吉寧煤礦可控沖擊波增透技術(shù)應(yīng)用分析

王向東，李文剛

(1. 華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000； 2. 華晉吉寧煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

可控沖擊波技術(shù)有別于傳統(tǒng)煤層增透技術(shù)，是以沖擊壓力作用于煤層，通過控制沖擊波的作用范圍和單次脈沖能量，實現(xiàn)對儲層分段改造；通過調(diào)整參數(shù)，可對儲層各個位置進行可控改造?？煽貨_擊波通過對強度和區(qū)域的控制，可在不破壞鉆孔的條件下使孔隙連通、擴展和延伸，形成一個交互孔隙網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到提高煤層抽采效率的目的。該技術(shù)的獨特性為解決瓦斯治理難題提供了有效的技術(shù)途徑。

1 概 況

吉寧煤礦位于河?xùn)|煤田西南部，為高瓦斯礦井，單一厚煤層開采。其2#煤層位于山西組中下部，全區(qū)穩(wěn)定可采，平均厚度6.22 m，屬厚煤層，平均瓦斯含量8.23 m3/t，殘存瓦斯含量2.74 m3/t，透氣性系數(shù)為0.023 008～0.085 813 m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.059 d-1，百米鉆孔初始瓦斯流量為0.022 57 m3/min·100，屬較難抽采煤層。煤層堅固性系數(shù)為0.6，抽采半徑為2 m，抽采達(dá)標(biāo)時間約90天。回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為23.97 m3/min，必須進行瓦斯抽采。

吉寧煤礦綜采工作面順層鉆孔平面投影間距3 m，雙排鉆孔施工，鉆孔布置剖面示意圖見圖1.鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時間約為90天，工作面瓦斯治理時間約為300天，給工作面瓦斯治理帶來很大困難，影響了礦井的正常生產(chǎn)銜接。因此，必須采取合適的瓦斯治理技術(shù)，從根本上解決該礦的瓦斯治理難題。

圖1 綜采工作面順層鉆孔布置剖面示意圖

2 可控沖擊波技術(shù)

可控沖擊波煤層增透技術(shù)是由軍工、電氣學(xué)科與煤炭科學(xué)交叉所產(chǎn)生，是一條新的煤層增透、瓦斯治理技術(shù)途徑。可控沖擊波是以高功率脈沖技術(shù)為基礎(chǔ)，以電爆炸等離子體驅(qū)動含能混合物所產(chǎn)生[1].可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備示意圖見圖2.

可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備在鉆孔中的工作原理是：孔外脈沖電源控制器通過中心通纜式鉆桿與入孔設(shè)備建立4.5 V的信號通訊，當(dāng)入孔設(shè)備的高壓直流電源接收到孔外脈沖電源控制器的信號指令后，其自身攜帶的100 V防爆電池組開始向儲能電容器充電，當(dāng)儲能電容器儲存的電能達(dá)到能量控制器的工作閾值時，儲能電容器儲存的電能經(jīng)能量控制器傳遞給能量轉(zhuǎn)換器；在能量轉(zhuǎn)換器中，放電電流迅速使金屬絲加熱、汽化、電離，將電能和化學(xué)能(物質(zhì)的內(nèi)能)轉(zhuǎn)換成液體中的機械能―脈沖沖擊波能量[1].可控沖擊波增透設(shè)備工作原理圖見圖3.

圖2 可控沖擊波產(chǎn)生設(shè)備示意圖

圖3 可控沖擊波增透設(shè)備工作原理圖

沖擊波作用到煤層后，在不同的作用半徑上，沖擊波的特性和對煤層作用效果不同。在孔周圍沖擊波峰值壓力超過煤層抗壓強度的區(qū)域，沖擊波直接破裂煤層，煤層的破裂程度與沖擊波的幅值、沖量相關(guān)。當(dāng)幅值和沖量足夠強大時，沖擊波會擠壓鉆孔周圍的煤層形成空腔，并在空腔外緣區(qū)域形成高密度的殼層；隨著沖擊波幅值和沖量的衰減，沖擊波以破碎煤層的模式形成破碎區(qū)，這一區(qū)域稱為沖擊波作用區(qū)。可控沖擊波通過對強度和區(qū)域的控制，保護煤層結(jié)構(gòu)和鉆孔結(jié)構(gòu)，在孔周圍的煤層中形成一定的裂縫，溝通鉆孔與更多的煤層[1-4].

3 試驗過程和結(jié)果

3.1 試驗流程

1) 按照工作面采長設(shè)計抽采鉆孔，鉆孔采用負(fù)傾角施工，有利于孔內(nèi)儲水[5].

2) 控電柜接入電源，連接好控制器。

3) 將沖擊波發(fā)生器(圖2)連接好用通纜鉆桿送入孔底指定位置。

4) 每送入2根鉆桿檢查一次通纜鉆桿信號傳輸質(zhì)量，如果信號差，則替換剛送入的鉆桿。

5) 按照設(shè)計設(shè)定控制器上的作業(yè)程序，開始作業(yè)。

6) 自動完成設(shè)定次數(shù)沖擊作業(yè)。

7) 退出2根鉆桿，重復(fù)步驟6.

