高能氣體預(yù)裂增透抽采瓦斯技術(shù)及實(shí)踐

楊思凡,郝 凱

(晉能控股集團(tuán) 沁秀煤業(yè)有限公司坪上煤業(yè), 山西 晉城 048200)

瓦斯一直是困擾煤礦安全高效開采的首要難題,瓦斯抽采手段已經(jīng)成為防治煤與瓦斯突出和煤系能源開發(fā)最重要的技術(shù)之一。隨著煤礦技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員提出了多種礦井瓦斯抽采方法[1-2],主要包括開采層抽采、鄰近層抽采和采空區(qū)抽采3類。

我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層瓦斯含量高、煤質(zhì)松軟、煤層透氣性系數(shù)低、地應(yīng)力大,該類特征的煤層瓦斯抽采往往較為困難。目前我國煤礦瓦斯高效抽采的主要技術(shù)手段是采用一定力學(xué)效應(yīng)的技術(shù)對煤層結(jié)構(gòu)進(jìn)行擾動,使其產(chǎn)生裂隙,從而增加瓦斯逸散通道、提升煤層透氣性。如大孔徑鉆孔及交叉布孔卸壓、高壓注水、水力壓裂、水力割縫、水力增透、CO2預(yù)裂增透、高能氣體增透、深孔爆破增透等技術(shù)方法[3-5].

高能氣體壓裂技術(shù)可以形成不受原始地應(yīng)力控制的多條徑向主裂縫體系[6-7],具有工藝簡單、安全可靠、費(fèi)用低、對地層污染小、無需水源要求等優(yōu)勢。山西省長治市沁水煤田某煤礦3號煤層裂隙不發(fā)育,瓦斯抽采具有透氣性差、衰減快、流量小等特征。因此,擬實(shí)施高能氣體增透技術(shù)以提高瓦斯抽采率和抽采速度。

1 高能氣體預(yù)裂增透機(jī)理

高能氣體預(yù)裂增透集射孔和壓裂作用于一體[7]. 在高能氣體預(yù)裂增透過程中,高壓氣體從高壓管中瞬時噴出作用于鉆孔孔壁,氣體射流軸心方向的動能最大,在孔壁滯點(diǎn)優(yōu)先破壞煤層,主要是開啟原始裂隙并向遠(yuǎn)端延伸,當(dāng)動能小于煤體強(qiáng)度時,裂隙擴(kuò)展終止;同時,后續(xù)氣體靜壓力迅速跟進(jìn),對射孔孔道進(jìn)行沖刷、壓裂,產(chǎn)生徑向和軸向的裂縫,直至其靜壓力小于煤體強(qiáng)度,最終在煤層孔道中形成多向網(wǎng)狀裂縫,可大幅提高煤層透氣性[8].

根據(jù)鉆孔周圍煤巖不同狀態(tài),從鉆孔由近及遠(yuǎn)劃分為4個區(qū):破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[9]. 通常,高能氣體壓裂都采用柱狀裝藥,爆炸后產(chǎn)生的應(yīng)力波多為柱面波。爆炸時在煤巖鉆孔中形成沖擊波,沖擊波快速衰減,演變?yōu)閼?yīng)力波,繼續(xù)往煤巖深部傳播,變?yōu)閺椥缘卣鸩╗10]. 由于煤層結(jié)構(gòu)的裂隙-孔隙二重性,鉆孔在成孔過程中對圍巖的破壞,使鉆孔與圍巖之間生成了溝通鉆孔和煤巖內(nèi)部孔隙裂隙的縫隙。當(dāng)封閉的鉆孔內(nèi)給予不斷升高的空氣壓力時,鉆孔內(nèi)壓力將隨連通裂隙滲流入煤巖內(nèi)部,驅(qū)動部分裂隙擴(kuò)展[11].

2 礦井瓦斯抽采狀況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于山西省長治市,為沁水煤田。預(yù)裂煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3號煤,煤層厚度4.30～5.80 m,平均厚4.76 m. 煤層結(jié)構(gòu)簡單,全區(qū)可采,緩傾斜煤層。煤層頂板為深灰?guī)r泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖,深灰色粉砂巖。3號煤為貧煤,煤質(zhì)堅(jiān)硬,煤層瓦斯含量4.87～20.08 m3/t,平均為14.52 m3/t,瓦斯含量大。鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.097 8～0.148 d-1,煤層透氣性系數(shù)0.005 54～0.007 3 m2/MPa2·d,煤層裂隙不發(fā)育,內(nèi)生裂隙普遍處于壓實(shí)閉合狀態(tài),具有透氣性差、衰減快、流量小等難抽煤層的綜合特征。

