堅硬厚煤層可控沖擊波增透技術(shù)應(yīng)用

蘇士龍

(華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000)

隨著我國井工煤礦逐漸向深部開采，煤層的非均質(zhì)性、低透氣性、低滲透性及低飽和性[1]等特征更加凸顯，而針對該類型的煤層，常規(guī)的煤層瓦斯抽采技術(shù)手段已經(jīng)不能滿足礦井安全生產(chǎn)的需求，煤層增透已經(jīng)成為制約礦井安全生產(chǎn)的一項技術(shù)難題，為了解決這一技術(shù)“瓶頸”，國內(nèi)外學(xué)者開展了水力壓裂增透技術(shù)[2-6]、水射流增透技術(shù)[7-10]及深部預(yù)裂爆破增透技術(shù)[11-14]等一系列增透技術(shù)措施的研究，并逐漸形成了一套煤層增透技術(shù)理論，但每種增透技術(shù)對煤層的增透效果都有一定的局限性，對于礦井大范圍普及該項增透技術(shù)有一定的難度，如水力壓裂增透技術(shù)通過向煤層注射高壓水以迫使煤層產(chǎn)生新的裂隙，隨著高壓水的持續(xù)注入，新裂隙不斷擴展并進一步溝通原生裂隙，最后形成壓力范圍內(nèi)的裂隙網(wǎng)狀分布，但對于一些松軟煤層存在著壓裂范圍小、產(chǎn)生裂隙容易閉合且增透效果不顯著的問題；水射流增透技術(shù)是通過采用高壓水體以割裂煤體，增大煤體暴露面積，從而增加煤層卸壓空間，促進瓦斯的解吸以實現(xiàn)提高煤層的滲透率，但是該項技術(shù)受限于射流結(jié)構(gòu)的影響，其增透范圍有限；深部預(yù)裂爆破增透技術(shù)是指在抽采鉆孔中采用預(yù)裂爆破的手段在煤層中裂隙，且將鉆孔周圍的原生裂隙相互連接形成裂隙網(wǎng)，從而增加鉆孔的抽采量，但該項技術(shù)實施需要在煤體中布設(shè)大量鉆孔，從而增大了經(jīng)濟投入，加上其造成的安全隱患不易防治，故推廣受到限制。

上述增透技術(shù)均采用外部施加高壓手段(高壓水流、爆破等)直接作用于煤體，使得煤體中大裂隙、孔隙產(chǎn)生破裂，進而相互貫通，從而增大煤體透氣性，但這些技術(shù)尚未徹底解決煤層的透氣性問題，還易造成污染和破壞儲層等一系列問題，基于此，筆者在吉寧煤業(yè)有限公司成功應(yīng)用了一種可控沖擊波增透技術(shù)[15-19]，該項技術(shù)采用一種高頻聲波直接作用于煤儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)煤儲層內(nèi)部微結(jié)構(gòu)抗壓及抗剪強度小于沖擊波的峰值壓力時將會發(fā)生破壞，致使煤儲層中原生微觀裂隙相互連接貫通進而形成宏觀裂隙，達到增透效果，該技術(shù)可作為改善煤儲層透氣性的優(yōu)化措施推動我國煤層氣規(guī)?；_采利用。

1 可控沖擊波增透

可控沖擊波的幅值、沖量可控，作用區(qū)域可控，重復(fù)作用次數(shù)可控。所謂幅值、沖量可控：沖擊波的幅值和作用時間控制在儲層抗壓強度之上、孔壁結(jié)構(gòu)的強度之下；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，自然形成了對儲層有限區(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)域進行反復(fù)作用。

1.1 工作原理

可控沖擊波增透機理：基于脈沖功率技術(shù)，利用脈沖電流或金屬絲在水或其他液體中高壓放電或電爆炸，產(chǎn)生的能量將在局部空間內(nèi)迅速沉淀，并產(chǎn)生大量的離子體，使得整個空間劇烈膨脹，從而推動液體介質(zhì)形成沖擊波。在煤層鉆孔中，沖擊波以柱面波定向作用于周圍煤儲層，煤層既是沖擊波作用的對象，也是傳播沖擊波的介質(zhì)。之后，沖擊波一邊對儲層做功，破壞其結(jié)構(gòu)，同時消耗能量而衰減，一邊傳遞剩余能量到更遠端。

