水力鉆割一體化卸壓增透技術試驗研究

高永永

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

由于低透氣性采煤工作面瓦斯抽采效率低，導致鉆孔施工量大、抽采達標時間長，對采煤工作面安全產(chǎn)生了嚴重的威脅，甚至引發(fā)礦井采掘銜接失衡。為了解決低透氣性采煤工作面瓦斯治理壓力大的難題，各個煤炭集團引入水力割縫卸壓增透技術，水力割縫技術可明顯改善煤層透氣性，達到強化瓦斯抽采的目的[1-4]。

最近幾年，伴隨著國家科技的發(fā)展，高壓水射流擴孔及割縫技術也得到迅猛發(fā)展，促使超高壓(100 MPa)水力鉆割一體化卸壓增透技術逐漸在各大煤炭集團開始推廣使用，其原理主要是通過向鉆孔內(nèi)注入100 MPa的高壓水介質(zhì)，迫使鉆孔周圍煤體不斷被剝離、破碎，煤層內(nèi)原始應力也得到重新分布，達到改變煤層物理力學性質(zhì)的目的，實現(xiàn)卸壓增透的目標[5-8]，此技術已經(jīng)在淮河能源集團、四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團、焦作煤業(yè)集團、貴州盤江煤電集團等地區(qū)開展了試驗并獲得良好效果。

為此，科研工作者開展了大量的研究，常宗旭等[9]通過逾滲理論得到煤巖體破壞準則及計算得到水射流破碎非均質(zhì)煤巖體的臨界壓力；盧義玉等[10]通過從應力波傳播和損傷等不同方向研究了水射流破巖機理；孫清德等[11]通過研究提出水射流破巖過程中有兩個臨界壓力，破巖機理主要體現(xiàn)在沖蝕破碎和錘沖破碎；廖華林等[12]通過理論分析和現(xiàn)場試驗，研究高壓水射流以不同速度沖擊破碎巖石過程的流場規(guī)律及應力分布規(guī)律。

超高壓水力鉆割一體化割縫增透效果主要跟三個因素有關：割縫壓力、單刀出煤量和割縫時間[13-14]，如果割縫鉆孔出煤量過多，會破壞煤層結構，導致鉆孔發(fā)生噴孔、塌孔，瓦斯流量衰減系數(shù)增大，增加鉆孔施工量；如果單刀出煤量太少，會引發(fā)煤層增透效果不佳，很難實現(xiàn)煤層卸壓增透和減少瓦斯涌出的目的[15]。所以通過現(xiàn)場試驗，得到適合斜溝煤礦8號煤層的超高壓水力鉆割一體化卸壓增透技術的最佳參數(shù)。

1 礦井概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣，井田南北長約22 km，東西寬約4.5 km，面積為82.647 7 km2，采用斜井開拓方式。超高壓水力鉆割一體化卸壓增透試驗地點選在18205膠帶巷的8號煤，煤厚4.7 m，傾角9°，堅固性系數(shù)0.47～0.57，瓦斯含量7.36 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.014 16 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

18205膠帶巷斷面為矩形，高度為3.8 m，寬度為5.4 m，根據(jù)抽采設計，采用順層長鉆孔的方式提前預抽煤層瓦斯，減少回采期間的瓦斯涌出，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

2 割縫鉆孔設計

試驗地點選在斜溝煤礦8號煤層18205工作面，第一步研究工作面實施超高壓水力鉆割一體化增透技術后的最佳割縫壓力，接著分析在割縫時間和鉆孔出煤量不同時，瓦斯抽采濃度和純量的變化情況，最終得到實施超高壓水力鉆割一體化增透技術后，工作面的最佳單刀割縫時間和最佳單刀出煤量，同時在獲得超高壓水力鉆割一體化增透技術最佳參數(shù)基礎上計算確定割縫半徑。具體試驗地點為18205工作面的膠帶巷，施工本煤層鉆孔共計18個，鉆孔之間距離保證在4 m，并對鉆孔進行編號管路，劃分I～Ⅴ試驗組，每個試驗組之間的距離控制在8 m，鉆孔具體布置情況如圖1所示。

圖1 18205工作面鉆孔布置

試驗組Ⅰ共施工2個鉆孔，研究超高壓水力鉆割一體化最佳壓力；在確定最佳的割縫壓力基礎上，分別在試驗組Ⅱ～Ⅴ施工4個鉆孔，每個鉆孔深度為100 m，設計每間隔4 m割1刀，共計劃割縫20刀，分別研究割縫時間為5 min、7 min、10 min及12 min時的單刀出煤量。試驗結束后立即對鉆孔聯(lián)網(wǎng)預抽，測定Ⅱ～Ⅴ試驗組中各個鉆孔的平均瓦斯抽采純量。

3 工程實踐

3.1 最佳割縫壓力

在18205膠帶巷試驗組Ⅰ區(qū)域對1號和2號本煤層鉆孔實施水力割縫卸壓增透試驗，結合試驗現(xiàn)場煤層鉆孔出水情況、出渣流暢程度及塌孔噴孔等研究最佳割縫壓力。

