低透氣性構(gòu)造軟煤瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用

李 普，張 一，孫澤源

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450042)

煤炭在我國一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比舉足輕重，并且隨著國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)飛速發(fā)展，在未來很長一段時間內(nèi)都會占很高的比例[1-3]。而我國現(xiàn)階段，煤炭開采逐步向西部和深部轉(zhuǎn)移，煤層賦存條件更加復(fù)雜多變，煤與瓦斯突出災(zāi)害更加嚴(yán)重[4-6]。隨著現(xiàn)代化科學(xué)測試技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研究學(xué)者開始考慮溫度場、電磁場及地應(yīng)力場等對煤層內(nèi)瓦斯流動的影響，對煤層瓦斯?jié)B流過程中的各種物理效應(yīng)進(jìn)行了測試和研究，以此為基礎(chǔ)發(fā)展形成瓦斯流動多物理場耦合理論，并建立了更為科學(xué)的瓦斯流動模型，得出了煤體在三軸應(yīng)力的作用下，煤樣滲透性與應(yīng)力有關(guān)，并且滲透率隨應(yīng)力的增加而呈指數(shù)形式減小，瓦斯在煤層中的運(yùn)移主要受煤層瓦斯壓力、煤層透氣性系數(shù)控制[7-9]。證實(shí)了煤層透氣性系數(shù)是影響瓦斯抽采的重要客觀因素。而現(xiàn)階段部分礦井開采進(jìn)入全層構(gòu)造煤，煤質(zhì)松軟、透氣性差，瓦斯災(zāi)害防治更加困難。

鉆孔瓦斯抽采是煤礦井下瓦斯災(zāi)害防治的重要舉措之一[10-12]，針對低透氣性煤層，國內(nèi)學(xué)者提出了煤層強(qiáng)化增透技術(shù)，如水力沖孔、割縫、壓裂等，一定程度上減小了瓦斯安全隱患，但是在全層構(gòu)造軟煤，透氣性極差條件下，目前沒有成熟的瓦斯抽采技術(shù)，幾乎是瓦斯抽采的禁區(qū)[13-15]，制約該類煤層瓦斯抽采的主要客觀因素為難以成孔和封孔。長期抽采實(shí)踐中表明低透氣性構(gòu)造軟煤采用水力沖孔、割縫、壓裂等增透技術(shù)措施，一定程度上提高了煤層透氣性，瓦斯抽采初期，瓦斯?jié)舛雀摺⒘髁看?，但是衰減較快，長期抽采則出現(xiàn)塌孔、堵孔現(xiàn)象[16-20]，據(jù)不完全統(tǒng)計，塌孔、堵孔現(xiàn)象可達(dá)50%，幾乎處于報廢狀態(tài)，很難發(fā)揮作用。鑒于此，為了能夠解決該類煤層瓦斯抽采技術(shù)難題，提出了基于封孔工藝、鉆孔修復(fù)及二次卸壓增透的穿層鉆孔瓦斯抽采成套工藝技術(shù)體系。既提高了抽采效果，又降低了煤與瓦斯突出災(zāi)害防治成本，且縮短了消突時間，為該類煤層安全、經(jīng)濟(jì)開采提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)礦井瓦斯地質(zhì)賦存概況

白坪`煤礦隸屬于鄭煤集團(tuán)，為煤與瓦斯突出礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力180萬t/a。礦井主采煤層為山西組二1煤層，研究區(qū)域位于礦井東區(qū)的13031工作面。受滑動構(gòu)造影響，煤層厚度變化較大，煤厚0.3～17.8m。煤的原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造完全受到破壞，局部見構(gòu)造煤二次壓固成煤，塊狀，不具原生結(jié)構(gòu)煤的特點(diǎn)，強(qiáng)度很低，指壓易碎，煤層堅固性系數(shù)f值一般小于0.15；△P值一般大于20，平均17.7；煤層透氣性系數(shù)極低，大約0.0001597～0.2621m2/(MPa2·d)，平均0.0032m2/(MPa2·d)；順層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.12～3.15d-1，平均1.6d-1；穿層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)5.8～29.21d-1，平均16.06d-1；13031工作面實(shí)測原始瓦斯含量6.00～9.29m3/t，平均6.08m3/t；原始瓦斯壓力0.16～1.74MPa，瓦斯分布極不均勻且與埋深無關(guān)?？傮w上屬于較難抽采煤層。

