可控沖擊波增透技術(shù)在吉寧低孔低滲松軟煤層的應(yīng)用

蘇士龍，張永民，李文剛，高海海，趙有志，王向東，鄭 亮

(1.華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033099；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；3.山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

山西華晉吉寧煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，井田位于華北板塊鄂爾多斯地塊河?xùn)|區(qū)塊的南部邊緣，整體為走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造。目前開采的2#煤層平均厚度6.22 m，傾角6°，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.20，平均噸煤瓦斯含量8.23 m3/t，孔隙率η=3.5%，透氣性系數(shù)λ=0.028 3 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α=0.053 1 d-1，屬較難抽放貧瘦煤層。當(dāng)前吉寧煤礦所面臨的瓦斯治理難題在于常規(guī)措施(含CO2增透和密集鉆孔預(yù)抽措施)鉆孔預(yù)抽流量衰減快(平均89 d)、抽采純量及濃度低(0.01～0.03 m3/min、30%)，鉆孔預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)、預(yù)抽效果差，已嚴(yán)重制約了礦井正常生產(chǎn)接續(xù)和安全生產(chǎn)。

高瓦斯含量、低透氣性煤層的瓦斯治理一直以來都是制約煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位先后提出了聲震法、水力壓裂、高壓空氣爆破、CO2增透等瓦斯治理新技術(shù)[1-3]?？煽貨_擊波煤層增透技術(shù)能在煤層實(shí)施不同尺度的裂隙并形成復(fù)雜縫網(wǎng)[4-5]，是目前低透氣性煤層增透的理想措施。結(jié)合吉寧煤礦生產(chǎn)進(jìn)度安排，采用可控沖擊波增透技術(shù)在2103工作面軌道順槽巷道內(nèi)開展鉆孔增透試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容為可控沖擊波影響范圍的驗(yàn)證和沖擊波作業(yè)工藝參數(shù)的確定。試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的本煤層預(yù)抽鉆孔采用“三花眼”高低位雙排布置，同排鉆孔間距6 m，下排鉆孔開孔位置距巷道底板1.2 m，上排鉆孔、下排鉆孔間距為0.8 m，鉆孔終孔直徑133 mm。

1 可控沖擊波增透原理

可控沖擊波增透技術(shù)的“可控”內(nèi)涵是指產(chǎn)生的沖擊波幅值、脈寬可控，即沖擊波的壓力和持續(xù)時(shí)間可通過設(shè)置進(jìn)行控制，使沖擊波的能量控制在煤巖層抗壓強(qiáng)度之上、鉆孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度之下，不破壞鉆孔結(jié)構(gòu)又能對(duì)煤巖層做功。作業(yè)區(qū)域可控，即通過移動(dòng)設(shè)備，對(duì)鉆孔進(jìn)行多點(diǎn)均衡沖擊，達(dá)到全孔段激勵(lì)和改造煤層的目的[6-7]，無需其他輔助和配套設(shè)施。重復(fù)作業(yè)次數(shù)可控，即沖擊波產(chǎn)生設(shè)備的工作次數(shù)可根據(jù)不同煤巖物性進(jìn)行智能調(diào)整，設(shè)備單次入孔可根據(jù)需要對(duì)鉆孔內(nèi)多個(gè)沖擊點(diǎn)位累計(jì)沖擊50～200次。

