單一低滲煤層順層鉆孔水力化措施應(yīng)用

徐 寧

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

余吾煤業(yè)主采3號(hào)煤層，平均厚度6.06 m，屬于近水平緩傾斜煤層，瓦斯壓力為0.42～0.45 MPa，煤層透氣性系數(shù)0.146 0～1.093 8 m2/MPa2·d，屬于不易抽采至可以抽采煤層[1]。順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是該礦主要瓦斯治理措施，但鉆孔抽采純量較低，平均單孔抽采純量僅為0.015 m3/min，抽采效果一般，無法快速降低煤體瓦斯含量，在工作面回采過程中，各地點(diǎn)瓦斯?jié)舛容^高，影響正常回采作業(yè)。

為提高順層鉆孔抽采純量，近幾年余吾煤業(yè)積極開展了水力化增透措施考察，先后進(jìn)行了超高壓水力割縫、水力造穴技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 技術(shù)原理

超高壓水力割是縫通過高壓裝置將高壓水(90～100 MPa)送至鉆孔孔底，利用高壓水切割煤體。通過高能量的超高壓水射流破碎煤體，形成直徑較小的縫槽，然后在煤體應(yīng)力、瓦斯壓力梯度和射流殘余能量反射的作用下破碎鉆孔周圍的煤體。縫槽周圍煤體向縫槽空間發(fā)生位移，煤體位移的作用由縫槽壁緩慢地向周圍煤體傳播，應(yīng)力集中范圍也不斷向深部轉(zhuǎn)移，擴(kuò)大了割縫的卸壓排放瓦斯范圍。割縫破壞了原來的煤體應(yīng)力狀態(tài)，形成卸壓區(qū)，在煤層卸壓區(qū)域內(nèi)，原有裂隙的張開、擴(kuò)展以及新破壞裂隙的形成，使其透氣性顯著提高，從而可以有效地提高瓦斯排放效率[2]。

水力造穴增透是在鉆孔內(nèi)用高壓水(20～50 MPa)射流對鉆孔周圍煤體進(jìn)行切割，在鉆孔周圍形成一系列具有一定寬度和長度的穴洞空間，利用水流將切割下來的煤體帶出孔外。在鉆孔內(nèi)部形成可控的空間，使煤體卸壓。卸壓的煤體彈性能得到釋放，煤層中的瓦斯得到充分解吸和釋放，從而釋放出瓦斯內(nèi)能，降低煤體瓦斯含量[3]。

圖1 超高壓水力割縫示意

圖2 水力造穴示意

超高壓水力割縫、水力造穴工藝均是利用高壓水通過噴嘴形成高壓水射流，對鉆孔煤體進(jìn)行切割，其中水力割縫水壓為90 MPa，切割煤體形成外窄內(nèi)寬縫槽，縫槽寬度為2～5 cm，單刀出煤量約為0.3 t，割縫間距約為3～4 m時(shí)，鉆孔平均出煤量為6.39 t，割縫間距為2 m時(shí)，鉆孔平均出煤量為16.56 t。水力造穴水壓為40～50 MPa，切割煤體形成煤穴，煤穴長度為1 m，造穴間距為6 m，平均單穴出煤量約為1.51 t，鉆孔平均總出煤量為19.63 t。

2 試驗(yàn)概況

余吾煤業(yè)超高壓水力割縫、水力造穴均選用重慶煤科院GF-100型超高壓水力割縫裝置，該裝置能夠提供0～100 MPa高壓水，額定流量為125 L/min，其中水刀噴嘴直徑為2.5 mm，鉆桿為直徑73 mm淺螺旋鉆桿，鉆頭直徑為113 mm。現(xiàn)場施工時(shí)，先使用鉆頭、水刀依次連接鉆桿鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度，在退鉆過程中，根據(jù)割縫、造穴間距，通過調(diào)整增壓泵水壓，從而完成割縫、造穴作業(yè)。部分試驗(yàn)孔試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 水力割縫、水力造穴鉆孔試驗(yàn)參數(shù)(部分)

