急傾斜煤層切槽定向致裂瓦斯高效抽采技術研究

鄭三龍，范酒源，王 剛，3，王恩茂

（1.神華集團新疆能源有限責任公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830002；2.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590；3.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

0 引 言

瓦斯抽采是礦井瓦斯災害防治與資源化利用的根本，而急傾斜煤層由于地質構造條件導致部分區(qū)域煤體的透氣性差、瓦斯富集，從而導致瓦斯治理難度大［1-4］。 尤其當上分層煤體開采后，下部煤體將會釋放大量瓦斯涌向上分層回采空間，嚴重威脅回采工作面的安全生產(chǎn)。 因此，提高急傾斜煤層回采工作面底部瓦斯富集區(qū)域煤體的透氣性，降低底部瓦斯流向上分層回采工作面的濃度對于急傾斜煤層礦井的安全回采非常重要，而煤層水力化增透措施是增加煤體透氣性的有效途徑。 然而，對于急傾斜煤層回采工作面底部瓦斯富集區(qū)域而言，常規(guī)的布孔抽采以及單一水力化增透方法達不到瓦斯高效抽采的效果，無法消除采、掘工作面的瓦斯災害威脅，限制了回采工作面的生產(chǎn)能力。 因此，研發(fā)并應用針對急傾斜煤層上分層工作面底部瓦斯富集區(qū)域高效卸壓增透技術對于促進瓦斯高效抽采具有重要價值［5-6］。

科研實踐證明，水射流割縫與高壓水力壓裂相結合的切槽定向致裂增透技術，因壓裂方向精準、范圍大、增透效果顯著等優(yōu)勢而得到廣泛的推廣應用［7］。 王耀鋒等［8］針對低透煤層瓦斯抽采效率低的技術難題，提出導向槽與控制鉆孔交替布置實現(xiàn)定向增透的新技術。 李宗福等［9］采用水力壓裂-水力割縫聯(lián)合方式解決區(qū)域煤層透氣性差的問題。 李艷增等［10］分析了水力割縫（壓裂）綜合增透技術的工作原理、設備、工藝以及現(xiàn)場試驗情況。 付江偉等［11］提出了基于區(qū)域瓦斯治理“鉆-割-壓-卸-注”水力化集成技術工藝。 閆發(fā)志等［12］針對低透氣性煤層穿層抽采鉆孔卸壓不充分的問題，提出了割縫與壓裂協(xié)同增透技術。 黃炳香等［13］利用預割縫定向水力致裂技術處理煤層堅硬頂板。 但是，將水射流割縫與高壓水力壓裂結合用于治理急傾斜水平分層開采工作面下部卸壓煤體瓦斯的研究較少。 筆者在總結與分析前人研究的基礎上，提出水射流割縫與高壓水力壓裂相結合的切槽定向致裂增透技術解決急傾斜煤層上分層回采工作面下部瓦斯富集區(qū)域煤體透氣性差、瓦斯抽采效率低的問題。 以神華集團烏東煤礦北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷40—400 m 至上分層＋525 m 水平為工程背景，開展了急傾斜煤層切槽定向致裂瓦斯高效抽采技術現(xiàn)場試驗研究，以保障后期上分層回采工作面的安全生產(chǎn)。

1 煤層切槽定向致裂增透原理

為了彌補單一水力化增透方法的局限性，將水力割縫與水力壓裂2 種技術相結合，利用水力割縫定向引導與水力壓裂增透范圍廣的各自技術優(yōu)勢，實現(xiàn)水力割縫輔助水力壓裂切槽定向均勻致裂、增透煤層中瓦斯富集區(qū)域透氣性的目的［14-16］。 其原理為：在煤層瓦斯富集區(qū)域施工穿層或者順層鉆孔，采用鉆機帶動水力割縫淺螺旋鉆桿、高低壓轉換器及金剛石水力割縫鉆頭旋轉鉆進至預定割縫位置，開啟超高壓清水泵，調節(jié)至指定壓力，形成具有一定壓力及流量的超高壓水射流。 通過高低壓轉換器上的噴嘴射出，對鉆孔煤孔段的煤層進行旋轉切割、沖擊，在煤體中形成具有一定寬度與高度的多個不規(guī)則的圓盤式縫槽［17-18］。 通過水力切割縫槽卸載鉆孔周圍應力并形成初始導向裂縫，沿導向槽方向的煤體有效體積應力明顯下降，形成層理弱面。 然后對切槽鉆孔進行水力壓裂，利用切槽形成的層理弱面控制水力壓裂方向。 有效提高煤體透氣性和卸壓增透范圍，改變煤體應力場和瓦斯流動場，從而達到煤層整體卸壓增透及瓦斯高效抽采的目的［19］，其原理如圖1 所示。