可控沖擊波的作用原理為：采用初級(jí)電源進(jìn)行儲(chǔ)能，通過設(shè)備內(nèi)部各種開關(guān)的快速切換，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的脈沖壓縮和功率放大，當(dāng)儲(chǔ)量達(dá)到擊穿閾值時(shí)，可在極短的時(shí)間內(nèi)(毫秒級(jí))將能量(20 kV及以上)釋放給負(fù)載，從而在有限的空間和時(shí)間內(nèi)形成極端條件下的物理環(huán)境，同時(shí)在介質(zhì)水的傳播下作用到煤層中[8-9]。通過在設(shè)備前端控制能量輸出的大小，所產(chǎn)生的沖擊波峰值雖然可達(dá)到150 MPa以上，但其單次沖擊時(shí)脈寬持續(xù)時(shí)間僅有數(shù)十微秒，且兩次沖擊的間隔時(shí)間在1 min以上，故不會(huì)破壞鉆孔的整體結(jié)構(gòu)[10]。沖擊波在不同的區(qū)域通過致裂、撕裂和高彈性聲波的作用模式，在煤層中形成沖擊波帶、壓縮波帶和高彈性波帶，分別達(dá)到破裂煤層形成裂縫、以剪切和拉張的方式形成縫網(wǎng)，剝離煤粉疏通滲流通道，削弱毛管力促進(jìn)解吸的目的。隨著沖擊次數(shù)的增加，煤體中微裂隙線密度增大，使煤體內(nèi)里原生裂隙和沖擊波創(chuàng)造的裂隙進(jìn)行溝通、串聯(lián)，形成縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)并與鉆孔溝通[11-12]。

2 可控沖擊波增透試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)

結(jié)合吉寧煤礦生產(chǎn)條件，在兩類區(qū)域布置試驗(yàn)鉆孔，開展可控沖擊波增透試驗(yàn)，即采幫(受鄰近常規(guī)鉆孔影響區(qū)域)和非采幫(實(shí)體煤，無任何影響)，分別考察鄰近已抽采鉆孔影響和鄰近無任何影響下的可控沖擊波增透效果。 增透試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)孔深200 m，鉆孔直徑133 mm(可控沖擊波裝置外徑90 mm，裝置總長(zhǎng)為6.5 m)，對(duì)孔內(nèi)下入長(zhǎng)度15 m的封孔管支護(hù)孔口段。受已有常規(guī)鉆孔布孔限制，在巷道內(nèi)相對(duì)空白區(qū)布置了增透試驗(yàn)鉆孔。同時(shí)，為考察可控沖擊波增透影響效果和范圍，設(shè)計(jì)了三種距離的觀測(cè)鉆孔。最近距離，如距離2#增透鉆孔1 m和3 m處設(shè)計(jì)軌道2-1#觀測(cè)鉆孔和軌道2-2#觀測(cè)鉆孔；中等距離，如距離4#增透鉆孔10 m和20 m處設(shè)計(jì)軌道4-1#觀測(cè)鉆孔和軌道4-2#觀測(cè)鉆孔；最遠(yuǎn)距離，如距離1#增透鉆孔40 m和60 m處設(shè)計(jì)有軌道1-1#觀測(cè)鉆孔和軌道1-2#觀測(cè)鉆孔。增透鉆孔與常規(guī)鉆孔、增透鉆孔與觀測(cè)鉆孔位置設(shè)計(jì)布置見圖1。

(注：實(shí)線為增透孔，虛線為觀測(cè)孔。)圖1 增透鉆孔與觀測(cè)鉆孔布置圖Fig.1 Layout of anti-reflection boreholes and observation boreholes

2.2 增透工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

可控沖擊波增透技術(shù)雖然在前期實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上取得了一些較好的應(yīng)用效果[13-14]，但是可控沖擊波在低透氣性煤層瓦斯治理應(yīng)用中的孔口保留深度、沖擊點(diǎn)間距和單點(diǎn)沖擊次數(shù)和對(duì)作業(yè)效果的影響并沒有較為合理的設(shè)計(jì)依據(jù)和應(yīng)用借鑒。為尋求目標(biāo)煤層的最佳作業(yè)工藝參數(shù)，本次分別形成了孔口保留深度、沖擊點(diǎn)間距和單點(diǎn)沖擊次數(shù)的作業(yè)工藝參數(shù)的對(duì)比設(shè)計(jì)。其中，孔口保留深度出于對(duì)安全與作業(yè)效果兩方面考慮，設(shè)計(jì)了0～30 m和0～40 m兩種參數(shù)；作業(yè)點(diǎn)間距方面，出于沖擊波疊加影響和單孔作業(yè)效率兩種考慮，形成了沖擊點(diǎn)間距6 m和9 m兩種參數(shù)；單點(diǎn)沖擊次數(shù)方面，因不同區(qū)域的煤受構(gòu)造、煤化程度等影響物性相差巨大，分別有單點(diǎn)沖擊6次、8次和9次三種參數(shù)。