表2 水力割縫、水力造穴鉆孔、普通孔抽采純量對比 m3/min

3 效果對比

為對比水力割縫、造穴抽采效果，從等效半徑、單孔抽采純量、抽采純量變化、工藝對比等四個(gè)方面進(jìn)行分析，具體如下。

3.1 等效半徑

割縫、造穴壓力分別為90 MPa、40～50 MPa，煤體在高壓水的作業(yè)下被切割為小顆粒，在水和螺旋鉆桿的共同作用下，順利排到孔口，割縫、造穴過程中未出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，在計(jì)算割縫、造穴半徑時(shí)，可以把割縫、造穴形成的空間視為一個(gè)圓柱體，根據(jù)公式反算等效半徑：

M=π×r2×h×K×γ

π為圓周率 3.14；M為造穴、割縫后排出煤屑量t；K為煤量損失不均衡系數(shù) 0.8～0.95，根據(jù)返水返渣情況此按0.91取值(實(shí)際鉆孔為俯孔，鉆孔深部切割、造穴煤渣經(jīng)過鉆桿長距離研磨，到孔口成粉末狀)[4]；r為造穴、縫隙的等效半徑，m；h為造穴、縫隙的寬度，m，考慮到縫槽為外寬內(nèi)窄不規(guī)則槽形割縫后縫隙的平均寬度按2～5 cm計(jì)算，造穴長度為1 m；γ為煤的容重，γ=1.39 t/m3。

1) 割縫孔。割縫試驗(yàn)孔平均單刀出煤量為0.31 t，根據(jù)公式反算在每刀平均排出屑量M=0.31 t的條件下，割縫后形成縫槽半徑：

r=1.25～1.97 m

2) 造穴孔。造穴孔造穴長度為1 m，平均單次出煤量為M=1.34 t，得出造穴鉆孔有效半徑r=0.58 m。即割縫孔有效半徑為造穴孔的2.16～3.4倍。

3.2 單孔抽采純量

選擇抽采時(shí)間均為60 d的割縫孔、造穴孔、普通孔抽采純量進(jìn)行對比，其中割縫孔28個(gè)、造穴孔8個(gè)、普通孔5個(gè)。同時(shí)由于鉆孔深度不一，抽采純量存在差異，特將鉆孔抽采純量換算為“百米鉆孔抽采純量”進(jìn)行對比。

圖3 水力割縫孔、造穴孔、普通孔抽采純量對比

1) 平均抽采純量：普通孔平均抽采純量為0.015 m3/min，割縫孔平均抽采純量為0.055 m3/min，造穴孔平均純量為0.1 m3/min，顯然造穴孔平均抽采純量最高，分別為割縫孔、普通孔的1.82倍、6.7倍。

2) 平均最大抽采純量：普通孔平均最大抽采純量為0.024 m3/min，割縫孔平均最大抽采純量為0.131 m3/min，造穴孔為0.25 m3/min，造穴孔平均最大抽采純量分別為割縫孔、普通孔的1.91倍、10.42倍。

可以得出，在帶抽時(shí)間60 d情況下，在鉆孔平均抽采純量、平均最大抽采純量方面，造穴孔均高于割縫孔、普通孔，說明鉆孔經(jīng)過水射流進(jìn)行“鉆擴(kuò)孔”，形成一定長度的煤穴，提高了煤體透氣性，為瓦斯流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件，大大增加了鉆孔抽采純量。

3.3 抽采純量變化

為考察割縫孔、造穴孔、普通孔純量變化規(guī)律，選擇帶抽時(shí)間60 d以上鉆孔進(jìn)行分析，由于割縫孔、造穴孔數(shù)量較多，因此選擇S31～S35號(hào)割縫孔、Z1～Z3號(hào)孔進(jìn)行對比。