試驗期間，每間隔3～5 m割縫1次，由鉆孔底部一直割縫到孔口20 m，單刀割縫時逐步增大割縫壓力，從30 MPa逐步升高到100 MPa，每刀割縫時間控制在5 min。在超高壓水力割縫作用下，煤體被粉碎成2～10 mm粒度的小顆粒，受到水和螺旋鉆桿的驅逐影響，由孔內(nèi)流至孔口，在整個割縫階段沒有發(fā)生堵孔、噴孔及瓦斯涌出異常等情況?？紤]到鉆割一體化設備的額定壓力為100 MPa，為確保現(xiàn)場安全，留一定的富裕系數(shù)(10%)，得到8號煤層的最佳割縫壓力為90 MPa。

3.2 割縫時間不同時單刀出煤量

8號煤層割縫鉆孔孔深為100 m，在90 MPa的割縫壓力、20刀的割縫刀數(shù)作用下，現(xiàn)場實測Ⅱ～Ⅴ試驗組各鉆孔在割縫時間為3 min、5 min、7 min、10 min時單刀出煤量，見表1。

表1 各割縫鉆孔單刀出煤量情況

3.3 試驗區(qū)域的瓦斯抽采效果

各試驗組的割縫鉆孔完成試驗后立刻封孔聯(lián)網(wǎng)抽采，每天測定每個鉆孔的瓦斯抽采純量，并核算各試驗組的單孔平均瓦斯抽采純量，獲得隨著抽采時間的延長，單刀出煤量不一致時各鉆孔的瓦斯抽采純量變化情況見圖2。

圖2 隨著抽采時間的延長瓦斯抽采純量變化

從圖2可知，開始抽采的一個月內(nèi)，單刀出煤量不同的4個試驗區(qū)的鉆孔瓦斯抽采純量不穩(wěn)定，起伏較大；當抽采一個月之后至兩個月內(nèi)，鉆孔瓦斯抽采純量變化趨勢逐漸呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。

試驗Ⅱ區(qū)的各割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.17 t時，平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定在0.017 m3/min；試驗Ⅲ區(qū)的各割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.22 t時，平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定在0.019 m3/min；試驗Ⅳ區(qū)的各割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.46 t時，平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定在0.047 m3/min；試驗Ⅴ區(qū)的各割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.32 t時，平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定在0.049 m3/min。

抽采60 d時瓦斯抽采純量與單刀出煤量之間的關系如圖3所示。從圖3可知：單刀出煤量由0.17 t增加到0.32 t時，煤層瓦斯抽采純量在不斷升高，由0.024 m3/min升至0.055 m3/min，當單刀出煤量為0.32 t時，煤層瓦斯抽采純量最高，達到0.055 m3/min；而單刀出煤量達到0.46 t時，煤層瓦斯抽采純量發(fā)生小幅度的降低，相比單刀出煤量為0.32 t時，其瓦斯抽采純量下降9%.

圖3 抽采60 d時瓦斯抽采純量與單刀 出煤量之間的關系

通過以上分析可知：8號煤層最佳的割縫壓力為90 MPa，割縫時間為7 min，單刀出煤量為0.32 t，煤層瓦斯抽采效率最高。

4 割縫半徑計算

假定實施水力割縫增透技術之后，煤層中所形成的孔洞為1個均勻的圓形孔洞，鉆割一體化技術的擴孔效果可通過等效孔徑來表達，割縫半徑可用式(1)來計算：

M=πr2hKγ

(1)

式中：M為割縫后煤體排出的煤屑量，t；r為割縫后縫隙的半徑，m；h為割縫后縫隙的高度，m；K為煤量損失不均衡系數(shù)；γ為煤的密度，取1.38 t/m3。

結合礦井現(xiàn)場實際：3號煤層超高壓水力割縫鉆孔長度100 m，傾角為+2°，施工時有可能發(fā)生掉鉆風險，最終影響終孔傾角，所以煤量損失不均衡系數(shù)值選定為0.70；由于水力割縫所產(chǎn)生的縫槽是外寬內(nèi)窄的不規(guī)則槽形，現(xiàn)場試驗得到當割縫壓力為90 MPa時割縫后縫隙的平均寬度為0.04～0.05 m。將相關數(shù)據(jù)代入式(1)得到每刀從煤體中擠出的煤屑量為0.32 t時，水力割縫所產(chǎn)生的縫槽半徑r為1.45～1.62 m。

5 結 語

1) 在斜溝煤礦實施超高壓水力鉆割一體化增透技術，得到8號煤層的最佳割縫壓力為90 MPa，單刀出煤量隨著割縫時間的增加而增加。

2) 割縫壓力為90 MPa，割縫時間為7 min，單刀出煤量為0.32 t，割縫半徑達到1.45～1.62 m，“超高壓水力鉆割一體化卸壓增透技術”煤層瓦斯抽采效率最高。