由于部分鉆孔串孔或終孔進(jìn)入底板巖層，7個(gè)增透試驗(yàn)鉆孔的實(shí)鉆深度合計(jì)為1 129 m，平均單孔深度161 m。同時(shí)，由于鉆孔不夠平直導(dǎo)致沖擊波設(shè)備推送遇阻，未能對(duì)全孔實(shí)施增透，7個(gè)增透鉆孔的增透深度為467 m，平均單孔增透深度66.7 m。增透試驗(yàn)鉆孔作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)際作業(yè)參數(shù)見表1。

表1 可控沖擊波增透試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)表Table 1 Parameters design of controllable shock wave antireflection test

2.3 可控沖擊波增透作業(yè)工序

作業(yè)工序：①采用定向鉆機(jī)順煤層完成直徑133 mm鉆孔施工；②沖擊波設(shè)備與中心通纜式鉆桿連接，利用鉆機(jī)將沖擊波設(shè)備推送至孔底第1個(gè)增透作業(yè)點(diǎn)；③借助法蘭對(duì)孔口進(jìn)行簡(jiǎn)易密封；④孔外控制器通過通訊電纜與中心通纜式鉆桿連接，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)和孔外設(shè)備的信號(hào)通訊；⑤采用通纜式注水器向孔內(nèi)注入清水，之后孔外控制器接通電源完成作業(yè)參數(shù)設(shè)定并開始作業(yè)；⑥利用鉆機(jī)將沖擊波設(shè)備回退至孔內(nèi)第2個(gè)、第3個(gè)、…、第n個(gè)作業(yè)點(diǎn)位，可控沖擊波增透作業(yè)示意見圖2。

圖2 可控沖擊波作業(yè)示意圖Fig.2 Diagram of controllable shock wave operation

3 可控沖擊波增透試驗(yàn)效果與分析

3.1 增透與觀測(cè)鉆孔抽采效果

由于鉆孔順應(yīng)煤層角度，全部試驗(yàn)鉆孔均為0°～-3°的下行鉆孔，試驗(yàn)完成后部分試驗(yàn)鉆孔存在封孔不嚴(yán)、鉆孔水無法及時(shí)排出等情況，直接影響了增透效果的顯現(xiàn)。2103軌道順槽7個(gè)增透鉆孔平均抽采166 d，累計(jì)抽出瓦斯量為28.55×104m3，平均單孔抽采量為4.08×104m3，折合單孔抽采量為245.1 m3/d(0.17 m3/min)，較常規(guī)鉆孔最高提高15.67倍，平均提高5.60倍。其中，在采幫區(qū)域增透鉆孔平均抽采量為259.4 m3/d(表2)，平均提高5.90倍；非采幫實(shí)體煤區(qū)域增透鉆孔平均抽采量為220 m3/d(表3)，平均提高5倍。

表2 2103軌道采幫區(qū)域增透試驗(yàn)鉆孔抽采情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Drainage statistic of antireflection drilling borehole in mining areas of 2103 tunnel

表3 2103軌道非采幫區(qū)增透鉆孔抽采情況統(tǒng)計(jì)表Table 3 Drainage statistic of antireflection drilling borehole in non-mining areas of 2103 tunnel

在采幫區(qū)域增透孔鄰近不同距離上設(shè)置的6個(gè)觀測(cè)鉆孔(表4)累計(jì)抽出瓦斯量為14.4×104m3，平均單孔抽采量為2.4×104m3，折合單孔抽采量為181.77 m3/d(0.13 m3/min)，較常規(guī)鉆孔最高提高6.67倍，平均提高4.2倍。

