王莊煤礦煤層脈動(dòng)水力卸壓增透技術(shù)實(shí)踐

薛志興

(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司王莊煤礦，山西省長(zhǎng)治市，046031)

目前，對(duì)于高瓦斯低透氣性煤層，瓦斯抽放效果往往不理想。煤層透氣性低嚴(yán)重影響了瓦斯抽采效果，增加了瓦斯抽采難度。當(dāng)前，大多數(shù)礦井通過采取延長(zhǎng)抽采時(shí)間、縮小鉆孔間距等措施提高煤層瓦斯抽采效果，這些措施很難從根本上解決低透氣性煤層帶來的瓦斯抽采困難的問題，提高煤層透氣性成為了煤層瓦斯抽采的關(guān)鍵。為了提高煤層瓦斯抽采效果，需要采取有效的卸壓增透抽采措施，現(xiàn)階段主要采取集壓裂和驅(qū)替為一體的高壓脈動(dòng)水力卸壓增透技術(shù)。通過這一新型技術(shù)，最大限度地使水滲入到不同裂隙、孔隙，增加煤體的濕潤(rùn)性，有效改變煤層的物理力學(xué)性質(zhì)，擴(kuò)大煤體的原有裂隙，提高煤層透氣性，達(dá)到在低透氣性煤體提高瓦斯抽采效果及防治煤與瓦斯突出的作用，為高瓦斯低透氣性煤層瓦斯治理奠定良好的基礎(chǔ)。

1 煤層脈動(dòng)水力卸壓增透技術(shù)原理

煤層脈動(dòng)水力卸壓增透技術(shù)是將一定頻率的脈動(dòng)水持續(xù)注入鉆孔中，煤體原生裂隙在強(qiáng)烈的脈動(dòng)水壓力作用下，會(huì)在縫隙末端產(chǎn)生交變應(yīng)力，使煤體的裂隙孔隙產(chǎn)生“壓縮-膨脹-壓縮”反復(fù)作用，煤體將產(chǎn)生疲勞損傷破壞，煤體內(nèi)部裂隙弱面擴(kuò)展、延伸，形成相互交織的貫通裂隙網(wǎng)絡(luò)。正是由于這種裂隙擴(kuò)展連通，致使煤層透氣性大大提高，顯著提高了煤層瓦斯抽采效果。煤層脈動(dòng)注水可使注水孔周圍煤體孔隙、裂隙擴(kuò)展，滲透率增大，煤體內(nèi)部游離瓦斯更易提前排出，起到卸壓和排放瓦斯的作用。林柏泉等提出高壓脈動(dòng)水力壓裂卸壓增透技術(shù)，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，得出了脈動(dòng)卸壓壓力為24 MPa、頻率為20 Hz時(shí)，卸壓增透效果最好。

王莊煤礦屬高瓦斯礦井，開采的3#煤層瓦斯吸附能力強(qiáng)，屬低透氣性難抽采煤層，吸附常數(shù)a為35.429，吸附常數(shù)b為0.806，百米鉆孔初始涌出量為0.089 m3/min，百米鉆孔流量衰減系數(shù)為0.0169 d-1，煤層透氣性系數(shù)為0.169～0.734 m2/(MPa2·d)。抽采方式主要采取采前預(yù)抽、邁步鉆場(chǎng)掘進(jìn)預(yù)抽、正頭預(yù)抽、相鄰巷道區(qū)域預(yù)抽、裂隙帶抽采、高抽巷及采空區(qū)埋管抽采相結(jié)合的抽采模式，現(xiàn)540膠帶運(yùn)輸大巷采取相鄰巷道區(qū)域預(yù)抽抽采方式實(shí)現(xiàn)區(qū)域瓦斯治理。初期施工130個(gè)鉆孔并網(wǎng)帶抽后，無法測(cè)出混合流量，抽采效果不好，說明該區(qū)域透氣性系數(shù)太低，不適合直接抽采，因此需要采取增透措施提高煤層的透氣性，再進(jìn)行預(yù)抽。所以將本次試驗(yàn)地點(diǎn)定在此巷道，希望能夠通過此試驗(yàn)來增加本巷道的煤層透氣性，探索適合于本煤層的卸壓増透技術(shù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

