適用井下鉆孔的高能射孔增透技術(shù)研究與應(yīng)用

易光藕,張小軍,廖文德,葉小軍

(1.江西省投資集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330036;2.江西省應(yīng)急管理科學(xué)研究院,江西 南昌 330095;3.江西省減災(zāi)備災(zāi)中心,江西 南昌 330105;4.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 南昌 330103)

國內(nèi)外的煤礦生產(chǎn)實踐表明,礦井瓦斯抽采是控制采掘空間瓦斯?jié)舛?、消除采掘工作面瓦斯突出危險性的一種有效途徑,是解決瓦斯災(zāi)害問題的根本辦法[1-2].原始煤層的抽采瓦斯效果主要取決于煤層的透氣性系數(shù)[3-4],如何加大低透煤層瓦斯抽采鉆孔單孔流量或流速,提高煤層瓦斯抽采率,是現(xiàn)階段國內(nèi)外煤層瓦斯抽采、防治煤與瓦斯突出工作急需解決的關(guān)鍵問題之一.為了提高煤層的透氣性,國內(nèi)外學(xué)者分別從不同方向研究了增透技術(shù),其中國內(nèi)學(xué)者提出:

1)降低煤層對瓦斯的吸附能力,增加煤層可解吸瓦斯量,增加煤層透氣性.如宋超等[5]為了揭示聲震法提高煤層氣抽采率的微觀機(jī)理,通過掃描電鏡、比表面積及孔徑分析儀、核磁共振分析儀研究了超聲波處理對煤微觀結(jié)構(gòu)的影響;郭紅玉等[6]通過顯微鏡發(fā)現(xiàn)不同煤階煤經(jīng)二氧化氯浸泡后均有不同程度的刻蝕,且煤階越低,刻蝕越嚴(yán)重,試驗證實二氧化氯可以提高煤層滲透率,而且原始煤儲層滲透率越高,滲透率增加的幅度越顯著;王喬等[7]為解決煤層氣排采效率低的問題,采用CT掃描的精細(xì)觀測手段,對煤樣進(jìn)行鉆孔注液氮試驗,并分析其致裂過程與增透效果;王聰?shù)萚8]利用自制低頻激勵瓦斯解吸及測量裝置,研究低頻振動和聲波對瓦斯解吸的綜合影響.

2)對煤層進(jìn)行擾動,使煤層的裂縫增多,從而增加瓦斯逸散通道和煤層的透氣性.如潘文霞等[9]借助高壓水的動力效應(yīng)(氣蝕、振動、沖擊等)誘發(fā)煤層應(yīng)力場及礦巖裂隙發(fā)育的動態(tài)進(jìn)程,加速提高高瓦斯煤層的裂隙發(fā)育,增大煤層透氣性,進(jìn)而為煤層瓦斯抽采創(chuàng)造有利條件;劉東、劉文[10]為了提升煤層瓦斯抽采效率,減少礦井瓦斯抽采工程量和抽采時間,討論了水力沖壓卸壓增透機(jī)制,詳細(xì)闡述了水力沖壓卸壓增透技術(shù)的工程實施模式;龍威成等[11]為了提高順煤層鉆孔瓦斯抽采效果,在分析井下煤層水力壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其增透機(jī)理的基礎(chǔ)上,結(jié)合定向長鉆孔施工技術(shù)與煤層水力壓裂增透強(qiáng)化抽采技術(shù),提出了順煤層定向長鉆孔裸孔坐封、水力壓裂增透技術(shù)工藝;有學(xué)者針對高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯預(yù)抽難題,提出順層密集大直徑鉆孔布置和并管提(負(fù))壓的瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù),闡述了順層密集大直徑鉆孔布置實現(xiàn)全區(qū)域增透的抽采原理[12-13];還有學(xué)者就平煤十三礦瓦斯壓力高、含量高,前期水力沖孔效果不理想,鉆孔后期抽采效率低等情況,將液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)應(yīng)用于煤層二次增透,闡述相變致裂機(jī)理,分析液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)優(yōu)勢,考察相變致裂效果[14-15];再有學(xué)者為了研究高瓦斯低透氣性煤層穿層深孔爆破增透效果,以淮南丁集煤礦13-1煤層為工程背景,提出了煤-巖界面裝藥穿層爆破的方法,設(shè)計了爆破增透的實物模型,運用超動態(tài)測試系統(tǒng)分別實測了模型裝藥爆炸后煤與巖各層的爆炸波信號,觀察了裂縫的分布情況[16-17].

