高壓水射流割縫參數試驗研究

劉晉剛

(山西天地王坡煤業有限公司,山西 晉城 048021)

高壓水射流割縫既能有效的消除突出危險,又能卸壓增透顯著提高瓦斯抽采效果,是一種有效的瓦斯治理方法[1-6]。高壓水射流割縫的射流壓力、割縫速度、縫槽間距等對射流的增透效果和割縫效率具有較大的影響[7-8]。雖然許多研究者在高壓水射流割縫方面進行了大量的研究工作,也對割縫參數進行研究,但由于不同礦井煤層條件各不相同,需進一步對高壓水射流參數進行研究。為了研究適合長平礦穿層鉆孔的高壓水射流割縫參數,本文通過現場工業性試驗,研究了割縫壓力、時間、間距與割縫效率以及瓦斯抽采效果之間的關系。

1 試驗區煤層瓦斯基本概況

長平礦是高瓦斯礦井主采3號煤層,煤層平均厚度5.58 m,原始瓦斯含量4.5 m3/t～20 m3/t,原始瓦斯壓力0.38 MPa～1.52 MPa,煤層堅固性系數為0.3～0.8,煤層透氣性系數為0.011 6 m2/(MPa2·d)～0.052 0 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.110 1 d-1～0.466 d-1。長平礦3號煤層瓦斯含量高、壓力大,煤層松軟透氣性低,屬于難以抽采的煤層。

2 高壓水射流割縫參數試驗方案

高壓水射流割縫參數試驗布置在5302底抽1巷,試驗設計施工了2組鉆孔,每組10個鉆孔,共布置穿層鉆孔20個,鉆孔傾角36°。兩組鉆孔分別為割縫壓力試驗鉆孔和割縫間距試驗鉆孔,水射流割縫采用應割盡割的方式,即割縫開始直至返清水或返煤量明顯減少時停止割縫。

2.1 水射流割縫壓力試驗方案

第一組試驗鉆孔為割縫壓力試驗鉆孔,為考察不同壓力對水射流煤層切割的影響,該組試驗鉆孔采用相同的割縫間距進行水射流割縫,每次割縫直至返清水或返煤量明顯減少時停止,并記錄割縫時間。割縫壓力試驗共布置10個鉆孔,割縫間距S確定為2 m,割縫壓力P分別采用50 MPa、60 MPa、70 MPa、80 MPa、90 MPa進行試驗,每種壓力試驗兩個鉆孔,割縫完成后接抽觀測瓦斯抽采數據。水射流割縫壓力試驗鉆孔布置如圖1所示,具體的割縫參數如表1所示。

圖1 水射流割縫壓力試驗鉆孔

表1 壓力試驗鉆孔割縫參數

2.2 水射流割縫間距試驗方案

第二組試驗鉆孔的試驗目的是在水射流割縫壓力相同的情況下,考察不同水射流割縫密度對煤層卸壓及瓦斯抽采的影響,每次割縫直至返清水或返煤量明顯減少時停止,并記錄割縫時間。本組試驗共布置10個鉆孔,割縫壓力P確定為80 MPa,割縫間距S分別采用0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m進行試驗,相同的割縫間距試驗兩個鉆孔,割縫完成后接抽觀測瓦斯抽采數據。水射流割縫間距試驗鉆孔布置如圖2所示,具體的割縫參數如表2所示。

圖2 水射流割縫間距試驗鉆孔

表2 壓力試驗鉆孔割縫參數

2.3 水射流割縫時間考察方案

水射流割縫時間考察,主要通過割縫壓力和割縫間距的試驗鉆孔進行考察,每次割縫直至返清水或返煤量明顯減少時停止,并記錄每次割縫的時間。對第一組和第二組試驗鉆孔的割縫時間進行收集整理分析,得到合適的割縫時間。

3 試驗效果分析

3.1 割縫壓力試驗效果分析

通過高壓水射流試驗數據分析發現,不同的割縫壓力對水射流煤層切割的影響差異較大。本文采用割縫壓力為50 MPa～90 MPa分別進行了試驗,試驗得出割縫壓力不同對割縫鉆孔的排渣與割縫效率具有較大影響,試驗對比分析如下:

1)試驗鉆孔割縫壓力為50 MPa、60 MPa時,在割縫過程中剛開始孔內有較多的煤渣伴隨著水一起排出,但在較短時間內在1 min左右,鉆孔內排出的水變得稍有渾濁,伴隨的煤渣較少,切割效果不明顯。