2 工程背景

2.1 試驗區(qū)域概況

烏東煤礦作為新疆主要礦井之一，屬于急傾斜煤層，煤層傾角為45°。 其中，北區(qū)45 號煤層東翼為瓦斯富集區(qū)且煤體的透氣性較差。 同時，由于急傾斜煤層地質條件與開采工藝的特殊性，導致其北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼上分層回采工作面在采用水平分層開采方式時的瓦斯涌出規(guī)律與一般緩傾斜煤層存在較大差異。 隨著北區(qū)＋500 m 水平45號煤層東翼上分層回采工作面的開采，在采空區(qū)與瓦斯壓力差的作用下，下部煤體卸壓瓦斯將通過采動裂隙流向采空區(qū)與回采工作面，對井下正常的采掘接替構成較大威脅，如圖2 所示。 因此，需治理烏東煤礦北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼上分層區(qū)域內(nèi)的瓦斯災害，減少其涌向上分層回采工作面的威脅。

圖1 切槽定向致裂增透原理示意Fig.1 Schematic diagram of principle for directional fracturing and anti-reflection of slotting

圖2 急傾斜煤層下部瓦斯流動示意Fig.2 Schematic diagram of gas flow in lower part of steeply inclined coal seam

試驗區(qū)域選擇在烏東煤礦北區(qū)＋500 m 水平45號煤層東翼南巷40—400 m 至上分層＋525 m 水平。經(jīng)現(xiàn)場實測：此區(qū)域內(nèi)煤層的瓦斯壓力為0.52 MPa，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.02 d-1，煤層透氣性系數(shù)λ 為0.1 m2／（MPa2·d）。

2.2 試驗區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律

通過現(xiàn)場測試結合室內(nèi)試驗測定試驗區(qū)域內(nèi)瓦斯的賦存規(guī)律，如圖3 所示。

由圖3 可知：試驗區(qū)域在走向方向上煤層瓦斯含量具有西低東高的總體分布趨勢，沿著＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷越向東，瓦斯賦存量越大。 所測區(qū)域最小相對瓦斯含量為4.12 m3／t，最大相對瓦斯含量為6.26 m3／t，平均相對瓦斯含量為5.07 m3／t。 特別是＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷360 m 上分層區(qū)域內(nèi)煤層測得最大相對瓦斯含量為6.26 m3／t，不符合《煤礦安全規(guī)程》（2016）第一百一十五條之規(guī)定：“高瓦斯、突出礦井的容易自燃煤層，應當采取以預抽方式為主的綜合抽采瓦斯措施和綜合防滅火措施，保證本煤層相對瓦斯含量不大于6 m3／t”。 為此提出利用煤層切槽定向致裂技術增透此區(qū)域以促進瓦斯高效抽采，解決此區(qū)域瓦斯含量賦存量過大的問題。

圖3 試驗區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律分布Fig.3 Distribution pattern of gas occurrence in test area

3 切槽定向致裂增透技術試驗

3.1 試驗方案及工藝設備

在試驗區(qū)域現(xiàn)場共施工10 個鉆孔：1、2 號鉆孔為瓦斯抽采鉆孔，為增透效果對比鉆孔；3 號鉆孔為割縫鉆孔；4—9 號鉆孔為切槽致裂鉆孔，分別注入不同壓力，其中：4、5 號鉆孔注水壓力為20 MPa，6、7號鉆孔的注水壓力為30 MPa，8、9 號鉆孔的注水壓力為40 MPa；10 號鉆孔為測壓鉆孔。 1—10 號鉆孔直徑為113 mm，長度為50 m，仰角為16°，開孔位置距巷道底板1.8 m，施工鉆孔設計如圖4 所示。

高壓切槽定向致裂增透技術的設備主要由BZW200／56 型乳化液泵站系統(tǒng)、GF-100 型超高壓水射流切割一體鉆具、高壓水路控制裝置以及高壓管路等主要設備組成，各技術裝備實物如圖5 所示。

