高瓦斯碎軟煤層超高壓水力割縫增透機(jī)理及合理技術(shù)參數(shù)研究

廉常軍

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國各大產(chǎn)煤區(qū)在長久的成煤期受到頻繁的地質(zhì)構(gòu)造作用，煤層普遍呈現(xiàn)出透氣性低、瓦斯含量高、瓦斯抽采困難等特征[1-2]，造成瓦斯抽采耗時低效。數(shù)十年來，國內(nèi)眾多學(xué)者對煤層增透技術(shù)展開廣泛研究[3-8]，取得應(yīng)用成果的有水力沖孔、水力壓裂、松動爆破、氣體相變致裂、水力割縫等技術(shù)；其中水力割縫技術(shù)隨著清水泵工作能力的跳躍升級，發(fā)展為割縫壓力達(dá)100 MPa的超高壓水力割縫技術(shù)。已有研究表明，由于煤層物理結(jié)構(gòu)及地質(zhì)賦存條件存在差異，采用超高壓水力割縫時，其增透機(jī)理及合理技術(shù)參數(shù)存在較大差異[9]。本文以云南省大坪礦區(qū)某煤礦開采的C9煤層為試驗(yàn)對象，對高瓦斯碎軟煤層超高壓水力割縫的增透機(jī)理、合理技術(shù)參數(shù)展開研究，并進(jìn)行了工程試驗(yàn)。結(jié)果表明，超高壓水力割縫技術(shù)解決了某煤礦C9煤層的瓦斯治理難題。

1 試驗(yàn)煤礦概況

大坪礦區(qū)某煤礦賦存有C7煤層、C9煤層、C12煤層、C16煤層共計(jì)4層穩(wěn)定可采煤層，目前主要開采C9煤層和C12煤層。其中，C9煤層因碎軟、透氣性低、瓦斯含量高、預(yù)抽達(dá)標(biāo)時間長，造成礦井生產(chǎn)銜接失調(diào)。

試驗(yàn)工作面220901為該煤礦二采區(qū)C9煤層首采工作面，走向長640 m，傾向長110 m，埋深為380～460 m，C9煤層結(jié)構(gòu)及瓦斯參數(shù)見表1。

表1 二采區(qū)C9煤層結(jié)構(gòu)及瓦斯參數(shù)

2 超高壓水力割縫增透機(jī)理研究

2.1 超高壓水力割縫裝備構(gòu)成

GF-100型超高壓水力割縫成套裝備的額定割縫壓力能夠達(dá)到100 MPa，主要包括超高壓清水泵、高壓遠(yuǎn)程操作臺、超高壓軟管、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、淺螺旋耐高壓鉆桿、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、金剛石鉆頭等裝置。

2.2 超高壓水力割縫增透機(jī)理

超高壓水射流在鉆桿旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)下環(huán)形切割孔壁煤體并將煤屑沖排至孔外，形成大半徑扁平縫槽，促使煤體變形、卸壓增透，快速高效地抽采煤層瓦斯，具體原理為：①縫槽擴(kuò)大了鉆孔周邊煤體的暴露面積；②縫槽間隔分布，縫間煤體在地應(yīng)力作用下向縫槽內(nèi)變形移動，促進(jìn)煤體裂隙拓展、形成瓦斯解析、滲流的貫通通道，提高煤體透氣性；③縫槽半徑較大，擴(kuò)大了鉆孔徑向增透煤體的范圍；④縫槽位置可控、可實(shí)現(xiàn)鉆孔周邊煤體均勻變形卸壓[10-11]。

借鑒已有研究[9-10]，推演超高壓水力割縫增透、高效抽采煤層瓦斯的數(shù)學(xué)模型見式(1)～式(3)。

Q=Q1+Q2

(1)

(2)

(3)

式中：Q為割縫鉆孔單位面積瓦斯涌出量，m3/d；Q1為割縫鉆孔單位面積孔壁瓦斯涌出量，m3/d；Q2為割縫鉆孔單位面積縫槽瓦斯涌出量，m3/d；K為割縫鉆孔影響煤體的滲透率，m2；P0為煤層瓦斯壓力，MPa；P1為鉆孔抽采負(fù)壓，MPa；Pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；R1為鉆孔半徑，m；R0為煤層半厚度，m；r為縫槽半徑，m；L為相鄰割縫縫槽間距，m。

鉆孔割縫后，鉆孔周邊煤體的滲透率K可增加數(shù)十倍，縫槽半徑r可達(dá)2.5 m，鉆孔孔壁Q1、縫槽Q2的瓦斯涌出量可顯著增加，且縫槽帶來的裂隙及卸壓的作用，使鉆孔能長時間維持高濃度瓦斯抽采。同時，相關(guān)研究表明[12-15]，水射流在高壓作用下進(jìn)入煤體孔隙能夠封堵瓦斯?jié)B流通道，增加煤體吸附瓦斯能力，進(jìn)而降低煤體的初始瓦斯解吸量及鉆屑瓦斯解析指標(biāo)，減小采掘期間落煤瓦斯涌出量，消除煤層的突出危險(xiǎn)性。

3 超高壓水力割縫合理技術(shù)參數(shù)研究

試驗(yàn)煤礦的二采區(qū)C9煤層采用雙翼布置，C9煤層運(yùn)輸上山布置在采區(qū)中間處，其右側(cè)為220901工作面，左側(cè)為C9煤層原始區(qū)。本次在C9煤層運(yùn)輸上山左幫垂直布置4個間距為10 m、孔深為70 m的順層鉆孔，依據(jù)割縫過程中呈現(xiàn)的排屑、瓦斯、夾鉆等狀況，對C9煤層合理的割縫壓力等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考察，具體方案見表2。

