低透高瓦斯強(qiáng)吸附性煤層超高壓水力割縫增透技術(shù)及試驗(yàn)研究

姚亞虎

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

超高壓水力割縫增透技術(shù)可以提高鉆孔周邊煤體透氣性，擴(kuò)大鉆孔抽采半徑，快速高效的實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)[1]。國內(nèi)眾多學(xué)者對該技術(shù)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[2-6]，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)即能消除水力沖孔帶來的應(yīng)力集中、瓦斯聚集難題，又能消除水力壓裂帶來的應(yīng)力集中、壓裂盲區(qū)難題，在區(qū)域瓦斯治理方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢；但是針對低透強(qiáng)吸附性煤層，該技術(shù)措施的增透效果如何，尚缺乏研究。

近幾年，云南省老廠礦區(qū)部分礦井開采的C7+8煤層具有低透氣性、高瓦斯含量、強(qiáng)吸附瓦斯能力等特征，煤層抽采瓦斯工作越發(fā)困難，礦井安全高效生產(chǎn)受到嚴(yán)重制約。

本文以老廠礦區(qū)某煤礦3采區(qū)C7+8煤層回風(fēng)上山為試驗(yàn)區(qū)，開展超高壓水力割縫增透試驗(yàn)，并對割縫合理技術(shù)參數(shù)及增透效果進(jìn)行了系統(tǒng)的考察研究，相關(guān)成果為同類型煤層增透實(shí)踐提供重要參考。

1 低透高瓦斯強(qiáng)吸附性煤層瓦斯治理難題

1.1 瓦斯治理難題

老廠礦區(qū)位于富源縣老廠鎮(zhèn)、十八連山鎮(zhèn)，儲(chǔ)存約30億t的無煙煤，分布有24對礦井，主要開采二疊紀(jì)龍?zhí)督M的C2、C3、C7+8、C9、C13、C16等煤層，煤層間距為10～35m，煤層間巖層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。礦井內(nèi)各煤礦均采用下行式多煤層開采，其中C7+8煤層具有透氣性低、瓦斯含量高、吸附瓦斯能力強(qiáng)等典型特征(表1)，生產(chǎn)中瓦斯防治工作面臨很多困難，主要表現(xiàn)在以下方面。

1)預(yù)抽鉆孔間距為1.5～2.5m，施鉆過程中時(shí)常發(fā)生串孔，壓風(fēng)排渣易于堵塞鄰近鉆孔。

2)預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間長達(dá)2～4個(gè)月，作業(yè)點(diǎn)接續(xù)失調(diào)。

3)孔口負(fù)壓大，鉆孔瓦斯?jié)舛鹊?，抽采支管表面凹陷破損。

4)落煤瓦斯涌出量大，落煤期瓦斯監(jiān)控曲線臺(tái)階式陡增，掘進(jìn)面風(fēng)速達(dá)到2.5～3.5m/s，作業(yè)環(huán)境差。

表1 老廠礦區(qū)C7+8煤層瓦斯特征參數(shù)

1.2 關(guān)聯(lián)因素分析

1)煤層透氣性差，鉆孔抽、排半徑小，造成預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間長、排放效果差。

2)煤層吸附瓦斯能力強(qiáng)[7-8]，煤層裂隙不發(fā)育且貫通性差，憑借孔口高負(fù)壓促使煤層瓦斯解吸，使得管道負(fù)壓過大而壓癟凹陷。

3)抽采效果差造成殘余瓦斯含量高，落煤瓦斯涌出量大、稀釋風(fēng)量大。

2 超高壓水力割縫技術(shù)原理、裝備及工藝

2.1 超高壓水力割縫卸壓增透原理

超高壓水射流在鉆孔中旋轉(zhuǎn)切割孔壁煤體并將煤屑沖排至孔外，形成半徑達(dá)1.5～2.5m、厚度達(dá)3.0～6.0cm扁平縫槽，促使煤體均勻卸壓增透，具體原理為[9-10]：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(dòng)，促進(jìn)煤體裂隙拓展、形成瓦斯解吸、滲流的貫通通道；③縫槽直徑較大，擴(kuò)大了鉆孔徑向煤體增透范圍；④縫槽位置可控、厚度較小、促使鉆孔周邊煤體均勻卸壓。

2.2 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主要包括超高壓清水泵、高壓遠(yuǎn)程操作臺(tái)、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(表2)。

2.3 超高壓水力割縫實(shí)施工藝

本次GF-100型超高壓水力割縫增透試驗(yàn)實(shí)施的主要工藝流程如下。

1)將金剛石鉆頭、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、淺螺旋耐高壓鉆桿、普通旋轉(zhuǎn)接頭依次連接，接入靜壓水使用鉆機(jī)將鉆孔施工至設(shè)計(jì)深度，充分沖洗鉆孔后停鉆。