目前礦井回采工作面采用密集鉆孔抽采,鉆孔直徑115 mm,鉆孔間距1 m,鉆孔長度120～150 m,交叉鉆孔,聚氨酯封孔和水泥封孔;掘進(jìn)工作面采用邊掘邊抽、預(yù)抽瓦斯的方法。

對1137個鉆孔、長107 605 m鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),見表1. 5條巷道的管路最高瓦斯?jié)舛葹?.34%,最低為1.95%,平均為5.006%. 巷道萬米鉆孔瓦斯抽采量最大為1.97 m3/min,最小為0.58 m3/min,平均為1.184 m3/min. 可見,采用原瓦斯抽采方法,其回采面的抽采效率較低,具有抽采瓦斯?jié)舛鹊汀⒓兺咚沽髁啃?、萬米瓦斯抽采效率差等特征。

表1 礦井瓦斯抽采情況統(tǒng)計(jì)表

3 高能氣體預(yù)裂增透實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)初期采用迎頭、鉆場抽采,在迎頭正中布置1個高能氣體預(yù)裂孔,左右鉆場內(nèi)12個鉆孔作為輔助孔。鉆孔深度為60 m,鉆孔孔徑為113～115 mm,掘進(jìn)工作面迎頭預(yù)裂60 m為一個循環(huán)(預(yù)裂孔長80 m,允許掘進(jìn)60 m),鉆場輔助孔可在預(yù)裂作業(yè)前施工。封孔深度大于15 m.

煤層透氣性系數(shù)采用中國礦業(yè)大學(xué)提出的徑向不穩(wěn)定流動法的計(jì)算公式進(jìn)行測定[2],預(yù)裂前原始鉆孔煤層透氣性系數(shù)為0.003 809 m2/(MPa2·d),而采用高能氣體預(yù)裂增透鉆孔煤層透氣性系數(shù)為0.186 899 m2/(MPa2·d). 預(yù)裂后,透氣性系數(shù)提高近50倍,煤層透氣性大幅提升,極大地促進(jìn)了瓦斯抽采。

鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)采用下式進(jìn)行測定:

qt=q0e-βt

式中:qt為百米鉆孔經(jīng)t日后排放時的瓦斯流量,m3/min·hm;q0為百米鉆孔成孔初始時的瓦斯流量,m3/min·hm;t為鉆孔涌出瓦斯經(jīng)歷時間,d;β為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù),d-1.

預(yù)裂前后測定結(jié)果分別見圖1,圖2.

圖1 1#原始鉆孔瓦斯自然涌出衰減規(guī)律圖

圖2 3#高能氣體預(yù)裂增透鉆孔瓦斯自然涌出衰減規(guī)律圖

1#原始鉆孔瓦斯自然涌出衰減規(guī)律y=16.766e-0.294 3x,得鉆孔衰減系數(shù)為0.294 3 d-1,百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為215.932 5 m3;3#預(yù)裂鉆孔瓦斯自然涌出衰減規(guī)律y=9.046 2e-0.049 6 x,得鉆孔衰減系數(shù)為0.049 6 d-1,百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為858.045 2 m3. 鉆孔瓦斯自然涌出衰減系數(shù)由0.294 3 d-1降低到0.049 6 d-1,煤層由難抽變?yōu)榭沙?百米鉆孔瓦斯自然涌出極限提高近4倍。

注入/壓降試井作為一種常用試井方法在煤層氣井中廣泛應(yīng)用,基于煤儲層低壓、低滲的特征,利用煤層氣試井的基本原理,對井下煤層滲透率進(jìn)行測試[12].

通過對原始鉆孔注入/恢復(fù)測試,得到原始鉆孔氣體滲透率為0.01 mD. 高能氣體預(yù)裂增透鉆孔氣體滲透率為0.295 mD,預(yù)裂后煤層滲透率提高29.5倍。

采用壓力指標(biāo)法對瓦斯有效抽采半徑進(jìn)行測試。根據(jù)井下實(shí)測原始鉆孔瓦斯壓力-時間擬合關(guān)系,得出預(yù)裂前后鉆孔瓦斯抽采半徑與時間關(guān)系,見圖3,4. 可以看出,高能氣體預(yù)裂增透鉆孔有效抽采半徑在相同的時間內(nèi)要遠(yuǎn)優(yōu)于原始鉆孔瓦斯抽采有效影響半徑,提升2.5倍以上。