表2 C9煤層超高壓水力割縫合理技術(shù)參數(shù)實(shí)驗(yàn)考察方案

3.1 割縫壓力確定

Ⅰ號鉆孔按照表2中的固定條件，由孔底向孔口依次割縫，割縫壓力分別為85 MPa、80 MPa、75 MPa、70 MPa、65 MPa、60 MPa，割縫期間鉆孔呈現(xiàn)出來的排屑、夾鉆等狀況見表3。綜合表3分析，確定C9煤層合理割縫壓力為75 MPa。

3.2 單縫割縫時間、單縫排屑量、縫槽半徑確定

Ⅱ號鉆孔使用75 MPa割縫壓力、10 m縫槽間距割縫，發(fā)現(xiàn)單縫割縫5～6.5 min后，孔口排渣量顯著減小，返水顯著變清，據(jù)此確定C9煤層單縫合理割縫時間為7 min。Ⅲ號鉆孔使用75 MPa割縫壓力、10 m縫槽間距、7 min單縫割縫時間割縫，發(fā)現(xiàn)單縫排渣量為0.34～0.38 t；割縫7 min時孔口返水清澈，排渣量幾乎沒有，據(jù)此確定C9煤層單縫合理排屑量為0.36 t。Ⅲ號鉆孔割縫完畢后，使用鉆孔窺視儀對Ⅲ號鉆孔的6道縫槽進(jìn)行寬度探測，結(jié)果分別為35.4 mm、34.2 mm、27.7 mm、29.4 mm、30.2 mm、27.6 mm，平均寬度為30.7 mm，對縫槽空間形狀進(jìn)行圓餅假設(shè)，依據(jù)單縫排屑量、縫槽寬度，經(jīng)理論計(jì)算C9煤層縫槽半徑約為1.66 m。

3.3 縫槽間距確定

Ⅳ號鉆孔使用75 MPa割縫壓力、7 min單縫割縫時間，由孔底向孔口依次割縫，縫槽間距分別為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m，割縫期間鉆孔所呈現(xiàn)得排屑、夾鉆等狀況見表4。綜合表4分析，確定C9煤層合理縫槽間距為5.0 m。

表3 不同割縫壓力下割縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 不同縫槽間距下割縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 工業(yè)試驗(yàn)及效果考察

4.1 試驗(yàn)方案

在220901工作面運(yùn)輸巷布置2組順層平行預(yù)抽瓦斯鉆孔，分別為割縫組和普通組，具體說明見表5。割縫組鉆孔首先使用本文第3部分考察確定的合理割縫技術(shù)參數(shù)進(jìn)行割縫，單孔割縫14個，相鄰鉆孔交叉割縫，鉆孔割縫完畢后及時下管、封孔、接抽；普通組鉆孔施工到設(shè)計(jì)深度后退鉆，及時下管、封孔、接抽。 割縫組和普通組的鉆孔布置如圖1所示。

表5 超高壓水力割縫增透試驗(yàn)方案

4.2 效果考察

4.2.1 抽采瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量對?/p>

割縫組和普通組作為兩個獨(dú)立的抽采單元，各單元匯總氣流中瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞髁繖z測數(shù)據(jù)如圖2所示。 由圖2可知：割縫組預(yù)抽瓦斯?jié)舛茸兓秶鸀?3.6%～46.7%、平均為60.2%，瓦斯純量變化范圍為1.69～0.77 m3/min、平均為1.23 m3/min；普通組預(yù)抽瓦斯?jié)舛茸兓秶鸀?2.3%～13.8%、平均為28.1%，瓦斯純量變化范圍為0.68～0.22 m3/min、平均為0.45 m3/min；割縫組抽采瓦斯?jié)舛认鄬τ谄胀ńM提高了2.14倍，抽采瓦斯純流量相對于普通組提高了2.74倍。

圖1 超高壓水力割縫增透試驗(yàn)鉆孔布置圖

4.2.2 預(yù)抽達(dá)標(biāo)時間對比

根據(jù)瓦斯含量取樣實(shí)測結(jié)果，割縫組和普通組預(yù)抽區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)情況對比如下：增透組預(yù)抽區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)時間為62 d，普通組預(yù)抽區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)時間為171 d；割縫后，煤層預(yù)抽達(dá)標(biāo)時間相對于普通鉆孔預(yù)抽時縮短了63.7%。

圖2 割縫組和普通組抽采瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞髁孔兓€圖

5 結(jié) 論

1) 超高壓水力割縫利用超高壓水射流環(huán)形切割孔壁煤體，形成大半徑扁平縫槽，借助地應(yīng)力促使周邊煤體變形、卸壓增透，促進(jìn)瓦斯解析、滲流，實(shí)現(xiàn)瓦斯高效快速抽采。

2) 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)考察表明，大坪礦區(qū)某煤礦C9煤層合理割縫壓力為75 MPa，單縫合理排屑量為0.36 t，縫槽半徑約為1.66 m，單縫合理割縫時間為7 min，縫槽合理間距為5 m。

3) 大坪礦區(qū)某煤礦C9煤層割縫后，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞髁考s分別提高2.14倍和2.74倍，煤層抽采達(dá)標(biāo)時間縮短約63.7%，極大地提高了C9煤層瓦斯治理效率，保障礦井安全高效生產(chǎn)。