3.2 工藝流程

急傾斜煤層切槽定向致裂增透技術主要包括鉆孔、割縫、封孔、定向致裂4 個步驟，各個環(huán)節(jié)相互結合，可以提高工作效率，節(jié)省人力物力，其工藝過程如圖6 所示。

依據(jù)現(xiàn)場試驗方案，采用切槽定向致裂增透烏東煤礦北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷40—400 m 至上分層＋525 m 水平煤體的透氣性，其現(xiàn)場施工主要的工藝流程為：①依次連接高壓切槽定向致裂增透技術的整套裝置，按割縫鉆孔設計參數(shù)施工至50 m；②將高低壓轉換割縫器停在指定割縫位置，通過調壓閥，泵壓由低到高緩慢、勻速增壓：10 MPa→15 MPa→20 MPa→30 MPa→50 MPa →80 MPa→90 MPa→100 MPa，依次對3—9 號鉆孔周圍煤體進行切割，割縫間距取15 m，每刀割縫時間為5～10 min，形成寬3 ～5 cm、割縫半徑為0.6 ～1.8 m 的垂直于鉆孔的圓盤狀縫槽；③施工完割縫鉆孔后，利用封孔器對割縫鉆孔孔口進行封孔；④完成封孔工藝后，將4—9 號割縫鉆孔進行高壓注水定向壓裂，以水射流切槽為導向，定向擴大切割縫槽周圍煤體的原始裂縫，通過各工序的相互結合，提高烏東煤礦北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷40—400 m至上分層＋525 m 水平的透氣性，促進此區(qū)域內(nèi)的瓦斯高效抽采。 試驗區(qū)域定向致裂鉆孔如圖7 所示。

圖4 ＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷鉆孔設計示意Fig.4 Borehole design of south lane in east wing of No.45 coal seam at ＋500 m level

圖5 切槽定向致裂技術設備實物示意Fig.5 Physical schematic of grooving directional fracturing technology equipment

圖6 煤層切槽定向致裂增透技術工藝流程示意Fig.6 Schematic diagram of directional fracturing and anti-reflection technology of coal seam

圖7 定向致裂鉆孔平面示意Fig.7 Plan view of directional fracturing borehole

3.3 增透效果分析

3.3.1 瓦斯抽采純量對比分析

現(xiàn)場工藝試驗共實施10 個鉆孔，其中，1—2 號鉆孔為瓦斯抽采鉆孔，3 號鉆孔為割縫鉆孔，4—9 號鉆孔為切槽定向致裂鉆孔，10 號鉆孔為測壓孔。 為考察割縫、切槽定向致裂增透效果，選取典型的3 種不同類型的鉆孔進行增透后瓦斯抽采效果分析，如圖8 所示。

圖8 不同鉆孔每日平均瓦斯抽采純量曲線Fig.8 Curves of daily average gas drainage volume of different boreholes

從圖8 可知：1 號普通抽采鉆孔在抽采60 d 內(nèi)每日平均鉆孔瓦斯抽采純量在0.005 ～0.030 m3／min，平均為0.012 m3／min；3 號割縫鉆孔在抽采60 d內(nèi)每日平均鉆孔瓦斯抽采純量在0.023 ～0.100 m3／min，平均為0.036 m3／min。 4 號切槽定向致裂鉆孔在抽采60 d 內(nèi)每日平均鉆孔瓦斯抽采純量在0.052～0.242 m3／min，平均為0.080 m3／min。 從每日平均鉆孔瓦斯抽采純量上得出：割縫鉆孔是普通鉆孔的3.0 倍，切槽定向致裂鉆孔是割縫鉆孔的2.2倍，而切槽定向致裂鉆孔是普通鉆孔的6.7 倍。 因此，對于在烏東煤礦北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷40—400 m 至上分層＋525 m 水平區(qū)域內(nèi)實施切槽定向致裂增透技術達到了高效促抽瓦斯的效果。 同時還可以分析出：與對煤層單一實施水力割縫技術而言，在割縫的基礎上對縫槽進行定向壓裂，其增透效果明顯強于單一水力割縫技術。

