高瓦斯礦井開(kāi)采層瓦斯抽采技術(shù)研究

蔡振鑫

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)新元公司，山西 壽陽(yáng) 045000）

我國(guó)大部分地區(qū)煤層滲透性較低，地面煤層氣勘探及通過(guò)地下礦井采氣比較困難。我國(guó)是世界上最大的產(chǎn)煤國(guó)之一，但煤層氣開(kāi)采過(guò)程的效率較低，造成氣體排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家。我國(guó)2005年煤礦瓦斯排放量占世界總排放量的41%。與此同時(shí)，我國(guó)也成為受煤礦瓦斯災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1-2]。隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力和煤層氣含量增加，但煤層滲透率下降，煤礦瓦斯開(kāi)采和瓦斯災(zāi)害防治更難實(shí)現(xiàn)。煤礦氣體是一種溫室氣體，在井下是一種危險(xiǎn)氣體。但通過(guò)提高煤層透氣性，提高瓦斯開(kāi)采利用效率，可將這種有害溫室轉(zhuǎn)化為清潔能源[3-4]。因此本文致力于在高瓦斯礦井開(kāi)采層中，針對(duì)不同煤層物理性質(zhì)，研究水力擴(kuò)孔鉆孔對(duì)瓦斯抽放的影響。

1 液壓鉸孔試驗(yàn)

1.1 測(cè)試地質(zhì)情況

某煤礦3號(hào)煤層為主要開(kāi)采煤層，厚度0～6.35 m，平均4.69 m?？傮w而言，該煤礦煤層透氣性較差，瓦斯流動(dòng)衰減快，瓦斯抽采難以實(shí)現(xiàn)。含氣性的區(qū)域差異明顯。3號(hào)煤層第一盤含氣量為6.99～12.73 m3/t時(shí)，滲透系數(shù)為0.21～0.46 m3/（MPa2·d）、原瓦斯壓力為0.06～0.71 MPa，每100 m鉆孔瓦斯流量為0.0005～0.0039 m3/min，鉆孔氣體流動(dòng)衰減系數(shù)為0.14～0.39 d-1。

在兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了液壓擴(kuò)眼試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地1號(hào)在3號(hào)煤層北翼回風(fēng)巷道中，試驗(yàn)場(chǎng)地2號(hào)在3091底板巖巷中。從3號(hào)煤層的3個(gè)不同層獲取了煤樣，并進(jìn)行了物性參數(shù)測(cè)定。實(shí)測(cè)物理參數(shù)平均值見(jiàn)表1。1號(hào)試驗(yàn)場(chǎng)煤層較為完整，2號(hào)試驗(yàn)場(chǎng)煤層破碎。1號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)和2號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)煤樣結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 1號(hào)采煤點(diǎn)

圖2 2號(hào)采煤點(diǎn)

表1 測(cè)試點(diǎn)煤物料參數(shù)

1.2 測(cè)試設(shè)備

采用高壓水射流進(jìn)行水力鉆孔擴(kuò)孔，提高鉆孔直徑和排氣量。液壓擴(kuò)孔系統(tǒng)對(duì)液壓鉆孔擴(kuò)孔效果有很大的影響。液壓擴(kuò)眼系統(tǒng)包括鉆機(jī)、密封鉆桿、鉆頭、高壓泵、油罐、密封旋轉(zhuǎn)接頭、高壓控制閥、高壓噴嘴、預(yù)防裝置、氣水分離裝置。

1.2.1 用于試驗(yàn)的鉆機(jī)

用于試驗(yàn)的鉆機(jī)型號(hào)為ZDY-4200LPS，是煤礦常用鉆機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍寬，扭矩大，滿足鉆井和液壓鉸孔的要求。鉆桿直徑為73 mm，鉆頭直徑為133 mm。

1.2.2 高壓水管

高壓水管與壓力泵、密封的旋轉(zhuǎn)接頭、密封的鉆桿連接。它是長(zhǎng)距離高壓水輸送的重要組成部分。高壓水管由橡膠和鋼絲制成，額定壓力為40 MPa。連接壓力泵的高壓水管外徑為38 mm，高壓水管外徑連接一個(gè)密封旋轉(zhuǎn)接頭是25 mm。快速接頭和u型斜鍵連接水管、壓力泵和旋轉(zhuǎn)接頭。