圖4 超高壓水力割縫鉆孔純量變化趨勢

1) 由圖4、圖5可以看出，造穴孔、割縫孔均是在采用水力化卸壓增透措施后，鉆孔內(nèi)部煤體暴露面積增大，煤體卸壓，促進(jìn)煤體瓦斯解析，煤層透氣性顯著增加，鉆孔煤壁大量游離瓦斯涌出，造成初期抽采純量大；隨著時(shí)間的推移，鉆孔附近煤體瓦斯含量顯著下降，而此時(shí)由于抽采時(shí)間較短，深部瓦斯尚未運(yùn)移至鉆孔處，同時(shí)由于孔內(nèi)積水，煤壁瓦斯被積水掩蓋，這也就造成了純量顯著下降的現(xiàn)象。隨著后期抽采時(shí)間的繼續(xù)增加，孔內(nèi)積水不斷被抽走，深部瓦斯將陸續(xù)運(yùn)移至鉆孔處，則出現(xiàn)抽采純量上升的現(xiàn)象。抽采純量上升后煤體游離瓦斯不斷減少，吸附瓦斯開始解析，二者達(dá)到一個(gè)相對平衡狀態(tài)，即純量出現(xiàn)下降并趨于穩(wěn)定[5]。

圖5 水力造穴鉆孔純量變化趨勢

2) 造穴孔：Z1～Z3號(hào)孔分別經(jīng)過13 d、17 d、22 d分別趨向于0.06 m3/min、0.05 m3/min、0.03 m3/min，平均時(shí)間為17 d。割縫孔：S31～S35號(hào)孔分別經(jīng)過34 d、5 d、16 d、9 d和21 d分別趨向于0.06 m3/min、0.05 m3/min、0.03 m3/min、0.04 m3/min和0.05 m3/min，其中S32號(hào)孔與418號(hào)孔輕微串孔，因此純量衰減較快，即S31～S32號(hào)、S34～S35號(hào)孔平均時(shí)間為20 d，普通鉆孔純量衰減期為7～10 d。顯然造穴孔、割縫孔純量衰減時(shí)間均長于普通孔，主要原因?yàn)殂@孔經(jīng)過水力化措施后，煤壁暴露面積增大，煤體透氣性改善，造成帶抽前期瓦斯抽采純量較大。

3.4 工藝對比

1) 施工時(shí)間。割縫、造穴區(qū)間均為30～120 m，割縫孔間距2 m，平均單次高壓切割時(shí)間為10 min，每個(gè)孔割46刀，共用時(shí)7.67 h；造穴孔間距6 m，造穴長度為1 m，每個(gè)孔造13個(gè)穴，每個(gè)穴用時(shí)30 min，共用時(shí)6.5 h。即造穴孔比割縫孔節(jié)省1.17 h。

2) 安全系數(shù)。造穴孔高壓水壓力為40～50 MPa，割縫孔高壓水壓力為90 MPa，壓力越高，對于高壓泵、高壓膠管、鉆桿密封安全要求也相應(yīng)提高，因此從施工安全角度考慮，造穴工藝優(yōu)于割縫工藝。

4 結(jié) 語

1) 超高壓水力割縫、水力造穴工藝均是利用高壓水通過噴嘴形成高壓水射流，對鉆孔煤體進(jìn)行切割，增加鉆孔煤壁暴露面積，提高瓦斯抽采效率。其中割縫孔、造穴孔等效半徑分別為1.25～1.97 m、0.58 m，即割縫孔有效半徑為造穴孔的2.34～3.71倍。

2) 造穴鉆孔經(jīng)過水射流進(jìn)行“鉆擴(kuò)孔”，形成一定長度的煤穴，提高了煤體透氣性，為瓦斯流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件，鉆孔抽采純量優(yōu)于割縫鉆孔。

3) 在施工時(shí)間方面，造穴孔比割縫孔節(jié)省1.17 h，在安全系數(shù)方面，造穴工藝優(yōu)于割縫工藝。

4) 綜上所述，對于單一低滲煤層來說，水力造穴技術(shù)優(yōu)于超高壓水力割縫技術(shù),目前余吾煤業(yè)正在井下推廣應(yīng)用。