3.3.2 增透后抽采影響范圍分析

采用瓦斯壓力法分析在試驗區(qū)域內(nèi)實施切槽定向致裂瓦斯高效抽采技術后，4 號切槽定向致裂鉆孔在注水壓力為20 MPa 條件下的增透直接擾動范圍及抽采影響范圍。 根據(jù)方案設計在4 號切槽定向致裂鉆孔周圍共施工不同距離的6 個瓦斯壓力測定鉆孔，分別為4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6 號瓦斯壓力測定鉆孔。 4-1 號瓦斯壓力測定鉆孔距離4 號切槽定向致裂鉆孔為3 m，其余5 個瓦斯壓力測定鉆孔間距分別為1 m。 4 號切槽定向致裂鉆孔增透作業(yè)前后各個瓦斯壓力鉆孔的瓦斯壓力變化如圖9 所示。

圖9 4 號切槽定向致裂鉆孔作業(yè)前后瓦斯壓力鉆孔壓力變化示意Fig.9 Schematic of gas pressure hole pressure changes before and after No.4 slotting directional fracturing drilling operation

由圖9 可知：與4 號切槽定向致裂鉆孔相鄰的瓦斯壓力測試孔4-1、4-2、4-3、4-4 號鉆孔的瓦斯壓力均有不同程度的降低。 隨著距離4 號切槽定向致裂鉆孔越遠，4-5、4-6 號瓦斯壓力測試孔的瓦斯壓力相比于切槽致裂施工前有所升高。 其中，4-4 號瓦斯壓力測試孔約降低0.04 MPa，而4-4 號瓦斯壓力測試孔距離切槽致裂鉆孔的距離為6 m，表明：在烏東煤礦北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷40—400 m 至上分層＋525 m 水平區(qū)域內(nèi)實施切槽定向致裂增透技術后，4 號切槽定向致裂鉆孔在注水壓力為20 MPa條件下的增透直接擾動范圍約為6 m。

4 號切槽定向致裂鉆孔連管抽采后，不同階段各個測壓鉆孔瓦斯壓力如圖10 所示。

圖10 4 號切槽定向致裂鉆孔周圍瓦斯壓力分布Fig.10 Distribution of gas pressure around No.4 slotting directional fracturing drilling hole

由圖10 可以得出：抽采30 d 后，4 號切槽定向致裂鉆孔周圍瓦斯壓力繼續(xù)下降，其中4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6 號鉆孔相對于原始瓦斯壓力分別下降了0.12、0.15、0.12、0.07、0.04、0.04 MPa。 抽采70 d 后，4 號切槽定向致裂鉆孔周圍瓦斯壓力繼續(xù)下降，其中4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6 號鉆孔相對于原始瓦斯壓力分別下降了0.20、0.19、0.21、0.15、0.11、0.12 MPa，從變化趨勢可以看出：隨著抽采時間的增長，離切槽致裂鉆孔距離較遠的測壓鉆孔的壓力下降幅度較大，表明：隨著抽采時間的增長，切槽致裂鉆孔抽采影響范圍逐漸增大；其中最遠的測壓孔4-6 號的壓力下降了0.12 MPa，表明70 d的抽采時間內(nèi)影響范圍已達到8 m 以上。

4 結 論

1） 采用切槽定向致裂增透技術增透烏東急傾斜煤層北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷40—400 m 至上分層＋525 m 水平區(qū)域內(nèi)煤體后，切槽定向致裂鉆孔在注水壓力為20 MPa 條件下的瓦斯抽采純量較普通瓦斯抽采鉆孔提升6.7 倍，割縫鉆孔瓦斯抽采純量較普通瓦斯抽采鉆孔提升3.0 倍，增透效果明顯。

2） 通過對4 號切槽定向致裂鉆孔增透后抽采影響范圍分析得出，切槽定向致裂鉆孔在注水壓力為20 MPa 條件下的增透直接擾動范圍約為6 m，70 d 的抽采時間內(nèi)影響范圍已達到8 m 以上。

3） 采用切槽定向致裂增透技術有效地解決了烏東煤礦急傾斜煤層北區(qū)＋500 m 水平45 號煤層東翼南巷40—400 m 至上分層＋525 m 水平區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯賦存過大的問題，避免其釋放瓦斯涌向上分層回采工作面造成的安全威脅，保障了上分層回采工作面的安全生產(chǎn)。