8) 最后剩余一定長度不進行沖擊作業(yè)，保護孔口煤壁完整性。

9) 作業(yè)完成。

3.2 試驗結(jié)果

第一組試驗鉆孔布置3個，周邊布置一定數(shù)量的考察孔，通過考察孔的抽采量分析可控沖擊波增透的有效半徑。第二組試驗鉆孔布置2個，周邊沒有考察孔，分別采用單點5次和單點6次的方式進行沖擊作業(yè)，考察不同次數(shù)沖擊作業(yè)的抽采效果。第三組試驗鉆孔布置2個，兩個試驗鉆孔間距40 m，主要考察在大范圍布置鉆孔情況下的抽采效果。沖擊波作業(yè)鉆孔參數(shù)見表1.鉆孔布置見圖4.

表1 沖擊波作業(yè)鉆孔參數(shù)表

圖4 可控沖擊波鉆孔布置圖

4 抽采效果對比分析

4.1 單孔抽采效果分析

根據(jù)第二組和第三組鉆孔計算單孔抽采效果，7#鉆孔抽采量異常(過大)，不作為本次抽采效果分析樣本，樣本選擇為3#、5#、6#鉆孔。刪除原始鉆孔流量數(shù)據(jù)后，將抽采數(shù)據(jù)換算成百米鉆孔抽采量進行對比分析(下同)。沖擊鉆孔平均抽采量見表2.

表2 沖擊鉆孔平均抽采量表

由表2可知，3#鉆孔平均抽采量較普通鉆孔增加8.2倍，5#鉆孔增加11.4倍，6#鉆孔增加10.9倍。由此可知，沖擊鉆孔可有效增加煤層透氣性，提高鉆孔抽采量。3#鉆孔采用單點5次沖擊作業(yè)模式，5#和6#鉆孔采用單點6次沖擊作業(yè)模式，同時可以說明隨著沖擊次數(shù)的增加，鉆孔抽采量整體處于上升趨勢。從試驗結(jié)果來看，可控沖擊波作業(yè)可以增加11倍抽采量。

4.2 有效抽采半徑分析

根據(jù)第一組鉆孔的抽采數(shù)據(jù)分析，用考察孔和沖擊鉆孔的間距與抽采量的變化關(guān)系確定有效半徑[6]，見表3.圖5.

表3 沖擊鉆孔和考察鉆孔間距與抽采量關(guān)系表

圖5 考察鉆孔抽采量與有效半徑關(guān)系圖

從表3和圖5可知，考察鉆孔距離沖擊鉆孔10 m處裂隙增加效果最好，增加4.58倍；17 m處則減少為1.39倍；此后，直至40 m處抽采量仍有1.49倍的增量。根據(jù)單孔抽采量數(shù)據(jù)計算，考慮抽采時間因素，半徑40 m無法抽采達(dá)標(biāo)，舍棄，半徑17 m能夠抽采達(dá)標(biāo)，因此，試驗有效半徑為17 m.

4.3 沖擊鉆孔抽采衰減情況分析

可控沖擊波鉆孔在抽采10天后逐漸進入穩(wěn)產(chǎn)期，抽采時出現(xiàn)短時衰減又迅速反彈，此情況一般認(rèn)為是氣壓和抽采負(fù)壓等外部因素導(dǎo)致的波動，不做為分析對象。穩(wěn)產(chǎn)期抽采100天沒有明顯的衰減跡象，100天后鉆孔抽采量逐漸衰減，見圖6.

4.4 抽采達(dá)標(biāo)時間分析

利用該礦的抽采達(dá)標(biāo)評價系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)3#鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時間為129天，5#鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時間為95天，6#鉆孔為99天。而普通鉆孔間距3 m的抽采達(dá)標(biāo)時間仍然需要89天，再加上鉆孔施工時間和可控沖擊波作業(yè)時間，以可采走向長1 000 m的工作面為例，整體抽采時間見表4和圖7.

圖6 可控沖擊波鉆孔抽采量曲線圖

表4 沖擊鉆孔和普通鉆孔瓦斯治理時間對比表

由圖7可以看出，3#鉆孔瓦斯治理時間節(jié)約47.6%，5#鉆孔瓦斯治理時間節(jié)約64%，6#鉆孔瓦斯治理時間節(jié)約62.7%. 由此可見，單點沖擊5次可以節(jié)約瓦斯治理時間47.6%，單點沖擊6次(5#孔和6#孔)則節(jié)約62.7%以上。

5 結(jié) 論

采用可控沖擊波增透技術(shù)使吉寧煤礦2#煤層單孔瓦斯抽采量增加11倍，有效抽采半徑達(dá)17 m(普通鉆孔為2 m)，鉆孔穩(wěn)產(chǎn)期100天后開始出現(xiàn)衰減，節(jié)約鉆孔量91%，同時節(jié)約瓦斯治理時間62.7%(單點沖擊6次)。

圖7 瓦斯治理時間對比圖