圖3 原始鉆孔瓦斯抽采半徑與時間關(guān)系圖

圖4 高能氣體預(yù)裂增透鉆孔瓦斯抽采半徑與時間關(guān)系圖

瓦斯抽采過程中,普通預(yù)抽鉆孔封孔并網(wǎng)后,單孔瓦斯?jié)舛仍?～15天會衰減到5%～10%,純瓦斯流量為0.01～0.03 m3/min,抽采效率快速下降,導(dǎo)致抽采效果較差。

對1#及3#實(shí)踐孔采用高能氣體預(yù)裂增透抽采技術(shù)實(shí)踐后,為進(jìn)一步考察高能氣體預(yù)裂增透技術(shù)瓦斯抽采效果,共施工和連續(xù)監(jiān)測高能氣體預(yù)裂增透瓦斯抽采鉆孔16個,預(yù)裂后抽采時間為2～7個月,平均瓦斯純流量平均濃度為32.9%,提高了5～7倍;最小純量0.03 m3/min,最大純量0.13 m3/min,平均純量0.062 5 m3/min,提高6倍左右,測定參數(shù)見圖5.

圖5 16個預(yù)裂鉆孔平均瓦斯抽采參數(shù)柱狀圖

為考察預(yù)裂孔瓦斯抽采效果,選擇1301工作面運(yùn)輸巷預(yù)裂2-1鉆孔,統(tǒng)計(jì)了自4月14日至5月28日共計(jì)44天的抽采參數(shù),共計(jì)154組數(shù)據(jù),得到瓦斯抽采參數(shù)變化趨勢見圖6. 由圖6可知,預(yù)裂后單孔平均濃度為45.24%,提高4～9倍;平均瓦斯純流量0.103 m3/min,提高3～8倍;累計(jì)抽采瓦斯11 420.64 m3.

圖6 1301運(yùn)輸巷2-1預(yù)裂孔瓦斯抽采參數(shù)趨勢圖

統(tǒng)計(jì)1301工作面運(yùn)輸巷預(yù)裂B2鉆孔201天的抽采參數(shù),共計(jì)402組數(shù)據(jù),得到瓦斯抽采參數(shù)變化趨勢見圖7. 預(yù)裂后單孔平均濃度為53.6%,提高5～10倍;平均瓦斯純流量0.079 m3/min,提高2～8倍;累計(jì)抽采瓦斯22 865.76 m3.

圖7 1301運(yùn)輸巷B2預(yù)裂孔瓦斯抽采參數(shù)趨勢圖

對回采工作面預(yù)裂增透情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),試驗(yàn)孔瓦斯?jié)舛扔稍囼?yàn)前的5%～10%提高到32.6%～67%,提高了3～6倍;鉆孔平均單孔抽采瓦斯量由試驗(yàn)前的14.4 m3/d提高到了90 m3/d以上,平均提高6.25倍。

采用高能氣體預(yù)裂后,掘進(jìn)工作消突取得進(jìn)展,防突參數(shù)鉆屑解吸指標(biāo)K1值超限頻率大幅度降低。據(jù)15個掘進(jìn)面2340 m掘進(jìn)量統(tǒng)計(jì),在掘進(jìn)工作面施工39個循環(huán),監(jiān)測數(shù)據(jù)1332次,百米巷道K1值超限率由高能氣體預(yù)裂增透之前密集鉆孔技術(shù)的4.135次,下降到高能氣體預(yù)裂增透后的0.548次,下降了86.7%.

4 結(jié) 語

1) 高能氣體預(yù)裂增透技術(shù)可有效提升煤層透氣性,低滲透性煤層高能氣體預(yù)裂后使煤層地應(yīng)力重新分布,可以改善局部應(yīng)力集中狀態(tài),均衡應(yīng)力場,起到消突效果;預(yù)裂后煤層產(chǎn)生大量裂隙,提高滲透率,大幅度提高了瓦斯抽采速度和抽采率。

2) 高能氣體預(yù)裂技術(shù)實(shí)施后,鉆孔瓦斯自然涌出衰減系數(shù)降低5.93倍,煤層由難抽變?yōu)榭沙?百米鉆孔瓦斯自然涌出極限提高近4倍,煤層滲透率提高29.5倍,瓦斯抽采有效影響半徑提升2.5倍以上;掘進(jìn)面預(yù)裂孔平均瓦斯純流量平均濃度提高5～7倍,平均純量提高6倍;回采工作面瓦斯?jié)舛忍岣?～6倍,鉆孔平均單孔日抽采瓦斯量平均提高6.25倍;對掘進(jìn)工作消突作用大,防突參數(shù)鉆屑解吸指標(biāo)K1值超標(biāo)同比下降了86.7%.