本煤層模塊化水力造穴增透試驗(yàn)探究

張 波

(山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046600)

中能煤業(yè)主采3號(hào)煤層，該煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.006 3 d-1、透氣性系數(shù)為0.412～0.88 m2/MPa2·d，屬于可以抽放煤層。井下瓦斯含量測(cè)量結(jié)果顯示：本區(qū)域煤層瓦斯解吸速度慢，且60%～70%瓦斯為粉碎解吸量，直接導(dǎo)致抽采鉆孔單孔抽采量低；同時(shí)本區(qū)域地應(yīng)力大，且復(fù)雜多變，鉆孔成孔后易塌孔，抽采區(qū)域地應(yīng)力難以釋放，進(jìn)而抑制瓦斯解吸，致使抽采鉆孔單孔抽采量衰減快。

目前，礦井瓦斯治理措施以順層鉆孔預(yù)抽為主，在日常工作中存在鉆孔工程量大、易塌孔、單孔純量低等問(wèn)題，直接導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)而造成礦井抽掘采平衡嚴(yán)重失調(diào)的局面。為此，結(jié)合水鉆釋放孔施工經(jīng)驗(yàn)和煤層實(shí)際條件，在2307工作面試驗(yàn)水力造穴+下篩管技術(shù)[1-3]。

1 試驗(yàn)方案

結(jié)合礦井煤層賦存條件和生產(chǎn)實(shí)際[4-5]，在2307工作面分三個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)：

1) 2307工作面開切眼回風(fēng)通道實(shí)施5個(gè)鉆孔，采用全程水力造穴方式驗(yàn)證水力造穴+下篩管技術(shù)在中能煤業(yè)使用的可行性及抽采效果高效性；鉆孔參數(shù)及施工工藝：鉆孔均為-1°下行孔，鉆孔長(zhǎng)度85～100 m，其中1號(hào)孔、2號(hào)孔施工工藝：D120 mm水鉆鉆進(jìn)—全程水力造穴—下篩管；3號(hào)孔、4號(hào)孔、5號(hào)孔施工工藝：D120 mm水鉆鉆進(jìn)—掏穴D260 mm—全程水力造穴—靜壓水洗孔—壓風(fēng)沖孔。

2) 在2307工作面開切眼實(shí)施12個(gè)水力造穴鉆孔，采用間隔水力造穴方式驗(yàn)證水力造穴在已抽區(qū)域?qū)罨ダ香@孔的可靠性；鉆孔參數(shù)：鉆孔間距為6 m，造穴段間距8 m，造穴長(zhǎng)度1 m，鉆孔距底板1.5 m，單排布置12個(gè)水力造穴鉆孔，采用間隔水力造穴方式。

3) 在2307工作面運(yùn)輸巷布置水力造穴鉆孔，未抽采區(qū)域推廣水力造穴+下篩管技術(shù)，即水力造穴鉆孔孔距為4 m，造穴段間距8 m.

2 試驗(yàn)效果分析

為了全面分析水力造穴鉆孔與普通鉆孔在瓦斯抽采效果、推廣應(yīng)用方面的可行性和必要性，從單孔抽采純量、鉆孔純量衰減分析、水力造穴鉆孔活化效果、水力造穴鉆孔與普通鉆孔綜合效率等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.1 單孔抽采純量

1) 第一階段：全程水力造穴試驗(yàn)。不同施工工藝下的水力造穴鉆孔單孔抽采純量均大于普通鉆孔，最大為6.39倍，如表1所示。

表1 不同施工工藝水力造穴試驗(yàn)鉆孔工藝及參數(shù)

2) 第二階段：間隔水力造穴試驗(yàn)。2307工作面間隔水力造穴鉆孔施工后，鉆孔周圍煤層裂隙發(fā)育，同時(shí)水力造穴鉆孔與周邊普通鉆孔存在裂隙聯(lián)通，對(duì)周邊衰老鉆孔起到了明顯活化作用。水力造穴鉆孔單孔抽采純量明顯比普通鉆孔大。水力造穴鉆孔和普通鉆孔的單孔抽采純量如表2所示。

表2 水力造穴鉆孔和普通鉆孔的單孔抽采純量

3) 第三階段：推廣運(yùn)用。在2307工作面運(yùn)輸巷實(shí)施水力造穴鉆孔，未抽采區(qū)域推廣水力造穴+下篩管技術(shù)，與普通鉆孔抽采純量對(duì)比如表3所示，結(jié)果表明水力造穴鉆孔單孔抽采純量明顯比普通鉆孔大。

表3 水力造穴鉆孔和普通鉆孔的單孔抽采純量

2.2 鉆孔抽采純量衰減分析

由于水力造穴試驗(yàn)鉆孔數(shù)量較多，選擇4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)試驗(yàn)孔進(jìn)行抽采純量衰減分析。

1) 水力造穴鉆孔在抽采第1～2 d內(nèi)，平均為0.139 9 m3/min，隨后純量快速上升，然后逐步下降，逐漸趨向于一個(gè)穩(wěn)定值。分析原因主要有兩點(diǎn)：①采用水力造穴卸壓增透措施后，鉆孔內(nèi)部煤體暴露面積增大，煤體卸壓，促進(jìn)煤體瓦斯解吸，煤層透氣性顯著增加，鉆孔煤壁大量游離瓦斯涌出，隨著抽采時(shí)間的繼續(xù)增加，孔內(nèi)積水不斷被抽走，造穴擾動(dòng)區(qū)域瓦斯將陸續(xù)運(yùn)移至鉆孔處，則出現(xiàn)抽采純量上升的現(xiàn)象；②隨著時(shí)間的推移，鉆孔附近煤體瓦斯含量顯著下降，而此時(shí)由于抽采時(shí)間較短，深部瓦斯尚未運(yùn)移至鉆孔處，同時(shí)由于孔內(nèi)積水難以排盡，煤壁瓦斯被積水掩蓋，這也就造成了純量顯著下降的現(xiàn)象。純量上升后煤體游離瓦斯不斷減少，吸附瓦斯開始解吸，二者達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)，即抽采純量出現(xiàn)下降并趨于穩(wěn)定。