1.2.3 密封鉆桿

對(duì)密封鉆桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了密封鉆桿的強(qiáng)度和密封性能。對(duì)于密封，在錐形接頭中增加了一個(gè)平行部分，并在接頭的內(nèi)壁嵌入了一個(gè)橡膠圈。

1.2.4 噴射裝置

射流裝置是液壓擴(kuò)孔系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，極大地影響水力提帶和鉆孔結(jié)渣的效果。

1.2.5 高壓泵

采用BRW400/37液泵作為高壓泵進(jìn)行試驗(yàn)。額定流量400 L/min，額定壓力37 MPa。矩形水箱與乳化液泵相連，用于儲(chǔ)水。水箱長(zhǎng)、寬、高分別為2.45 m、1.45 m、1.4 m，容積為2.5 m3。

1.3 1號(hào)采煤點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)

1.3.1 測(cè)試參數(shù)

在1號(hào)采煤點(diǎn)鉆孔，如表2所示，共鉆孔10個(gè)，相鄰鉆孔間距為10 m，傾角為60°，方位角為0，鉆孔直徑為133 mm。為了獲得合適的射流水壓，分別對(duì)3號(hào)、4號(hào)、9號(hào)、1號(hào)和2號(hào)鉆孔進(jìn)行了不同水壓的擴(kuò)孔，對(duì)3號(hào)和4號(hào)鉆孔分別進(jìn)行了10 MPa和15 MPa的擴(kuò)孔。此外，煤渣在測(cè)試期間的排放大約0.2 t。9號(hào)鉆孔水壓20 MPa時(shí)，煤渣在測(cè)試期間是0.8 t。1號(hào)鉆孔水的壓力25 MPa，其余鉆孔均采用水力擴(kuò)孔，水壓為30 MPa，試驗(yàn)時(shí)煤渣每孔的排量不小于8 t。根據(jù)排渣量和相應(yīng)的水壓，適宜的射流水壓為25～30 MPa。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。煤渣粒度比較均勻，一般小于10 mm，試驗(yàn)中較容易實(shí)現(xiàn)出渣。

表2 1號(hào)采煤區(qū)測(cè)試參數(shù)

1.3.2 瓦斯抽采數(shù)據(jù)

針對(duì)排渣質(zhì)量較大的情況，采用1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)鉆孔對(duì)水力擴(kuò)孔后瓦斯抽采效果進(jìn)行了分析。7孔平均抽采量在0～40 d內(nèi)，瓦斯抽采流量達(dá)到10～200 m3/d。在40～58 d內(nèi)，瓦斯抽采流量達(dá)到10 m3/d。59～77 d內(nèi)瓦斯抽采流量明顯改善，達(dá)到50～175 m3/d。在78～90 d內(nèi)，瓦斯抽采流量明顯減小，達(dá)到10～50 m3/d。如圖3所示。

圖3 1/2/5/6/7/8/10號(hào)孔瓦斯平均抽采量

針對(duì)排渣少的情況，對(duì)3號(hào)、4號(hào)、9號(hào)鉆孔水力擴(kuò)孔分析，由于該3孔使用水壓較小，這些鉆孔的排量非常小，對(duì)瓦斯抽采幾乎沒(méi)有影響。以3號(hào)、4號(hào)、9號(hào)鉆孔為參照，對(duì)比分析了1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)鉆孔水力擴(kuò)孔后對(duì)瓦斯抽采的影響。3號(hào)孔、4號(hào)孔、9號(hào)孔水力擴(kuò)眼后瓦斯平均抽采量如圖4所示。水力擴(kuò)孔后90天內(nèi)瓦斯抽采流量變化和總量較小。

圖4 3/4/9號(hào)孔瓦斯平均抽采量

1.3.3 效果分析

如圖3、圖4所示，水力擴(kuò)孔對(duì)瓦斯抽采有顯著影響。當(dāng)水射流的壓力較小時(shí)，煤渣的質(zhì)量排出較小，0～70 d內(nèi)瓦斯抽采的平均流量為10～12 m3/d。當(dāng)水射流的壓力較大時(shí)，煤渣的質(zhì)量排出較大，0～70 d瓦斯抽采平均流量為80～300 m3/d。

1.4 2號(hào)采煤點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)

1.4.1 測(cè)試參數(shù)