本次試驗(yàn)選擇在540膠帶運(yùn)輸大巷進(jìn)行，所采煤層屬3#煤層，位于81采區(qū)。540膠帶運(yùn)輸大巷東、西、南部都為實(shí)體煤，北部接540膠帶大巷。地面標(biāo)高929～934 m，工作面標(biāo)高416～450 m。3#煤層賦存于二疊系山西組地層中，為陸相湖泊型沉積，煤層厚度穩(wěn)定，煤層平均厚度為6.3 m，全煤含夾矸5層，總厚度為0.6 m，其中上分層所含夾矸局部有變厚現(xiàn)象，夾矸最大厚度可達(dá)0.4 m。540膠帶運(yùn)輸大巷開口處可解析瓦斯含量為3.42 m3/t，殘存瓦斯含量為2.36 m3/t。對(duì)煤層瓦斯含量分布規(guī)律研究分析結(jié)果表明，3#煤層瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為2.09 m3/(t·hm)，即煤層埋藏深度每增加100 m，煤層瓦斯含量增加2.09 m3/t。結(jié)合煤層底板等高線，由此可以得出540膠帶運(yùn)輸大巷瓦斯含量在6.0～8.0 m3/t。

目前，540膠帶運(yùn)輸大巷共施工區(qū)域預(yù)抽鉆孔511個(gè)，抽采負(fù)壓21 kPa，混合流量34.61 m3/min,瓦斯?jié)舛?0.8%，純瓦斯流量3.74 m3/min。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)巷道實(shí)際情況，在540膠帶運(yùn)輸大巷同一側(cè)設(shè)計(jì)施工間隔20 m的兩組鉆孔，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，506#～510#鉆孔為試驗(yàn)組，496#～500#鉆孔為對(duì)比組，在試驗(yàn)組中選取507#、509#鉆孔進(jìn)行脈動(dòng)卸壓，對(duì)比組中鉆孔未進(jìn)行脈動(dòng)卸壓，鉆孔間距為3 m，具體脈動(dòng)卸壓孔布置如圖1。

2.3 鉆孔封孔

鉆孔施工使用ZDY-4000S型全液壓鉆機(jī)，位置選在頂板、煤幫完整性較好，無表面破碎帶，周圍無裂隙構(gòu)造發(fā)育的地方，采用?120 mm的鉆頭，垂直巷幫施工，鉆孔脈動(dòng)卸壓孔與抽采鉆孔參數(shù)見表1。

圖1 脈動(dòng)卸壓孔布置示意圖

試驗(yàn)使用膠囊加套管的封孔方法。該試驗(yàn)封孔方式采用“套管-膠囊”封孔器組合式的方式，如圖2所示。該方式是先將一個(gè)內(nèi)徑60 mm的PVC套管加載到鉆孔的內(nèi)部，然后再將一個(gè)內(nèi)徑48 mm的膠囊封孔器通過一定的方式鑲嵌在PVC套管中指定的位置，最后通過對(duì)該膠囊進(jìn)行手動(dòng)式加壓，使該膠囊不斷膨大最后與PVC套管緊密地貼在一起，從而達(dá)到封孔的目的。

2.4 水力卸壓系統(tǒng)

井下水力卸壓系統(tǒng)主要由脈動(dòng)注水泵、水箱、壓力表、高壓管、封孔器、溢流閥等組成，如圖3所示。水源取自井下消防灑水系統(tǒng)，從540膠帶運(yùn)輸大巷靜壓水管三通閥門處接高壓水管至移動(dòng)儲(chǔ)水箱內(nèi)，然后通過脈動(dòng)注水泵、溢流閥，加壓向鉆孔注水。

圖2 脈動(dòng)卸壓封孔示意圖

圖3 脈動(dòng)卸壓設(shè)備連接示意圖

2.5 現(xiàn)場(chǎng)卸壓

根據(jù)前面所述，本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施脈動(dòng)卸壓孔為507#鉆孔、509#鉆孔，9月25日8點(diǎn)班對(duì)其進(jìn)行了脈動(dòng)水力卸壓，在卸壓過程中，記錄了相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)情況，卸壓過程如下：

(1)膠囊封孔器加壓。對(duì)高壓膠囊進(jìn)行手動(dòng)式加壓，使其不斷膨大，當(dāng)連接壓力表升至10 MPa時(shí)，待該壓力穩(wěn)定后再停止手動(dòng)式加壓，完成膠囊注水作業(yè)。