2 瓦斯抽采成套新工藝技術(shù)應(yīng)用

13031工作面煤層賦存條件復(fù)雜，傳統(tǒng)瓦斯抽采技術(shù)難以降低煤層瓦斯含量，減小工作面瓦斯涌出。采用優(yōu)化封孔工藝、“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”的穿層鉆孔瓦斯抽采新工藝技術(shù)提高瓦斯抽采效果，保障工作面安全回采。

2.1 穿層抽采鉆孔設(shè)計

試驗(yàn)巷道段設(shè)計鉆孔8組×2排/組×2孔/排=32個孔。其中，正常抽采孔4組，16個孔；優(yōu)化抽采孔4組，16個孔，孔徑均為94mm。1、3、5、7組鉆孔為傳統(tǒng)抽采鉆孔(對比鉆孔)，未采取優(yōu)化措施；2、4組鉆孔為優(yōu)化封孔工藝鉆孔；6、8組鉆孔為“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”試驗(yàn)鉆孔。鉆孔交叉布置，便于對比分析，試驗(yàn)穿層抽采鉆孔布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)穿層抽采鉆孔布置

單孔計負(fù)壓、濃度、流量，試驗(yàn)期間每2天觀測一次。確切掌握抽采鉆孔瓦斯流量、濃度、負(fù)壓等參數(shù)變化。

2.2 優(yōu)化封孔工藝

2、4組屬于優(yōu)化封孔工藝鉆孔，目的是考察在封孔深度5m，優(yōu)化使用簡易膠囊封孔器封孔，如圖2所示。封孔器前端連接?50PVC花管3m，優(yōu)化封孔條件下流量及濃度變化特征，同時也為進(jìn)一步鉆孔修復(fù)打下基礎(chǔ)。

圖2 FK-100型囊袋式簡易封孔器

優(yōu)化封孔采用簡易膠囊充氣膨脹，初期不能完全封堵抽采孔，會留有縫隙，負(fù)壓抽采時，空氣會從縫隙中流入，造成濃度偏小，抽采一段時間后，鉆孔收縮，簡易膠囊封孔的密封性會逐漸變好?？装鍦y試濃度變化如圖3所示，抽采初期瓦斯?jié)舛冉档洼^快，約1個月后，抽采濃度出現(xiàn)明顯反彈，并且持續(xù)一定的時間。

圖3 第2、4組抽采孔瓦斯?jié)舛茸兓€

優(yōu)化封孔方式，與傳統(tǒng)抽采孔相比隨著抽采時間延長，抽采負(fù)壓、抽采濃度、抽采混合量與抽采純量之間均呈正/余弦曲線變化的趨勢，而且具有一定的對應(yīng)性。抽采濃度明顯下降，但抽采純量總體變化不大，對比鉆孔瓦斯抽采純量見表1。由表1可以看出，優(yōu)化封孔后與傳統(tǒng)囊袋封孔方式對比鉆孔平均抽采濃度有所降低，減少幅度約0.23，但抽采量變化不大。由圖3也可以看出，孔板測試濃度變化的一個顯著特征是抽采初期瓦斯?jié)舛冉档洼^快，但大約1個月后，抽采濃度出現(xiàn)明顯反彈，并且持續(xù)一定的時間，說明采用簡易膠囊封孔優(yōu)化封孔后期效果較好，同時優(yōu)化封孔后為后續(xù)“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”提供便利。

表1 優(yōu)化封孔工藝后瓦斯抽采效果對比

2.3 “鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”技術(shù)