在2號(hào)采煤點(diǎn)鉆孔。共鉆了7個(gè)鉆孔，相鄰鉆孔間距為10 m，傾角為60°，方位角為0，鉆孔直徑為133 mm。其中5個(gè)鉆孔作為水力擴(kuò)孔，2個(gè)普通鉆孔作為參考孔。射流水壓為8～27 MPa，射流流量為86～292 L/min，流量質(zhì)量為3.5～11.5 t。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。煤渣粒度相對(duì)不均勻，有的達(dá)到50 mm以上，試驗(yàn)中出渣量較難。

表3 2號(hào)采煤點(diǎn)測(cè)試參數(shù)

1.4.2 瓦斯抽采數(shù)據(jù)

采用1309-1、1309-2、1309-3、1309-4、1309-5鉆孔分析了水力擴(kuò)眼后瓦斯抽采的影響，1309-1、1309-2、1309-3、1309-4、1309-5平均瓦斯抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。水力鉆孔后瓦斯抽采平均流量約為10 m3/d。

圖5 1號(hào)孔瓦斯抽采量

以水力擴(kuò)孔的#1309-6和#1309-7鉆孔為例進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖6所示。瓦斯抽采平均流量為8 m3/d。

圖6 1309-6號(hào)孔瓦斯抽采量

1.4.3 效果分析

如5、圖6圖所示，采用了水力鉆孔的瓦斯抽采量平均僅比普通鉆孔的抽采量多2 m3/d。水力鉆孔對(duì)煤層破碎的2號(hào)采煤點(diǎn)效果不明顯。

2 實(shí)驗(yàn)討論

2.1 噴射壓力的影響

在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)射流和壓力與煤的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。1號(hào)采煤點(diǎn)所需噴射壓力為25～30 MPa，2號(hào)采煤點(diǎn)所需噴射壓力為8～15 MPa。造成這一現(xiàn)象的主要原因是1號(hào)和2號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)的煤巖硬度系數(shù)相近，但2號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度差異較大。1號(hào)試驗(yàn)場(chǎng)煤結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，破壞程度較小，破碎煤和剝離煤渣難度較大。2號(hào)試驗(yàn)場(chǎng)煤體破碎，煤體結(jié)構(gòu)破壞程度較高，易發(fā)生煤體破碎，煤渣剝落。

2.2 對(duì)排渣的影響

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)中使用的壓力和流量，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。使用相同條件的測(cè)試設(shè)備，流量和射流壓力顯示正相關(guān)。在1號(hào)試驗(yàn)場(chǎng)采用大壓力、大流量時(shí)，由于煤體結(jié)構(gòu)完整，鉆孔壁不易坍塌，射流將排渣切成較小、粒度均勻的煤渣，易實(shí)現(xiàn)排渣。在2號(hào)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采用大壓力、大流量時(shí)，由于煤體結(jié)構(gòu)破碎，鉆孔壁易坍塌，鉆孔內(nèi)產(chǎn)生大量大塊尺寸較大的煤渣，難以排渣。在2號(hào)試驗(yàn)場(chǎng)采用小壓力、小流量時(shí)，由于煤體結(jié)構(gòu)破碎，煤渣粒徑較大。對(duì)于小流量和大粒度的煤渣，排渣也很難實(shí)現(xiàn)。

2.3 對(duì)瓦斯抽采的影響

如圖3和圖4所示，在煤結(jié)構(gòu)相對(duì)完整的情況下，采用大噴射壓力水力擴(kuò)孔方式，可以對(duì)瓦斯抽采有顯著影響。但是如5和圖6圖所示，在煤結(jié)構(gòu)相對(duì)破碎的情況下，采用大噴射壓力水力擴(kuò)孔方式，對(duì)瓦斯抽采量影響不大。

3 結(jié)論

1）液壓擴(kuò)孔在該礦的抽采效果較好，可以不同程度地提高抽采工作的效率。

2）用于水力擴(kuò)孔的水射流壓力主要取決于煤的結(jié)構(gòu)。當(dāng)煤層基本整合時(shí)，水射流的臨界壓力較大。

3）當(dāng)煤結(jié)構(gòu)相對(duì)一體化時(shí)，抽采相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)瓦斯抽采的阻礙作用較小，施加擴(kuò)孔后瓦斯抽采明顯增加。當(dāng)煤結(jié)構(gòu)破碎時(shí)，排氣量難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)瓦斯抽采的阻礙作用明顯，擴(kuò)孔后瓦斯抽采略有變化。