2)調(diào)換超高壓旋轉(zhuǎn)接頭，使用超高壓軟管連接超高壓清水泵，接入超高壓水流。

表2 GF-100型超高壓水力割縫主要裝置性能

3)啟動(dòng)鉆機(jī)維持低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，啟動(dòng)超高壓清水泵，梯度式加壓至合理割縫壓力后維持割縫一定時(shí)間，待排屑顯著減少后關(guān)停超高壓清水泵，完成此縫槽割縫作業(yè)。

4)后退鉆桿一定距離，重復(fù)步驟(3)，完成鄰近縫槽割縫作業(yè)。

5)繼續(xù)后退鉆桿一定距離，重復(fù)步驟(3)，直至最后一個(gè)縫槽割縫完畢，退出鉆桿。

6)孔內(nèi)下管、封孔、接抽。

3 超高壓水力割縫增透試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工作面概況

老廠礦區(qū)某煤礦3采區(qū)C7+8煤層回風(fēng)上山、運(yùn)輸上山屬于準(zhǔn)備巷道，以平行狀態(tài)沿煤層頂板布置在C7+8煤層中，設(shè)計(jì)斷面均為3.0m×4.2m，巷道間煤柱寬40m，埋深約430m，采用綜掘作業(yè)；運(yùn)輸上山已經(jīng)掘進(jìn)至設(shè)計(jì)位置，回風(fēng)上山未掘進(jìn)。該處C7+8煤層結(jié)構(gòu)及瓦斯參數(shù)見表3。

3.2 割縫增透試驗(yàn)方案

在3采區(qū)C7+8煤層運(yùn)輸上山中布置順層平行鉆孔預(yù)抽C7+8煤層回風(fēng)上山條帶瓦斯，選擇3個(gè)條帶按照表4中的參數(shù)布置鉆孔(圖1)。

表3 3采區(qū)C7+8煤層結(jié)構(gòu)及瓦斯參數(shù)

圖1 割縫增透試驗(yàn)鉆孔布置

表4 不同條帶鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

1號(hào)條帶、3號(hào)條帶鉆孔施工完畢后，及時(shí)接抽，封孔深度為17m；2號(hào)條帶鉆孔施工到設(shè)計(jì)深度后，按照5m的間距由孔底向孔口依次進(jìn)行水力割縫，單孔割縫9個(gè)，相鄰鉆孔交叉割縫；鉆孔割縫完畢及時(shí)接抽，封孔深度為17m。

3.3 合理技術(shù)參數(shù)確定

3.3.1 割縫壓力、單縫排屑量確定

2號(hào)條帶預(yù)抽鉆孔割縫初期，對不同割縫壓力及單縫排屑量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量(表5)。

由表5分析可知：

1)割縫壓力小于60MPa時(shí)，水射流對孔壁煤體的破壞力不足，縫槽的深度不足、煤屑量較小，縫槽周邊煤體的卸壓范圍及卸壓幅度較小，無法有效的實(shí)現(xiàn)孔壁煤體大范圍卸壓增透效果。

2)割縫壓力處于60～80MPa之間時(shí)，水射流對孔壁煤體的破壞力較強(qiáng)，割縫深度及煤屑量顯著增高，縫槽周邊煤體的卸壓范圍及卸壓幅度較大，確保了孔壁煤體在較大范圍內(nèi)的卸壓增透；同時(shí)孔壁煤體維持較好的穩(wěn)定性，利于瓦斯解吸、滲流、擴(kuò)散。

3)割縫壓力大于80MPa時(shí)，水射流對孔壁煤體造成嚴(yán)重破壞，增加割縫深度的同時(shí)也帶來嚴(yán)重的塌孔埋鉆風(fēng)險(xiǎn)，使得割縫的施工難度大幅增加；同時(shí)孔壁煤體穩(wěn)定性嚴(yán)重破壞堵塞了裂隙通道，不利于瓦斯解吸、滲流、擴(kuò)散。

鑒于以上情況，綜合權(quán)衡增透效果、割縫施工操作等因素，確定C7+8煤層合理割縫壓力為80MPa，單縫合理排屑量為0.35t，估算縫槽半徑為1.76m。

近年來對小學(xué)語文教學(xué)的關(guān)注越來越多，其中對閱讀教學(xué)的關(guān)注尤其多。因?yàn)殚喿x教學(xué)是小學(xué)語文教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，也是最容易忽視的環(huán)節(jié)。培養(yǎng)閱讀能力是小學(xué)語文教學(xué)的重要組成部分，提高閱讀教學(xué)的效率是提高小學(xué)語文教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵?！墩Z文課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：“小學(xué)各年級(jí)的閱讀教學(xué)都要重視朗讀。中高年級(jí)要重視默讀。要讓學(xué)生充分地讀，在讀中整體感知，在讀中有所感悟，在讀中培養(yǎng)語感，在讀中受到情感的熏陶。”我結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，就小學(xué)語文閱讀教學(xué)進(jìn)行了探究，下面我就談?wù)勛约旱目捶ǎ?/p>

表5 不同割縫壓力、單縫排屑量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 單縫割縫時(shí)間、縫槽間距確定