6、8組屬于“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”鉆孔，目的是考察優(yōu)化封孔抽采1個月后、拆開封孔器、實(shí)施“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”、再次封孔抽采條件下的流量及濃度變化特征。

“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”的原理是將高壓水送進(jìn)鉆孔內(nèi)，一方面沖去堵塞鉆孔的浮煤和碎煤，起到修復(fù)解堵老孔的作用，另一方面利用高壓水破煤，起到二次卸壓增透作用?！般@孔修復(fù)+二次卸壓增透” 原理如圖4所示。

圖4 “鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透” 原理

鉆孔修復(fù)的目的是疏通鉆孔并提高透氣性，煤體在高壓水射流的沖擊下發(fā)生壓碎破壞、拉伸破壞和應(yīng)力波破壞，而應(yīng)力波破壞又可通過應(yīng)力波的傳播擴(kuò)大高壓水射流沖擊煤體的影響范圍。煤體破碎被沖出后，隨著定點(diǎn)射孔作業(yè)的不斷進(jìn)行，鉆孔周圍部分煤體被逐漸沖出，在煤體中造成洞穴，鉆孔周圍應(yīng)力重新分布。如果煤巖體強(qiáng)度較低不能抵抗較高的應(yīng)力，鉆孔周圍將產(chǎn)生塑性區(qū)甚至破碎，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，在一定范圍內(nèi)將會產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)力降低，形成卸壓帶，實(shí)現(xiàn)二次卸壓增透。

為考察優(yōu)化封孔、“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”瓦斯抽采效果，布置6、8組抽采孔，連續(xù)觀測3個月抽采濃度如圖5所示。

圖5 第6、8組抽采孔瓦斯?jié)舛茸兓厔?/p>

“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”是在優(yōu)化封孔條件下進(jìn)一步采取的強(qiáng)化抽采措施，瓦斯抽采平均濃度得到大幅度提高，約是傳統(tǒng)抽采鉆孔的1.41～1.85倍，連續(xù)抽采3個月觀測抽采數(shù)據(jù)見表2。

從表2可知，優(yōu)化封孔、“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”優(yōu)化抽采，與第5、7組對比，瓦斯抽采平均濃度和抽采量均明顯提高，且瓦斯抽采純量3個月抽采量遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)4個月抽采量，有效提高了瓦斯抽采效率和抽采量，單孔平均抽采量是優(yōu)化前的3.11～3.85倍。通過以上全部分析，可以得出抽采孔首次采用優(yōu)化后的簡易膠囊封孔，進(jìn)行“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”，在低負(fù)壓狀態(tài)下，有效避免了因負(fù)壓過大導(dǎo)致的抽采孔漏氣現(xiàn)象，提高了瓦斯抽采效率、抽采量，降低了管道維修成本，對于該類極低透氣性煤層井下預(yù)抽煤層瓦斯意義較大。

表2 修復(fù)增透鉆孔與傳統(tǒng)抽采鉆孔抽采效果對比

3 結(jié) 論

1)針對白坪煤礦瓦斯地質(zhì)賦存情況，提出了基于優(yōu)化封孔工藝、“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”的穿層鉆孔瓦斯抽采成套新工藝技術(shù)體系。

2)對比分析了傳統(tǒng)鉆孔與優(yōu)化鉆孔抽采效果，通過現(xiàn)場試驗(yàn)優(yōu)化封孔工藝、“鉆孔修復(fù)+二次卸壓增透”的穿層鉆孔瓦斯抽采成套新工藝技術(shù)體系，瓦斯抽采平均濃度得到大幅度提高，約是傳統(tǒng)抽采鉆孔的1.41～1.85倍，有效提高了瓦斯抽采效率，優(yōu)化后3個月瓦斯抽采純量遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鉆孔4個月抽采量，單孔平均瓦斯抽采量是優(yōu)化前的3.11～3.85倍。