當(dāng)區(qū)域內(nèi)煤體抗壓強度小于沖擊波壓力時，沖擊波將會直接破裂該區(qū)域內(nèi)的煤層，煤層裂隙擴張程度與沖擊波強度及峰值壓力有關(guān)[20]；隨著沖擊波作用區(qū)域的擴大，其沖擊強度及峰值壓力將衰減，最后以沖擊鉆孔為中心，周圍煤體呈現(xiàn)不同的破碎狀態(tài)；通過合理控制沖擊波的強度及峰值壓力保護鉆孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[17]?？煽貨_擊波增透作業(yè)效果如圖1所示。

圖1 可控沖擊波礦井煤層增透作業(yè)示意

1.2 設(shè)備與流程

可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備組成如圖2所示，包括脈沖電源控制器、高壓直流電源、儲能電容器、能量控制器、能量轉(zhuǎn)換器。將高壓直流電源、儲能電容器、能量控制器和能量轉(zhuǎn)換器集成為一個外徑90mm的柱狀剛性整體，作為入孔增透設(shè)備；孔外設(shè)備為一臺小型脈沖電源控制器，用于向入孔設(shè)備傳輸工作指令、接收入孔設(shè)備反饋的工作狀態(tài)并在人機交互面板上顯示。

圖2 可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備示意

增透作業(yè)流程：①利用定向鉆機順煤層施工?133mm的鉆孔；②將沖擊波設(shè)備與中心通纜式鉆桿連接，利用定向鉆機將沖擊波設(shè)備推送至孔底第一個增透作業(yè)點；③借助密封材料嚴格密封鉆孔孔口；④將孔外控制器通過通訊電纜與中心通纜式鉆桿連接，實現(xiàn)孔內(nèi)和孔外設(shè)備的信號通訊；⑤采用通纜式注水器通過鉆桿向孔內(nèi)注入清水，之后孔外控制器接通電源完成作業(yè)參數(shù)設(shè)定；⑥利用定向鉆機將沖擊波設(shè)備回退至孔內(nèi)第2個、第3個、…、第n個作業(yè)點位，直至距離孔口30m位置處在進行封孔作業(yè)，注入清水，開啟電源完成各點位的沖擊作業(yè)，鉆機推送設(shè)備增透作業(yè)如圖3所示。

圖3 鉆機推送設(shè)備增透作業(yè)示意

1.3 單點沖擊波增透原理

由于沖擊波在煤層中傳播時伴隨著能量損耗和衰減，距離鉆孔沖擊波產(chǎn)生設(shè)備距離不同，沖擊波與煤儲層相互作用效果不同，其作用效果演化大致分為三個階段：第Ⅰ破裂煤層作用階段為形成裂縫、溝通鉆孔與更多煤層；第Ⅱ撕裂煤層作用階段以剪切、拉張方式破裂煤層、形成多方向裂隙網(wǎng)路結(jié)構(gòu)；第Ⅲ交剪煤層作用階段為剝離煤粉、疏通滲流通道，強烈消弱毛管力，打開孔喉，促進瓦斯解吸[21]，如圖4所示。

圖4 沖擊波與煤相互作用效果演化

2 工程實踐及效果分析

2.1 礦井概況

吉寧煤業(yè)有限公司吉寧礦隸屬于山西華晉焦煤有限責(zé)任公司，礦井的主采煤層為2#、10#煤層，本文研究的目標(biāo)煤層為2#煤，位于山西組中下部，煤層厚度5.69～7.20m，平均厚度6.22m，為厚煤層，經(jīng)鑒定吉寧礦絕對瓦斯涌出量56.8m3/min，為高瓦斯礦井，因此在煤層投產(chǎn)前必須進行煤層瓦斯預(yù)抽治理，但根據(jù)煤層平均瓦斯含量為8.23m3/t，透氣性系數(shù)為0.023～0.086m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.059d-1，屬較難抽放煤層，因此存在預(yù)抽時間長、抽采率低、工作面瓦斯治理困難等問題，嚴重影響礦井正常生產(chǎn)接續(xù)。

2.2 試驗設(shè)計

試驗地點選擇在吉寧礦2103工作面軌道巷，為了監(jiān)測可控沖擊波對煤層增透效果，設(shè)置了三組試驗鉆孔，分別來分析沖擊波對鉆孔有效半徑范圍的影響、不同程度沖擊波對煤層瓦斯抽采效果的影響及主要考察沖擊鉆孔相互之間的影響，如圖5所示。其中1#、2#、4#鉆孔為第一組試驗鉆孔，通過分析抽采量的變化來考察沖擊波對鉆孔有效半徑范圍的影響；3#、5#鉆孔為第二組試驗鉆孔，通過采用兩個模式的沖擊點數(shù)來分析不同程度沖擊波對煤層瓦斯抽采效果的影響；6#、7#鉆孔為第三組試驗鉆孔，兩鉆孔間距40m，該設(shè)計目的是考察相距40m鉆孔之間的相互影響，進而確定沖擊鉆孔的合理間距。試驗鉆孔布置參數(shù)見表1。