使用80MPa割縫壓力時(shí)，單縫割縫5～7min后，孔口排屑量顯著減小，返水顯著變清，此時(shí)水射流對煤體的破壞深度已達(dá)極限，該處及更深處煤體的抵抗拉剪破壞的能力逐漸大于水射流的破壞力，煤體難以被進(jìn)一步破壞，排屑量不足，如此確定單縫合理割縫時(shí)間為7min。

使用80MPa割縫壓力時(shí)，縫槽間距小于3.5m時(shí)時(shí)常發(fā)生嚴(yán)重夾鉆現(xiàn)象，此時(shí)相鄰縫槽間煤體的塑性破壞區(qū)相互貫通，煤體穩(wěn)定性較差，易于塌孔，造成夾鉆及排屑困難且堵塞了解吸瓦斯的滲流擴(kuò)散通道；縫槽間距處于3.5～5.0m時(shí)偶有發(fā)生輕微夾鉆現(xiàn)象，此時(shí)相鄰縫槽間煤體的塑性破壞區(qū)被中間的彈性變形區(qū)分隔，煤體維持較好的穩(wěn)定性及承載能力，不易塌孔，排屑順暢，極易于瓦斯解吸、滲流、擴(kuò)散；縫槽間距大于5.0m時(shí)未發(fā)生夾鉆現(xiàn)象，此時(shí)相鄰縫槽間煤體的塑性破壞區(qū)被中間的彈性變形區(qū)分隔，但彈性變形區(qū)范圍較大，造成縫槽間煤體難以形成交叉貫通的裂隙通道，制約了縫槽的增透效果。如此確定合理縫槽間距為5.0m。

4 效果考察

4.1 抽采瓦斯?jié)舛取⑼咚辜兞繉Ρ?/h3>

1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)條帶瓦斯抽采濃度及瓦斯純量測定數(shù)據(jù)如圖2所示。

(a)瓦斯?jié)舛茸兓€ (b)瓦斯純量變化曲線

由圖2分析可知：

1)1號(hào)普通條帶抽采瓦斯?jié)舛茸兓秶鸀?7.2%～44.7%，平均為35.9%；2號(hào)割縫條帶抽采瓦斯?jié)舛茸兓秶鸀?7.6%～75.4%，平均為66.5%；3號(hào)普通條帶抽采瓦斯?jié)舛茸兓秶鸀?8.0%～32.4%，平均為25.2%。

3)割縫增透后，條帶抽采瓦斯?jié)舛认鄬?m間距鉆孔的普通條帶提高了1.64倍，相對2m間距鉆孔的普通條帶提高了0.85倍；條帶抽采瓦斯純量相對5m間距鉆孔的普通條帶提高了3.2倍，相對2m間距鉆孔的普通條帶提高了0.5倍。

4.2 預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間對比

某煤礦規(guī)定本礦的抽采達(dá)標(biāo)指標(biāo)—?dú)堄嗤咚购繛?m3/t。

1)1號(hào)普通條帶抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為26.97d，2號(hào)增透條帶瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為15.40d，3號(hào)普通條帶抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為105.75d。

2)割縫后，條帶抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間相對5m間距鉆孔的普通條帶縮短了85.4%，相對2m間距鉆孔的普通條帶縮短了42.9%。

4.3 掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛葘Ρ?/h3>

條帶抽采達(dá)標(biāo)后，工作面供風(fēng)量為400m3/min，正常掘進(jìn)期間各個(gè)條帶瓦斯數(shù)值變化情況如下。

1)1號(hào)普通條帶的T2傳感器數(shù)值為0.34～0.76，平均0.55，期間發(fā)生2次瓦斯超限；2號(hào)割縫條帶的T2傳感器數(shù)值為0.14～0.33，平均0.24，期間未發(fā)生瓦斯超限；3號(hào)普通條帶T2傳感器數(shù)值為0.45～0.90，平均0.68，期間發(fā)生4次瓦斯超限。

2)割縫后，條帶掘進(jìn)面瓦斯?jié)舛绕骄迪鄬?m間距鉆孔的普通條帶減小了64.7%，相對2m間距鉆孔的普通條帶減小了56.3%。

5 結(jié)論

1)超高壓水力割縫技術(shù)利用超高壓水射流在孔壁中精準(zhǔn)割縫，可促使煤體均勻卸壓、增透，快速實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，提高瓦斯防治工作水平。

2)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)考察表明，老廠礦區(qū)某煤礦C7+8煤層合理割縫壓力為80MPa，單縫合理排屑量為0.35t，縫槽半徑約為1.76m，單縫合理割縫時(shí)間為7min，縫槽合理間距為5m。

3)老廠礦區(qū)某煤礦C7+8煤層煤巷條帶割縫后，條帶相較于2m間距鉆孔的普通條帶，抽采瓦斯?jié)舛取⑼咚辜兞刻岣呒s0.85、0.5倍，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短約42.9%，掘進(jìn)面瓦斯?jié)舛绕骄禍p小了56.3%，極大的提高了瓦斯治理水平。