2) 4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)試驗(yàn)孔采用間隔水力造穴工藝分別在21 d、2 d、44 d后流量趨于穩(wěn)定，衰減系數(shù)分別為0.000 6、0.015 3、0.003，平均為0.006 3 d-1.如表4所示。

2.3 水力造穴鉆孔活化效果

根據(jù)鉆孔瓦斯統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：普通鉆孔抽采濃度為0.14%～23%之間，平均濃度6.3%；實(shí)施水力造穴鉆孔后，周邊鉆孔濃度提升明顯，影響半徑為3 m，最遠(yuǎn)可影響到4～5 m，平均濃度由6.3%提升至44%，單孔濃度最高提升至80%.

表4 鉆孔抽采流量衰減系數(shù)

受水力造穴鉆孔活化周邊衰老鉆孔因素影響，水力造穴鉆孔抽采區(qū)域的抽采效率為普通鉆孔抽采區(qū)域的5.77倍，理論上可將抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短至原有的17%.同時(shí)由于水力造穴鉆孔造穴直徑大，抽采半徑大，能夠?qū)γ簩尤穸刃秹涸鐾?，因此具備抽采全厚煤層瓦斯的能力，解決了目前打鉆工藝下部分層位煤層難以抽采的問(wèn)題。

2.4 水力造穴鉆孔與普通鉆孔綜合效率分析

1) 施工時(shí)間。礦井順層鉆孔設(shè)計(jì)深度為120 m，水力造穴鉆孔造穴參數(shù)：30 m起始造穴、造穴間距8 m、造穴段長(zhǎng)度1 m，水力造穴鉆孔單孔用時(shí)比普通鉆孔多18.4 h.按照基本抽采單元施工區(qū)域8 m，水力造穴間距4 m，普通鉆孔間距1 m，需要施工2個(gè)水力造穴鉆孔、8個(gè)普通鉆孔，則總用時(shí)分別為63.4 h(2.64 d)、106.4 h(4.40 d)，即在一個(gè)基本抽采單元施工區(qū)域內(nèi)水力造穴鉆孔施工總用時(shí)比普通鉆孔少1.76 d.

2) 施工成本。按照基本抽采單元施工區(qū)域8 m，水力造穴間距4 m，普通鉆孔間距1 m，需要施工2個(gè)水力造穴鉆孔、8個(gè)普通鉆孔。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)基本抽采單元內(nèi)，水力造穴鉆孔總成本為60 733元，普通鉆孔總成本為65 518.6元。水力造穴鉆孔總成本為普通鉆孔的92.7%.

3) 抽采效率。根據(jù)2307工作面運(yùn)輸巷瓦斯抽采數(shù)據(jù)結(jié)果，在未抽采區(qū)域水力造穴鉆孔單孔抽采量為普通鉆孔的5.55倍，在一個(gè)基本抽采單元內(nèi)采用水力造穴工藝的抽采純量為普通鉆孔的1.90倍。

通過(guò)上述水力造穴鉆孔和普通鉆孔瓦斯抽采的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2307工作面一個(gè)基本抽采單元采用普通鉆孔時(shí)，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為4.5 a；采用水力造穴鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為1.33 a.

4) 成孔率。根據(jù)本區(qū)域內(nèi)普通鉆孔和水力造穴鉆孔成孔率統(tǒng)計(jì)，2307工作面運(yùn)輸巷內(nèi)普通鉆孔成孔率為57.5%；水力造穴鉆孔采用前進(jìn)式間隔造穴工藝，能有效對(duì)煤層進(jìn)行卸壓，基本杜絕了塌孔、夾鉆現(xiàn)象，水力造穴鉆孔成孔率為94.5%.

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 從單孔抽采純量方面比較，水力造穴鉆孔抽采純量為普通鉆孔5.55～7.44倍。

2) 工作面實(shí)施水力造穴鉆孔后，可有效活化周邊衰老鉆孔，鉆孔濃度提升明顯，鉆孔平均濃度由活化前的6.3%提升至44%，活化半徑為3 m；活化后水力造穴鉆孔抽采模塊抽采效率為普通鉆孔抽采模塊的5.77倍，理論上可將抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短至原有的17%；同時(shí)水力造穴鉆孔造穴直徑大，抽采半徑大，能夠?qū)γ簩尤穸刃秹涸鐾?，具備抽采全厚煤層瓦斯的能力，解決了目前打鉆工藝下部分層位煤層難以抽采的問(wèn)題。

3) 從鉆孔施工速度及成本、抽采效率、成孔率方面進(jìn)行綜合對(duì)比，水力造穴鉆孔明顯優(yōu)于普通鉆孔。

4) 以2307工作面一個(gè)基本抽采單元為例，采用普通鉆孔時(shí)，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為4.5 a；采用水力造穴鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為1.33 a；綜合考慮工作面水力造穴鉆孔的活化半徑及活化效果、鉆孔施工速度及成孔率等因素，工作面可采用水力造穴鉆孔與普通鉆孔交錯(cuò)布置形式。