圖5 可控沖擊波鉆孔布置圖

表1 沖擊鉆孔參數(shù)表

可控沖擊波作用于煤體時可擊穿微裂隙，形成彼此聯(lián)通的裂隙網(wǎng)絡(luò)。聚能棒(沖擊彈藥)的威力決定微裂隙發(fā)育程度，但是考慮到安全因素和設(shè)備因素，聚能棒威力不能過大。因此要取得更好的效果，只能選擇增加單點沖擊次數(shù)，擴大裂隙發(fā)育范圍，但單點沖擊次數(shù)在貴州水城使用的主要是3次和5次，考慮到吉寧礦2#煤層屬于硬煤，透氣性很差，因此沖擊試驗參數(shù)設(shè)計時首先采用的是單點5次沖擊和單點6次沖擊。

2.3 沖擊增透后鉆孔抽采效果分析

2.3.1 有效半徑

可控沖擊波作用下，隨著距離的增加煤體裂隙發(fā)育不斷減少，減少到一定程度可視為沖擊范圍結(jié)束，因此在沖擊作業(yè)鉆孔周圍不同距離施工順層鉆孔，可以考察沖擊鉆孔的沖擊有效范圍，故采用第一組的布置方式考察單個沖擊鉆孔沖擊效果影響的有效半徑，采用第三組的布置方式考察相鄰沖擊鉆孔間沖擊效果影響。

1)單個沖擊鉆孔沖擊效果影響。第一組試驗沖擊鉆孔與考察鉆孔布置如圖6所示，鉆孔沖擊效果影響范圍見表2。從表2中可以看出：鉆孔抽采量的增量隨著距離的增加，其影響程度并不是成倍增大而是表現(xiàn)為當(dāng)距離增大到10m時抽采量的增量達到最大值(4.58倍)，隨后增量逐漸減小，在17m位置處考察鉆孔增量為1.39倍，而40m位置的增量為1.49倍。產(chǎn)生以上現(xiàn)象原因為在距離沖擊鉆孔10m的范圍內(nèi)由于可控沖擊波的增透作用使得周圍煤體原生裂隙逐漸擴張并形成一個滲透通道網(wǎng)，在10m處該通道網(wǎng)的裂隙擴張程度達到最大；但隨著距離增加，沖擊波的能量逐漸被消耗，擴張裂隙的效果變差使得抽采量增量降低。綜合考慮抽采時間成本，在40m處抽采量的增量在有限時間內(nèi)不易實現(xiàn)，因此最佳有效半徑為17m位置處。

圖6 第一組試驗沖擊鉆孔與考察鉆孔布置(m)

表2 鉆孔沖擊效果影響范圍

2)相鄰沖擊鉆孔間沖擊效果影響。第三組相鄰沖擊鉆孔抽采量變化如圖7所示。從圖7可以看出：相鄰鉆孔之間影響變化規(guī)律大致分為抽采量負相關(guān)階段和穩(wěn)定增高階段。

圖7 第三組相鄰沖擊鉆孔抽采量變化

抽采量負相關(guān)變化階段：6#與7#沖擊鉆孔在抽采初期(60d之前)由于鉆孔負壓未及時傳遞到煤層各處，煤體內(nèi)的吸附瓦斯還未及時解吸，此時沖擊波作業(yè)造成裂隙導(dǎo)通兩個鉆孔，形成“負壓對拉”，兩個鉆孔抽采量呈現(xiàn)負相關(guān)變化。

抽采量穩(wěn)定高產(chǎn)階段：隨著抽采時間增加，負壓逐漸平衡到煤體各處，吸附瓦斯在負壓的作用下失去吸附平衡，解吸作用明顯加快，瓦斯抽采量增大，隨著流量增大逐漸抵消“負壓對拉”，最終達到穩(wěn)定高產(chǎn)狀態(tài)，而此時，6#鉆孔平均抽采量為0.204m3/min，7#鉆孔平均抽采量為0.46m3/min，兩個鉆孔的抽采情況均優(yōu)于其他鉆孔。說明兩個鉆孔在沖擊作業(yè)時均影響到了對方區(qū)域，造成沖擊效果疊加，對抽采量產(chǎn)生促進作用。