2)試驗試驗鉆孔割縫壓力為70 MPa、80 MPa時,在割縫過程中孔內有較多的煤渣伴隨著水一起排出,且能夠保持3 min～4 min,排水排渣順暢,切割順利。

3)試驗試驗鉆孔割縫壓力為90 MPa時,在割縫過程中鉆孔內煤渣量非常大,排渣流速緩慢,鉆機運轉阻力逐漸加,卡鉆、堵孔、噴孔現象時有發生。

綜合以上不同高壓水射流壓力下的排渣與割縫效果,水切割壓力為70 MPa、80 MPa時,水射流割縫速度快,鉆孔排渣順暢,割縫效率最高,綜合得出長平礦3號煤層的高壓水射流割縫壓力為70 MPa～80 MPa較為合理。

3.2 割縫間距試驗效果分析

通過對水力割縫間距試驗鉆孔進行了27 d的觀測,收集、統計、計算了試驗鉆孔日的抽采純量以及27 d的累計瓦斯抽采純量,得到不同割縫間距試驗鉆孔的日瓦斯抽采純量隨抽采時間的變化曲線,如圖3所示,得到不同割縫間距試驗鉆孔的累計抽采純量,如圖4所示。

圖3 試驗鉆孔日抽采純量曲線圖

通過圖3總結分析可以得出:

1)通過高壓水射流割縫后,S1#孔、S2#孔、S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔、S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的抽采純量在抽采3 d后均有所提高,得到高壓水射流割縫能夠提高鉆孔的瓦斯抽采量。

2)S1#孔、S2#孔割縫間距為0.5 m,抽采3 d后抽采純量有一定的提高,但保持時間較短僅有5天左右,抽采量開始減少,究其原因,由于割縫間距較小導致煤體破碎,隨抽采對煤體的擾動,鉆孔坍塌堵塞,減小了鉆孔的抽采距離和范圍。

3)S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔割縫間距為1 m和1.5 m,試驗后鉆孔的抽采量有明顯提高,持續高流量抽采時間長,試驗效果較好。

4)S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的割縫間距為2 m和2.5 m,通過高壓水射流割縫后,鉆孔抽采流量增加,但抽采量保持18 d后開始減少,分析其原因為,鉆孔割縫間距較大,對煤體卸壓不充分。

通過圖4可以看出,通過27 d的瓦斯抽采,S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔的單孔累計抽量明顯比S1#孔、S2#孔、S7#孔、S8#孔、S9#孔、S10#孔的單孔累計抽量高,S3#孔、S4#孔、S5#孔、S6#孔的割縫間距為1 m和1.5 m,因此得到割縫間距為1 m～1.5 m的抽采效果較好。

圖4 試驗鉆孔累計抽采純量柱狀圖

3.3 割縫時間考察分析

對割縫壓力試驗鉆孔和割縫間距試驗鉆孔的割縫時間收集、統計,高壓水射流割縫壓力為50 MPa、60 MPa時,在割縫開始的第1 min隨水排出的煤渣較多,割縫3 min后大部分鉆孔內排出的水稍有渾濁或返清水;高壓水射流割縫壓力為70 MPa、80 MPa時,割縫的前3 min鉆孔內有大量的煤渣隨水排出,割縫4 min后鉆孔內返煤量明顯減少;高壓水射流割縫壓力為90 MPa時,鉆孔割縫時間較長,平均每次割縫時間為10 min左右,主要由于割縫時塌孔、堵孔等嚴重,導致割縫效率低。通過試驗統計分析得到,在割縫壓力合適的條件下,高壓水射流割縫時間為4 min左右較為合適。

4 結論

高壓水射流割縫能有效增加煤層透氣性系數,提高鉆孔的抽采量,合適的割縫參數能夠有效提高割縫的效率和鉆孔瓦斯抽采效果。通過試驗得到以下結論:

1)高壓水射流割縫壓力為70 MPa、80 MPa時,水射流割縫速度快,鉆孔排渣順暢,割縫效率最高,綜合得出長平礦3號煤層的高壓水射流割縫壓力為70 MPa～80 MPa較為合理。

2)高壓水射流割縫間距為1 m和1.5 m時鉆孔的抽采效果最好,因此得到較好的割縫間距為1 m～1.5 m。

3)在割縫壓力合適的條件下,高壓水射流割縫時間為4 min左右時,割縫的效率最高,得到割縫時間為4 min左右較為合適。