(2)脈動(dòng)水力卸壓。開啟脈動(dòng)注水泵，脈動(dòng)頻率設(shè)定為20 Hz，起始?jí)毫Τ醪皆O(shè)定在1～3 MPa范圍內(nèi)，之后再逐漸增大注水壓力，并且保持壓力增大的頻率為0.2～0.3 MPa/min的范圍內(nèi)。通過調(diào)壓閥控制水壓達(dá)到24 MPa，當(dāng)達(dá)到一定壓力值時(shí)，壓力不隨時(shí)間增加而增加，會(huì)穩(wěn)定一定時(shí)間，這是裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段，這個(gè)過程持續(xù)時(shí)間與卸壓距離、泵流量有關(guān)。

(3)結(jié)束壓裂。通過觀察，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有水從鄰近抽采鉆孔中流出時(shí)，或者發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)的水壓力長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，不再發(fā)生大幅度的變化時(shí)，結(jié)束整個(gè)卸壓試驗(yàn)。

(4)并網(wǎng)抽采。壓裂試驗(yàn)結(jié)束后，通過調(diào)壓閥緩慢降低注水壓力，直至壓力為0，關(guān)閉注水泵。然后將封孔器囊袋壓力緩慢降低，直至為0，將PVC套管中的膠囊的壓力降下來并且從套管中取出，讓水從鉆孔中自然地排出，最后將PVC和瓦斯抽采管連接起來，對(duì)卸壓孔進(jìn)行瓦斯抽采，與此同時(shí)，將其余8個(gè)鉆孔進(jìn)行并網(wǎng)抽采，連續(xù)考察鉆孔瓦斯?jié)舛?5 d，進(jìn)行對(duì)比分析。

3 效果分析

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在實(shí)施脈卸壓動(dòng)試驗(yàn)之前先對(duì)兩組試驗(yàn)鉆孔在負(fù)壓為21 kPa的情況下進(jìn)行預(yù)抽，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在試驗(yàn)前一天9月24日對(duì)兩組試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采濃度進(jìn)行觀測(cè)記錄。現(xiàn)場(chǎng)卸壓試驗(yàn)后，在保持卸壓孔抽采負(fù)壓不變的情況下，自9月25日卸壓試驗(yàn)后對(duì)兩組試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采濃度進(jìn)行為期15 d的連續(xù)觀測(cè)記錄，見表2、表3。

在負(fù)壓一定、鉆孔無漏氣等條件下，由表2、表3可以看出，對(duì)507#、509#鉆孔實(shí)施卸壓試驗(yàn)后，506#～510#孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓^大，而未做卸壓試驗(yàn)的496#～500#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葞缀鯚o任何變化。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的抽采效果來看，507#、509#孔瓦斯抽采濃度分別由12.4%和14.2%下降到2.4%和5.0%，下降量最大，15 d后瓦斯?jié)舛扔兴嵘Ⅱ?qū)于穩(wěn)定，說明在卸壓后該孔瓦斯驅(qū)趕效果明顯，由于有水的原因，導(dǎo)致抽采效果暫時(shí)有所下降。通過實(shí)施水力卸壓，卸壓周圍鉆孔瓦斯抽采濃度都有所提高，相比未實(shí)施卸壓的鉆孔，抽采效果明顯提高。

表2 496#～500#鉆孔試驗(yàn)前后瓦斯抽采濃度值 %

表3 506#～510#鉆孔試驗(yàn)前后孔瓦斯抽采濃度值 %

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)表明，在實(shí)施鉆孔卸壓后，周圍孔瓦斯抽采濃度變化范圍較大，驗(yàn)證了此次注水對(duì)鉆孔附近煤層瓦斯驅(qū)趕作用明顯。并且從目前抽采濃度值考慮，基本上所有周圍鉆孔的抽采濃度都有明顯的提高，進(jìn)一步驗(yàn)證卸壓鉆孔注水對(duì)周圍鉆孔抽采效率的提高作用明顯。

由此可見，脈動(dòng)水力卸壓提高瓦斯抽采率效果明顯，卸壓孔周圍孔附近瓦斯抽采效率明顯提高，形成了適合該礦工作面煤層脈動(dòng)水力卸壓提高抽采效果的技術(shù)工藝和方法，有效加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)工作面瓦斯治理效果。該試驗(yàn)研究成功后，可以提高瓦斯抽采率，預(yù)防煤與瓦斯突出危害，提高生產(chǎn)安全性能，為礦井的高產(chǎn)高效建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)可改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，利于巷道穩(wěn)定，對(duì)巷道的暢通、安全也具有非常重要的意義。