表4 2103軌道采幫區(qū)觀測(cè)鉆孔抽采情況統(tǒng)計(jì)表Table 4 Drainage statistic of observation borehole in mining areas of 2103 tunnel

需要說明的是，由于采幫區(qū)域有大量常規(guī)鉆孔的影響，剔除距離遠(yuǎn)、抽采效果異常(兩孔流量對(duì)拉)的6#增透鉆孔和7#增透鉆孔，僅將采幫1#增透鉆孔、2#增透鉆孔和4#增透鉆孔與非采幫3#增透鉆孔和5#增透鉆孔日均抽采量進(jìn)行對(duì)比可知，非采幫區(qū)域的2個(gè)增透鉆孔的日均抽采量是采幫區(qū)域3個(gè)增透鉆孔(108 m3/d)的2倍，由此可見若采幫區(qū)域內(nèi)無鉆孔或其他措施影響而全部實(shí)施增透鉆孔的話，日均抽采量將得到極大提升。

3.2 增透工藝參數(shù)分析

結(jié)合表2和表3，在相同作業(yè)參數(shù)條件下，孔口保留深度對(duì)增透效果的影響無規(guī)律可循。但從安全角度考慮，增透鉆孔的孔口保留深度必須存在，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)維持在0～40 m較為合適。

對(duì)比非采幫與采幫增透鉆孔的作業(yè)工藝參數(shù)和抽采數(shù)據(jù)，如6#增透鉆孔和7#增透鉆孔(圖3(a))、3#增透鉆孔和5#增透鉆孔(圖3(b))，兩組鉆孔均存在流量“對(duì)拉”現(xiàn)象。表現(xiàn)為：兩鉆孔在抽采初期抽采負(fù)壓、鉆孔積水、解吸速度和孔間裂隙貫通而未形成平衡狀態(tài)，在抽采曲線上表現(xiàn)為波動(dòng)較大。隨著抽采時(shí)間的持續(xù)，裂隙豐富的一側(cè)鉆孔抽采量逐步增大，沖擊波影響區(qū)域內(nèi)的甲烷解吸后向該側(cè)鉆孔滲流，抽采曲線穩(wěn)定上升。結(jié)合抽采量和抽采曲線認(rèn)為，針對(duì)吉寧煤礦的煤層條件，采用沖擊點(diǎn)間距9 m、單點(diǎn)沖擊次數(shù)6～8次的鉆孔抽采情況顯著優(yōu)于沖擊點(diǎn)間距6 m、單點(diǎn)沖擊9次的鉆孔，如3#增透鉆孔和7#增透鉆孔。

圖3 采幫區(qū)與非采幫區(qū)增透試驗(yàn)鉆孔抽采量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Drainage statistic of anti-reflection borehole in mining areas and non-mining areas

更進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)鉆孔的抽采純量、增透深度與沖擊密度(增透作業(yè)范圍內(nèi)，每米作用的增透作業(yè)次數(shù))的關(guān)系，如圖4所示。在采幫區(qū)域由于鄰近常規(guī)鉆孔的影響，作業(yè)工藝參數(shù)方面僅對(duì)非采幫實(shí)體煤區(qū)域的3#增透鉆孔和5#增透鉆孔進(jìn)行分析。3#增透鉆孔在最小沖擊參數(shù)下(9 m/6次，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況折算為沖擊密度0.66次/m)，鉆孔平均抽采純量(0.17 m3/min) 最高； 5#增透鉆孔的沖擊參數(shù)最大(6 m/9次，1.55次/m)，其抽采純量雖然略低于3#增透鉆孔，但是參考圖3(b)可知，3#增透鉆孔與5#增透鉆孔的流量“對(duì)拉”曲線，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，3#增透鉆孔的效果顯著高于5#增透鉆孔。綜上分析認(rèn)為，針對(duì)吉寧煤礦這一煤層條件，可控沖擊波作業(yè)工藝參數(shù)以沖擊點(diǎn)間距9 m，單點(diǎn)沖擊6次為最佳。