2.3.2 抽采量

在考察可控沖擊波對抽采量的影響時，鑒于工作采動可能對鉆孔抽采量產(chǎn)生影響，本次以第二組(3#沖擊鉆孔、5#沖擊鉆孔)為試驗對象，且3#沖擊鉆孔采用單點5次沖擊的作用模式，而5#沖擊鉆孔采用單點6次沖擊的作用模式，通過監(jiān)測其兩個沖擊孔抽采量變化，在可控沖擊波設(shè)備作用之前兩個孔抽采數(shù)據(jù)顯示3#鉆孔和5#鉆孔單孔平均抽采量分別為0.03m3/min和0.028m3/min，而可控沖擊波設(shè)備啟動之后兩個孔抽采數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 3#沖擊鉆孔和5#沖擊鉆孔抽采量對比圖

從圖8可以看出，在40d之前，5#沖擊鉆孔的沖擊貢獻量明顯優(yōu)于3#沖擊鉆孔，但40d以后兩個鉆孔的沖擊貢獻量差距逐漸縮小，在單次貢獻量方面竟然出現(xiàn)兩個鉆孔基本一致的情況，而此時3#沖擊鉆孔的平均抽采量為0.18m3/min，5#沖擊鉆孔的平均抽采量為0.25m3/min，相較于可控沖擊設(shè)備啟動前抽采量，3#沖擊鉆孔抽采量增加了6倍，5#沖擊鉆孔抽采量增加了8.9倍。由此可知可控沖擊波對于煤層透氣性的增加及瓦斯抽采量的提高有顯著作用，而兩種沖擊鉆孔沖擊模式對于抽采量的提高幅度不同，單點5次沖擊模式與單點6次沖擊模式對于鉆孔周圍區(qū)域產(chǎn)生裂隙能力不盡相同，隨著單點沖擊次數(shù)增加，鉆孔抽采量呈上升趨勢。

2.3.3 抽采達標(biāo)時間

抽采達標(biāo)評判標(biāo)準(zhǔn)中抽采達標(biāo)時間長短直接關(guān)系著礦井生產(chǎn)效率，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)3#沖擊鉆孔(沖擊單數(shù)為5次)抽采達標(biāo)時間為129d，5#沖擊鉆孔(沖擊單數(shù)為6次)抽采達標(biāo)時間為95d，3#沖擊鉆孔與5#沖擊鉆孔的沖擊波作業(yè)前準(zhǔn)備時間(包括沖擊鉆孔施工及沖擊波產(chǎn)生設(shè)備的作業(yè)的時間)為34d，而普通鉆孔(有效半徑為3m)抽采達標(biāo)時間為89d，其施工作業(yè)時間為222d左右，沖擊鉆孔與普通鉆孔抽采達標(biāo)時間對比見表3。

表3 沖擊鉆孔與普通鉆孔抽采達標(biāo)時間的節(jié)約比

相較于普通鉆孔，3#沖擊鉆孔瓦斯抽采時間節(jié)約了47.6%，而5#沖擊鉆孔抽采時間節(jié)約了64%，且當(dāng)沖擊鉆孔的單點沖擊次數(shù)越大時，其抽采達標(biāo)時間節(jié)省越多。

3 結(jié) 論

1)可控沖擊波可破壞煤儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，使煤層宏觀裂縫和微觀裂隙不斷擴展而形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，增強煤儲層滲透性，隨著沖擊距離的增加其作用能量伴隨著損耗而衰減，作用效果演化其大致分為三個階段：第I破裂煤層作用階段、第II撕裂煤層作用階段、第III交剪煤層作用階段。

2)考慮抽采時間成本時，沖擊鉆孔最佳有效影響半徑為17m，當(dāng)兩個相鄰沖擊鉆孔同時沖擊作業(yè)時，出現(xiàn)沖擊效果疊加效應(yīng)，形成抽采量較大的情況，且隨著抽采時間的增加，整體抽采量進入穩(wěn)定高產(chǎn)狀態(tài)；單點沖擊次數(shù)增多時，鉆孔抽采量呈上升趨勢；相較于普通瓦斯抽采鉆孔，沖擊鉆孔抽采達標(biāo)時間最多可節(jié)省64%。

3)吉寧礦的成功經(jīng)驗可向其他礦井推廣，在后期推廣使用中，可設(shè)置一口專門沖擊波增透井，利用可控沖擊波對井下煤層進行長期激勵、擾動，從而實現(xiàn)該沖擊波增透井范圍內(nèi)有效地改造(增透)煤層。