。

圖7 29組3#孔瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

從圖7可以看出，第29組3#樹狀孔與第27組1#前期相似，同樣是受分支鉆孔鉆進時殘留水的影響，在抽采6d后水的影響逐漸減小，瓦斯?jié)舛戎饾u增加，在27d后鉆孔抽采濃度開始出現(xiàn)明顯衰減，在抽采60d后濃度下降到10%；水力沖孔鉆孔在14d后開始明顯衰減，在36d后降到8%。

圖8 14組4#孔瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

從圖8可以看出，第14組4#樹狀孔在72d后鉆孔抽采濃度衰減到最低；水力沖孔鉆孔瓦斯抽采濃度在抽采40d后已經(jīng)接近10%。

3.2 瓦斯抽采純量考察

在對單個穿層樹狀鉆孔抽采純量進行考察時，同樣采取與其相對應的水力沖孔鉆孔的瓦斯抽采純量進行對比，結果如圖9—圖11所示。

圖9 27組1#孔抽采純量對比圖

從圖9可以看出，第27組1#孔抽采純量整體上高于水力沖孔鉆孔，最高可達13.2m3/d。計算可知，該鉆孔抽采72d時，累計抽采純量為246.68m3(水力沖孔鉆孔抽采44d時，累計抽采純量為92.20m3)。

圖10 29組3#孔抽采純量對比圖

從圖10可以看出，第29組3#孔日抽采純量整體上高于水力沖孔鉆孔，最高可達10.00m3/d。計算可知，該鉆孔抽采71d時，累計抽采純量為376.48m3(水力沖孔鉆孔抽采42d時，累計抽采純量為59.28m3)。

圖11 14組4#孔抽采純量對比圖

從圖11可以看出，第14組4#孔日抽采純量整體基本上高于水力沖孔鉆孔，最高可達14.40m3/d。計算可知，該鉆孔抽采75d時，累計抽采純量為321.53m3(水力沖孔鉆孔抽采48d時，累計抽采純量為91.86m3)。

經(jīng)過計算對比，穿層樹狀鉆孔單孔平均日抽采純量為3.47～5.30m3/d，是水力沖孔鉆孔的1.58～3.66倍。

4 結 論

1)穿層樹狀鉆孔抽采影響半徑大于水力沖孔鉆孔的，可以顯著地改善煤層瓦斯流動狀況、促進瓦斯運移。

2)穿層樹狀鉆孔在深部低透煤層的抽采應用中，平均瓦斯抽采濃度較水力沖孔鉆孔提高了1.30～1.80倍，且高濃度抽采周期延長。

3)穿層樹狀鉆孔單孔平均日抽采純量為3.47～5.30m3/d，是水力沖孔鉆孔的1.58～3.66倍。

4)穿層樹狀鉆孔的分支鉆孔鉆進時殘留的水對鉆孔前期瓦斯抽采效果產(chǎn)生一定的影響。