但在松軟低透氣性煤層的煤與瓦斯突出礦井使用時,以上方法增透效果均不明顯.21世紀(jì)初,高能復(fù)合射孔增透技術(shù)已逐步在我國的石油和天然氣、地面井煤層氣開采中試驗與推廣成功,目前已取得了較為滿意的增產(chǎn)效果[18-20].

箸者以江西煤業(yè)涌山煤礦井下抽采瓦斯鉆孔為研究背景,依循射孔彈聚能爆破原理,采用LS-DYNA軟件[21]模擬高能復(fù)合射孔彈產(chǎn)生的高能氣體侵徹煤層的應(yīng)力與裂縫拓展情況,得到高能復(fù)合射孔彈侵徹煤層深度,同時設(shè)計一種適用煤礦井下鉆孔的射孔彈彈架及其固封裝置,然后在井下試驗應(yīng)用.試驗結(jié)果表明,在煤礦井下鉆孔中采用高能復(fù)合射孔增透技術(shù),增透效果明顯.

1 工程概況

涌山煤礦位于江西樂平涌山橋礦區(qū)橫洛—涌山向斜東北段,礦區(qū)總體為一向斜構(gòu)造,向斜走向38°N～54°E,自西向東逐步向北偏移,大致呈弧形,軸面大部呈直立狀態(tài).向斜西北翼大部分地層被F8逆沖斷層組切割破壞,安源煤系之下煤組僅在-400 m水平以下發(fā)育，向斜東南翼煤層保存較完好.地層傾角一般在60°～80°,局部倒轉(zhuǎn),淺部巖層傾角較陡,往深部和向斜軸部逐漸平緩，下煤組煤層傾角較陡,上煤組煤層傾角逐漸平緩.

涌山煤礦開采二迭系安源煤組,主采的二、三、四、五、六、八煤均為煤與瓦斯突出危險煤層,煤層瓦斯參數(shù)見表1,屬難抽采煤層.

表1 煤層瓦斯參數(shù)

2 高能復(fù)合射孔增透技術(shù)LS-DYNA模擬分析

2.1 高能復(fù)合射孔

射孔彈是在射孔過程中用于穿透套管和地層的火工產(chǎn)品.而高能復(fù)合射孔彈是使用最廣泛的射孔彈,也是射孔效率最高的射孔彈,其結(jié)構(gòu)主要有殼體、起爆藥、主炸藥和藥形罩,如圖1所示.

圖1 高能復(fù)合射孔彈結(jié)構(gòu)及實物

2.2 高能復(fù)合射孔增透原理

技術(shù)原理主要是利用高能復(fù)合射孔彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓金屬射流壓裂鉆孔孔壁,對煤層和圍巖施加脈沖載荷,同時滲透鉆孔周圍煤和巖體,形成多條輻射狀裂縫,且與煤層和圍巖中的天然裂縫相溝通,最終有效提高鉆孔周圍煤和巖層的透氣性.其加載與造縫過程如圖2所示.

圖2 加載造縫模擬過程

2.3 壓裂過程煤層應(yīng)力變化及裂縫拓展情況

為了確定高能氣體壓裂前后的煤層應(yīng)力變化情況,以涌山煤礦六煤層(其圍巖力學(xué)指標(biāo)如表2所示)的實際賦存條件為例,現(xiàn)場擬采用DP43RDX45-1型高能復(fù)合射孔彈建立幾何模型和材料模型,設(shè)定相關(guān)參數(shù),并進(jìn)行數(shù)值模擬,得到煤層壓裂后的鉆孔周圍應(yīng)力變化情況和壓裂后煤層裂縫拓展情況,如圖3所示.