圖4 增透鉆孔抽采量與增透工藝參數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between drainage of anti-reflection borehole and anti-reflection parameters

3.3 增透影響半徑分析

非采幫區(qū)域的3#增透鉆孔、5#增透鉆孔間距150 m，抽采曲線上雖然呈對(duì)拉形態(tài)，證明存在互相擾動(dòng)，但是由于沒有觀測(cè)孔佐證，不便于增透影響半徑分析。因此，將采幫區(qū)域增透本孔與不同距離上觀測(cè)鉆孔的抽采曲線進(jìn)行對(duì)比(圖5)，三組觀測(cè)鉆孔的抽采效果均好于增透本孔。在最遠(yuǎn)距離的1#鉆孔組中，由于增透本孔措施后封孔不嚴(yán)，對(duì)比性較差，但是距離40 m處的觀測(cè)孔，抽采數(shù)據(jù)顯著高于常規(guī)孔和增透本孔，可以認(rèn)為是可控沖擊波效果；在最近距離的2#增透鉆孔組中，由于距離過近，分析認(rèn)為兩個(gè)觀測(cè)孔實(shí)際分享了增透效果，尤其在距離3 m位置的觀測(cè)鉆孔其抽采曲線與本孔曲線相似度極高；在中等距離的軌道4#增透鉆孔中，兩個(gè)觀測(cè)孔分布在本孔兩側(cè)，整體趨勢(shì)相同，但仍高于常規(guī)鉆孔抽采情況，可以認(rèn)為兩孔均受到可控沖擊波影響。

圖5 增透鉆孔與觀測(cè)鉆孔抽采量統(tǒng)計(jì)Fig.5 Drainage statistic of anti-reflection and observation borehole

采用觀測(cè)孔與增透鉆孔的間距、不同距離上觀測(cè)鉆孔抽采量的提高來確定沖擊波的影響半徑(表5和圖6)，在最近距離組(1 m和3 m)的兩個(gè)觀測(cè)孔處于增透孔致裂范圍內(nèi)，抽采效果好于增透鉆孔；隨著距離的增加和沖擊波對(duì)煤層的繼續(xù)做功，在中等距離組(10 m和20 m)內(nèi)的觀測(cè)孔效果明顯低于增透孔的抽采效果，指示該區(qū)域的壓縮波作用形成了一部分裂隙帶；在最遠(yuǎn)距離組(40 m和60 m)的兩個(gè)觀測(cè)鉆孔抽采量顯著高于增透孔，顯示觀測(cè)孔受到高強(qiáng)聲波的作用。將觀測(cè)鉆孔與增透孔進(jìn)行瓦斯抽采量增量對(duì)比，在1 m處的觀測(cè)孔抽采效果成倍高于增透孔，隨著距離的增加，觀測(cè)鉆孔的增量呈線性提高，強(qiáng)烈指示沖擊波的最大影響距離達(dá)到60 m左右。

表5 采幫區(qū)增透鉆孔、觀測(cè)鉆孔間距與抽采量關(guān)系表Table 5 Relationship of pitch and drainage between the antireflection drilling borehole and observation borehole

4 結(jié) 論

1) 可控沖擊波增透鉆孔日均瓦斯抽采量平均提高5.6倍，觀測(cè)鉆孔的平均抽采量為4.2倍，驗(yàn)證了可控沖擊波可有效提高低透氣性煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔的抽采效果。

2) 采幫與非采幫區(qū)域增透鉆孔抽采曲線均存在流量“對(duì)拉”現(xiàn)象，隨著抽采時(shí)間的持續(xù)，作業(yè)參數(shù)以9 m作業(yè)點(diǎn)間距、6次單點(diǎn)作業(yè)次數(shù)最佳?？卓诒Ａ羯疃葘?duì)抽采效果影響較弱，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)維持在0～40 m較為合適。

3) 隨著距離的增加煤層觀測(cè)鉆孔瓦斯抽采增量呈線性提高，可控沖擊波最大增透影響距離達(dá)到60 m左右。