圖3 起爆前高能復(fù)合射孔彈安裝及起爆600 μs后煤層應(yīng)力等值線和煤層裂縫拓展情況

表2 六煤層及圍巖力學(xué)指標(biāo)

高能復(fù)合射孔彈爆破壓裂具有一定的方向性,高能復(fù)合射孔彈引爆后的射流方向與聚能穴的方向一致,不會像煤礦許用炸藥爆炸后形成球形空洞.

同一射孔彈架的多個高能復(fù)合射孔彈起爆后形成的金屬射流相互影響較小,且金屬射流對壓裂孔周圍煤層的擾動隨著其與壓裂孔壁距離的加大而逐漸減弱.

2.4 侵徹煤層深度

模擬過程中采用后處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到侵徹煤層深度隨時間的變化曲線,如圖4所示.

圖4 射流侵徹煤層深度隨時間變化曲線

從圖4可知:侵徹煤層深度隨時間變化逐漸增加,0～70 μs期間侵徹呈加速狀態(tài),110～160 μs期間則為侵徹減速過程,直至停止侵徹,侵徹深度(即影響半徑)約為1.65 m.

涌山煤礦六煤層不采取任何增透技術(shù)時的鉆孔抽采半徑約為2.0 m,通過壓裂技術(shù)對煤體進(jìn)行1.65 m的侵徹破壞后,將較大程度提升鉆孔抽采半徑.隨后射孔彈產(chǎn)生的爆生氣體持續(xù)對煤層裂縫進(jìn)行沖刷,大大提升了煤層透氣性.由高溫射流侵徹煤層模擬結(jié)果可知,合理布置射孔彈彈架,可以保護(hù)煤層頂?shù)装宀皇芷茐?同時增加增透技術(shù)現(xiàn)場施工的安全.

3 現(xiàn)場試驗及其效果

3.1 試驗地點及鉆孔施工情況

32采區(qū)六煤-410 m底板巷從-410 m石門開門后,沿六煤與五煤之間細(xì)砂巖、粉砂巖層位順層掘進(jìn),巷道位置上距六煤15 m,下距五煤20 m.六煤傾角平均78°,厚度平均1.85 m.在六煤底板巷施工1#鉆場,設(shè)計鉆場齊頭距六煤垂距不大于8 m.高能復(fù)合射孔彈壓裂孔垂直并穿透煤層施工.1#～8#效果考察鉆孔分布于高能復(fù)合射孔彈壓裂孔兩側(cè),平行于高能復(fù)合射孔彈壓裂孔施工,終孔間距以高能復(fù)合射孔彈壓裂孔為基點分別控制在2,3,4,5,6,7,8,9 m.為了觀察壓裂前后的鉆孔抽采瓦斯效果,在1#～8#考察鉆孔影響范圍之外,施工4個對比鉆孔9#～12#,其參數(shù)與壓裂孔參數(shù)一致,孔間距均為2 m.

3.2 高能復(fù)合射孔彈及彈架安裝方法

3.2.1 高能復(fù)合射孔彈的安裝

從包裝箱內(nèi)取出高能復(fù)合射孔彈,依次裝入配套的彈架(筒)后,用卡圈固定牢固.從彈架尾端開始,將煤礦許用瞬發(fā)電雷管放入壓裂彈尾部卡槽內(nèi),用木質(zhì)工具彎曲彈尾上的壓環(huán)壓緊電雷管,使電雷管的聚能穴部位緊帖住壓裂彈的起爆孔(彈槽內(nèi)金色圓箔下為傳爆孔),并用膠布粘穩(wěn),依次裝配完.

3.2.2 高能復(fù)合射孔彈彈架的安裝

彈架安裝是復(fù)合射孔試驗過程最關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響整個試驗的成功與否.由于煤層厚度及鉆孔施工過程偏斜的影響,其高能復(fù)合射孔彈彈架不宜太長,本次試驗項目組建議控制在1.5 m以內(nèi).射孔彈彈架由鍍鋅管緩慢送入壓裂鉆孔內(nèi),待孔外留有15～25 cm富余時停止運送,再連接一根鍍鋅管(管長約為4～5 m),以此類推,直至射孔彈彈架安裝至預(yù)定的位置,每個射孔彈由1個煤礦用雷管起爆,雷管腳線穿過彈架并用透明膠固定,在封孔端將錐形木楔連接送入鉆孔內(nèi),鍍鋅管從錐形木楔穿過連接深部的鍍鋅管.射孔彈裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 射孔彈彈架安裝

3.3 試驗效果

3.3.1 壓裂前后抽采瓦斯量對比

為了對比壓裂前后的抽采效果,在爆破壓裂后,將1#～8#效果考察鉆孔和9#～12#壓裂對比鉆孔接入抽采主管進(jìn)行抽采,每3 d觀測一次數(shù)據(jù),各考察鉆孔及對比鉆孔單日平均瓦斯流量結(jié)果如圖6所示.采用回歸分析法得到各孔的瓦斯流量衰減系數(shù),其中1#～8#考察鉆孔的衰減系數(shù)分別為0.048,0.051,0.049,0.050,0.023,0.046,0.061,0.056 d-1;9#～12#壓裂鉆孔的衰減系數(shù)分別為0.057,0.052,0.051,0.055 d-1.

從圖6可看出,5#孔單日平均抽采瓦斯流量比其他11個孔大,尤其是30 d后差距更大,而其瓦斯流量衰減系數(shù)較其他11個孔小,其他11個孔的單日平均抽采瓦斯流量和瓦斯流量衰減系數(shù)均相差不大.這說明高能復(fù)合射孔彈爆破壓裂后,高能氣體對壓裂鉆孔2 m半徑內(nèi)的煤層造成了一定的應(yīng)力變化,煤層增加了裂縫,瓦斯逸散通道更加暢通.

圖6 效果考察鉆孔與壓裂對比鉆孔單日平均瓦斯流量

3.3.2 壓裂影響半徑考察

為了得到較精確的壓裂影響半徑,在1#鉆場距離壓裂鉆孔1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9 m呈圓形布置8個鉆孔13#～20#,測定各孔瓦斯流量,其結(jié)果如圖7所示.

圖7 壓裂半徑考察孔單日平均瓦斯流量

從圖7可看出,隨著考察鉆孔與壓裂孔間距加大,其最大單日平均瓦斯流量逐漸減少,間距在1.8,1.9 m時的最大單日平均瓦斯流量與間距在1.6,1.7 m時的比較,衰減尤為明顯,對照模擬結(jié)果,可以判定射孔彈壓裂影響半徑約1.6～1.7 m.

4 結(jié)論

1)采用LS-DYNA軟件模擬DP43RDX45-1型高能復(fù)合射孔彈產(chǎn)生的高能氣體侵徹涌山煤礦六煤層的應(yīng)力與裂縫拓展情況,得到侵徹煤層深度(即影響半徑)約為1.65 m.現(xiàn)場試驗得到高能復(fù)合射孔彈壓裂影響半徑在1.6～1.7 m,與模擬結(jié)果吻合.

2)根據(jù)煤礦井下巷道條件研發(fā)的射孔彈彈架及其固封裝置,能很好地適應(yīng)煤礦井下巷道斷面小和鉆孔施工存在偏斜度、裝藥阻力較大等特殊狀況,為高能氣體增透技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下鉆孔提供了一種全新方案.

3)由于計算機(jī)的計算能力有限,在運用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行仿真模擬過程中,對幾何模型、邊界條件進(jìn)行了簡化,且網(wǎng)格劃分較稀疏,后續(xù)研究需加強(qiáng)對模型以及網(wǎng)格劃分的規(guī)范,并根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)定邊界條件,從而得出更精確的結(jié)論.